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基于约束网络的航天器通用任务规划框架的分析

作者:2014-09-23 16:48文章来源:北京系统工程研究所

  航天器管理和控制(管控)是“高分辨率对地观测系统”、“中国第二代卫星导航系统”和“载人航天与探月工程”等国家重大专项中的共性关键技术。随着上述三大专项的实施,航天器管控技术需要满足新的要求:对不同类型航天器的通用性要求;对航天器多种管控模式的适应性要求;对航天器新能力的扩展性要求。任务规划作为航天器管控的“神经中枢”,是指根据用户任务需求,合理规划航天器活动,分配航天资源和时间,以充分发挥航天器的能力,这也是航天器管控中的主要科学问题。航天器通用任务规划问题的解决逐步成为未来管控能力提升的瓶颈,而通用任务规划的研究尚处于初级阶段,缺乏深入的系统研究,特别是对基础框架的研究。因此对航天器任务规划框架开展研究对未来不同航天器的新能力、新需求和新管控模式具有重要的理论价值和现实意义。

  论文以解决工程实际中的关键问题为目的,立足于拓展新的理论和方法,系统地研究了航天器任务规划问题的通用化描述、通用约束模型以及相应的求解框架。

  首先,论文提出了航天器领域任务规划的通用化描述。分析了三类典型航天器的任务规划问题,通过抽取不同问题中的共性概念,给出了航天器通用任务规划问题的基本假设和描述,阐述了任务规划问题中各种资源与约束的相互交织关系。

  其次,论文集成各种约束网络方法,构建通用模型。当前约束网络模型描述在规划和调度两个领域均得到广泛应用,对于通用任务规划问题,同时具有规划和调度理论特性,需要扩展约束网络模型。为优化安排用户需求,需要加入目标函数,扩展为约束优化模型;动作的规划要求约束优化模型扩展支持逻辑约束对变量和约束的动态调整,即动态约束优化模型。近年来,多种约束网络模型被提出。受控制理论的启发,有学者将系统看作由属性随时间变化的时间线(实体或子系统)组成。时间线的固有属性受输入状态和动作的影响而随时间演化。本质上,时间线是一种特殊的约束网络,描述属性之间的逻辑关系。时间约束网络和资源时间网络相继被提出,为时间和资源约束的推理奠定了基础。借鉴国外将多种约束网络结合的思想,以我国新型卫星任务规划为背景,通过抽取规划与调度中的共性问题和约束,定义任务、资源和约束等基本概念,论文将采用时间线、时间约束网络、资源时间网络等约束网络方法分别描述动作的规划、时间的分配和资源的调度,构建通用的动态约束优化模型。

  然后,论文分解并重组决策过程,构建融合迭代优化与约束推理的求解框架。通用任务规划过程中包含了多个优化决策层次,求解时解空间规模大、各层次决策耦合关系复杂,采用一种算法进行整体求解效率较低,且扩展性不强。新型卫星任务规划问题中除组合优化决策外,还包括连续变量决策(开始时间的选择)、逻辑决策(动作的规划过程)等,单纯采用组合优化方法是不够的,需要借助约束推理方法强大的连续值域和逻辑处理能力。因此,论文分析决策过程,集成了约束推理与迭代(局部)优化两类优化方法。约束推理和迭代优化各具特点:约束推理方法可以适应各种约束,快速找到可行解,但优化能力较弱;迭代优化方法可以快速求得满意解,但依赖于具体的数据结构和参数设置。融合约束推理和迭代优化方法是一种权衡,也是一种优势互补。

  最后,论文开展了集成求解框架的应用研究。开发了空间规划与调度引擎,通过引擎在三类典型航天器六个不同场景中的应用部署,验证了论文提出的任务规划模型对不同航天器的通用性,及求解框架对不同管控模式的适应性。

  论文提出的集成求解方法,将人工智能技术和运筹学技术有机融合,进行了航天器领域的任务规划方法的通用化尝试,具有一定的理论意义;论文方法的应用实现充分考虑了实际工程约束和要求,解决了实际工程应用的难点问题,提高了部署效率,降低了开发成本,在我国重大专项工程和其他空间应用工程中具有较高的实际应用价值,在火星探测、深海探测、空间站管理等其他复杂系统的任务规划问题也有广阔的应用前景。

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