用于磁屏蔽室屏蔽叠层优化的CSA-NSGAII算法

杨松楠; 张晓晖; 刘媛媛; 张金生; 席晓莉

doi:10.37188/OPE.20223014.1749

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用于磁屏蔽室屏蔽叠层优化的CSA-NSGAII算法

信息科学 | 更新时间：2022-08-08

- 用于磁屏蔽室屏蔽叠层优化的CSA-NSGAII算法
- CSA-NSGAII algorithm for magnetically shielded room shield lamination optimization
- 光学精密工程 2022年30卷第14期页码：1749-1763
- 作者机构：
  
  1.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安 710048
  2.西安高新技术研究所，陕西西安 710000
- 作者简介：
  
  [ "杨松楠（1994-），男，陕西西安人，博士研究生，2016年、2021年于西安理工大学分别获得学士、硕士学位，现为西安理工大学自动化与信息工程学院博士研究生，主要从事地磁导航与多目标优化算法方面的研究。E-mail：yang.son.nan@outlook.com" ]
  [ "张晓晖（1973-），男，陕西西安人，教授，硕士生导师，1995年、2002年、2009年于西安理工大学分别获得学士、硕士、博士学位，主要从事电磁技术、先进导航与模式识别方面的研究。E-mail：xhzhang@xaut.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(51875447);陕西省重点研发计划项目(S2018-YF-ZDGY-0583)
- DOI：10.37188/OPE.20223014.1749
  中图分类号： TP391.9;TM274
- 收稿日期：2022-04-20，
  
  修回日期：2022-05-23，
  
  纸质出版日期：2022-07-25
- 稿件说明：
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杨松楠,张晓晖,刘媛媛等.用于磁屏蔽室屏蔽叠层优化的CSA-NSGAII算法[J].光学精密工程,2022,30(14):1749-1763.

YANG Songnan,ZHANG Xiaohui,LIU Yuanyuan,et al.CSA-NSGAII algorithm for magnetically shielded room shield lamination optimization[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(14):1749-1763.
杨松楠,张晓晖,刘媛媛等.用于磁屏蔽室屏蔽叠层优化的CSA-NSGAII算法[J].光学精密工程,2022,30(14):1749-1763. DOI： 10.37188/OPE.20223014.1749.

YANG Songnan,ZHANG Xiaohui,LIU Yuanyuan,et al.CSA-NSGAII algorithm for magnetically shielded room shield lamination optimization[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(14):1749-1763. DOI： 10.37188/OPE.20223014.1749.

摘要

为提高多层磁屏蔽室的屏蔽性能，进一步降低磁屏蔽室的建造成本，本文将磁屏蔽叠层结构优化视为多目标函数优化问题，在可行的建造成本与建造质量构成的约束下，提出一种分段交叉策略与自适应变异算子改进NSGAII算法（CSA-NSGAII），对屏蔽叠层结构参数进行优化。CSA-NSGAII算法解决了NSGAII算法种群收敛分布不均匀，全局搜索能力差和容易陷入局部最优等问题，从而能够获得屏蔽室最优叠层结构。与NSGAII算法、NSGAII-SDR、g-NSGAII和MOEA/D算法相比，CSA-NSGAII的GD、IGD与Spacing等指标均有显著提升，说明本文提出的CSA-NSGAII算法收敛性能更好，种群分布更均匀。实验结果表明：经优化后的叠层结构在屏蔽性能不变的情况下平均能够节省约14%的建造成本，并在干扰幅值为32 000 nT，频率为1 Hz的亥姆霍兹线圈中，实现约70 dB的屏蔽性能。

Abstract

To improve the shielding performance of a multilayer magnetically shielded structure and to further reduce the construction cost of a magnetically shielded room， this study proposes to treat the magnetically shielded structure as a multi-objective function optimization problem， and to optimize the parameters of the shielded lamination structure using the non-dominated sorting genetic algorithm-II （NSGAII） under the constraints of feasible construction cost and quality construction composition. In this study， the NSGAII algorithm is improved using a segmental crossover strategy with an adaptive variation operator called CSA-NSGAII to solve the problems of the traditional NSGAII algorithm of uneven population convergence distribution， poor global search ability， and easily falling into a local optimum. Compared with the original NSGAII algorithm， NSGAII-SDR， g-NSGAII， and MOEA/D algorithms， the CSA-NSGAII is beneficial in GD， IGD， and spacing， indicating that the proposed CSA-NSGAII algorithm achieves improved convergence performance and a more uniform population distribution. By applying the algorithm proposed in this paper to the multi-objective optimization design problem of the magnetic shielding structure， the experimental results show that the optimized stacked structure can， on average， save approximately 14% of the construction costs while achieving the same shielding performance， and can achieve approximately 70 dB of shielding performance in a Helmholtz coil with an interference amplitude of 32 000 nT and frequency of 1 Hz.

关键词

Keywords

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