基于伴随网络的热管理系统优化方法、装置、设备及介质

本发明涉及热管理系统优化，尤其涉及一种基于伴随网络的热管理系统优化方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、随着热管理系统电气化与集成化水平的不断提升，系统热负荷急剧增长，系统集成化设计与高效优化已成为关键工程需求。热管理系统通常由动力换热、流体输送、环境控制等多个子系统耦合而成，表现出模型异构、非线性强、变量维度高的典型特征。针对此类热管理系统的优化问题，在进行参数寻优与性能提升时面临着巨大的计算挑战。

2、在现有的设计优化方法中，基于导数的优化算法因具有收敛快、精度高的优势而被广泛应用，但该算法依赖目标函数对决策变量的一阶偏导数（即雅可比矩阵）与二阶偏导数（即海塞矩阵）的高效、精确计算。目前，工程上常采用传统有限差分法来计算偏导数，其系统仿真次数正比于变量数目的平方，当系统变量数目众多时会引发维度灾难，导致计算成本极其高昂；该方法的计算精度对步长极其敏感，步长选择不当会导致精度急剧下降，难以满足热管理系统工程高效优化的需求。此外，虽然部分方案采用无导数优化算法以回避复杂的导数计算，但这类算法存在收敛速度慢、最优性无法保证的弊端，同样无法适配热管理系统实时设计与高效优化的场景。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于伴随网络的热管理系统优化方法、装置、设备及介质，用以解决现有热管理系统优化方法中偏导数计算效率低、精度差、存在维度灾难且易受步长影响，从而难以兼顾高精度与高效率优化计算的缺陷。

2、本发明提供一种基于伴随网络的热管理系统优化方法，包括：

3、构建热管理系统的物质流和能量流同构化网络模型，并从所述同构化网络模型中提取包含元件参数和网络变量的列表法矩阵方程；

4、基于所述元件参数的特征构建一阶伴随网络，并根据所述列表法矩阵方程和所述一阶伴随网络提取所述网络变量对所述元件参数的雅可比矩阵；

5、基于所述一阶伴随网络构建二阶伴随网络，并根据所述二阶伴随网络提取所述网络变量对所述元件参数的海塞矩阵；

6、将所述雅可比矩阵与所述海塞矩阵作为偏导数信息输入至基于导数的优化算法中进行系统参数寻优，得到所述热管理系统的目标物理设计参数。

7、根据本发明提供的一种基于伴随网络的热管理系统优化方法，所述构建热管理系统的物质流和能量流同构化网络模型，并从所述同构化网络模型中提取包含元件参数和网络变量的列表法矩阵方程，包括：

8、将所述热管理系统中的电能、热能和质量输运过程统一映射为包含势变量和流变量的所述同构化网络模型；

9、基于所述同构化网络模型的节点流平衡约束、回路势平衡约束以及元件支路本构方程，构建所述列表法矩阵方程；

10、根据在所述列表法矩阵方程中所处的位置，将所述元件参数划分为独立源参数和其他元件参数。

11、根据本发明提供的一种基于伴随网络的热管理系统优化方法，所述基于所述元件参数的特征构建一阶伴随网络，并根据所述列表法矩阵方程和所述一阶伴随网络提取所述网络变量对所述元件参数的雅可比矩阵，包括：

12、将所述独立源参数置零，并对所述其他元件参数引入一阶微小变化量，以构建满足与原网络相同拓扑约束的所述一阶伴随网络；

13、对所述列表法矩阵方程的系数矩阵进行求逆操作，得到逆矩阵；

14、从所述逆矩阵中分离出所述网络变量对所述独立源参数的线性组合系数，作为关于所述独立源参数的独立源雅可比矩阵；

15、基于所述一阶伴随网络和所述逆矩阵提取关于所述其他元件参数的其他元件雅可比矩阵，并将所述独立源雅可比矩阵与所述其他元件雅可比矩阵组合为所述雅可比矩阵。

16、根据本发明提供的一种基于伴随网络的热管理系统优化方法，所述基于所述一阶伴随网络和所述逆矩阵提取关于所述其他元件参数的其他元件雅可比矩阵，包括：

17、生成第一变换矩阵，通过所述第一变换矩阵与所述逆矩阵的乘积运算，将所述其他元件参数的所述一阶微小变化量从所述一阶伴随网络的网络变量的一阶微小变化量中分离；

18、将分离得到的结果作为所述网络变量对所述其他元件参数的所述其他元件雅可比矩阵。

19、根据本发明提供的一种基于伴随网络的热管理系统优化方法，基于所述一阶伴随网络构建二阶伴随网络，并根据所述二阶伴随网络提取所述网络变量对所述元件参数的海塞矩阵，包括：

20、在所述一阶伴随网络的基础上，对所述其他元件参数的所述一阶微小变化量引入二阶微小变化量，以构建满足与所述原网络相同拓扑约束的所述二阶伴随网络；

21、从所述其他元件雅可比矩阵中提取关联向量构建分块矩阵，并将所述分块矩阵与所述逆矩阵的对角化矩阵相乘，得到中间关系矩阵；

22、对所述中间关系矩阵进行矩阵对称化处理，得到所述网络变量对所述其他元件参数的所述海塞矩阵。

23、根据本发明提供的一种基于伴随网络的热管理系统优化方法，所述将所述雅可比矩阵与所述海塞矩阵作为偏导数信息输入至基于导数的优化算法中进行系统参数寻优，得到所述热管理系统的目标物理设计参数，包括：

24、以所述热管理系统的总质量建立目标函数，并以所述热管理系统的换热量平衡建立约束条件；

25、将所述热管理系统的冲压空气流量、燃油流量以及各换热器的热导映射为所述优化算法的决策变量；

26、采用序列最小二乘规划算法，在满足所述约束条件的前提下，利用所述雅可比矩阵与所述海塞矩阵对所述决策变量进行迭代更新，以使所述目标函数最小化，直至满足算法收敛条件，将收敛时的所述决策变量作为所述目标物理设计参数进行输出。

27、本发明还提供一种基于伴随网络的热管理系统优化装置，包括：

28、网络构建模块，用于构建热管理系统的物质流和能量流同构化网络模型，并从所述同构化网络模型中提取包含元件参数和网络变量的列表法矩阵方程；

29、雅可比矩阵提取模块，用于基于所述元件参数的特征构建一阶伴随网络，并根据所述列表法矩阵方程和所述一阶伴随网络提取所述网络变量对所述元件参数的雅可比矩阵；

30、海塞矩阵提取模块，用于基于所述一阶伴随网络构建二阶伴随网络，并根据所述二阶伴随网络提取所述网络变量对所述元件参数的海塞矩阵；

31、参数寻优模块，用于将所述雅可比矩阵与所述海塞矩阵作为偏导数信息输入至基于导数的优化算法中进行系统参数寻优，得到所述热管理系统的目标物理设计参数。

32、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述基于伴随网络的热管理系统优化方法。

33、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于伴随网络的热管理系统优化方法。

34、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于伴随网络的热管理系统优化方法。

35、本发明提供的基于伴随网络的热管理系统优化方法、装置、设备及介质，通过构建物质流和能量流同构化网络模型并提取列表法矩阵方程，为统一的数学求解奠定模型基础，进而可以基于元件参数特征依次构建一阶与二阶伴随网络，通过伴随网络与矩阵方程的解析结合，直接精准地提取网络变量对元件参数的一阶偏导数和二阶偏导数，即雅可比矩阵和海塞矩阵，这一处理机制将复杂的偏导数计算转化为网络拓扑内的代数运算，使得导数获取过程无需像传统有限差分法那样进行大量的变量微扰与反复的系统仿真。将这样获取的偏导数信息输入至基于导数的优化算法中进行参数寻优，使得整体导数计算成本大幅降低，且计算量与变量数目完全无关，从而克服了传统差分法面临的维度灾难与步长敏感导致精度下降的技术问题，进而提升了复杂热管理系统的优化计算速度与设计精度。