基于約束網(wǎng)絡(luò)的航天器通用任務(wù)規(guī)劃框架的研究論文
航天器管理和控制(管控)是“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)”、“中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”和“載人航天與探月工程”等國(guó)家重大專項(xiàng)中的共性關(guān)鍵技術(shù)。隨著上述三大專項(xiàng)的實(shí)施，航天器管控技術(shù)需要滿足新的要求:對(duì)不同類型航天器的通用性要求;對(duì)航天器多種管控模式的適應(yīng)性要求;對(duì)航天器新能力的擴(kuò)展性要求。任務(wù)規(guī)劃作為航天器管控的“神經(jīng)中樞”，是指根據(jù)用戶任務(wù)需求，合理規(guī)劃航天器活動(dòng)，分配航天資源和時(shí)間，以充分發(fā)揮航天器的能力，這也是航天器管控中的主要科學(xué)問題。航天器通用任務(wù)規(guī)劃問題的解決逐步成為未來管控能力提升的瓶頸，而通用任務(wù)規(guī)劃的研究尚處于初級(jí)階段，缺乏深入的系統(tǒng)研究，特別是對(duì)基礎(chǔ)框架的研究。因此對(duì)航天器任務(wù)規(guī)劃框架開展研究對(duì)未來不同航天器的新能力、新需求和新管控模式具有重要的'理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
論文以解決工程實(shí)際中的關(guān)鍵問題為目的，立足于拓展新的理論和方法，系統(tǒng)地研究了航天器任務(wù)規(guī)劃問題的通用化描述、通用約束模型以及相應(yīng)的求解框架。
首先，論文提出了航天器領(lǐng)域任務(wù)規(guī)劃的通用化描述。
分析了三類典型航天器的任務(wù)規(guī)劃問題，通過抽取不同問題中的共性概念，給出了航天器通用任務(wù)規(guī)劃問題的基本假設(shè)和描述，闡述了任務(wù)規(guī)劃問題中各種資源與約束的相互交織關(guān)系。
其次，論文集成各種約束網(wǎng)絡(luò)方法，構(gòu)建通用模型。
當(dāng)前約束網(wǎng)絡(luò)模型描述在規(guī)劃和調(diào)度兩個(gè)領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，對(duì)于通用任務(wù)規(guī)劃問題，同時(shí)具有規(guī)劃和調(diào)度理論特性，需要擴(kuò)展約束網(wǎng)絡(luò)模型。為優(yōu)化安排用戶需求，需要加入目標(biāo)函數(shù)，擴(kuò)展為約束優(yōu)化模型;動(dòng)作的規(guī)劃要求約束優(yōu)化模型擴(kuò)展支持邏輯約束對(duì)變量和約束的動(dòng)態(tài)調(diào)整，即動(dòng)態(tài)約束優(yōu)化模型。近年來，多種約束網(wǎng)絡(luò)模型被提出。受控制理論的啟發(fā)，有學(xué)者將系統(tǒng)看作由屬性隨時(shí)間變化的時(shí)間線(實(shí)體或子系統(tǒng))組成。時(shí)間線的固有屬性受輸入狀態(tài)和動(dòng)作的影響而隨時(shí)間演化。本質(zhì)上，時(shí)間線是一種特殊的約束網(wǎng)絡(luò)，描述屬性之間的邏輯關(guān)系。時(shí)間約束網(wǎng)絡(luò)和資源時(shí)間網(wǎng)絡(luò)相繼被提出，為時(shí)間和資源約束的推理奠定了基礎(chǔ)。借鑒國(guó)外將多種約束網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的思想，以我國(guó)新型衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃為背景，通過抽取規(guī)劃與調(diào)度中的共性問題和約束，定義任務(wù)、資源和約束等基本概念，論文將采用時(shí)間線、時(shí)間約束網(wǎng)絡(luò)、資源時(shí)間網(wǎng)絡(luò)等約束網(wǎng)絡(luò)方法分別描述動(dòng)作的規(guī)劃、時(shí)間的分配和資源的調(diào)度，構(gòu)建通用的動(dòng)態(tài)約束優(yōu)化模型。
然后，論文分解并重組決策過程，構(gòu)建融合迭代優(yōu)化與約束推理的求解框架。
通用任務(wù)規(guī)劃過程中包含了多個(gè)優(yōu)化決策層次，求解時(shí)解空間規(guī)模大、各層次決策禍合關(guān)系復(fù)雜，采用一種算法進(jìn)行整體求解效率較低，且擴(kuò)展性不強(qiáng)。新型衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題中除組合優(yōu)化決策外，還包括連續(xù)變量決策(開始時(shí)間的選擇)、邏輯決策(動(dòng)作的規(guī)劃過程)等，單純采用組合優(yōu)化方法是不夠的，需要借助約束推理方法強(qiáng)大的連續(xù)值域和邏輯處理能力。因此，論文分析決策過程，集成了約束推理與迭代(局部)優(yōu)化兩類優(yōu)化方法。約束推理和迭代優(yōu)化各具特點(diǎn):約束推理方法可以適應(yīng)各種約束，快速找到可行解，但優(yōu)化能力較弱;迭代優(yōu)化方法可以快速求得滿意解，但依賴于具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置。融合約束推理和迭代優(yōu)化方法是一種權(quán)衡，也是一種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
最后，論文開展了集成求解框架的應(yīng)用研究。
開發(fā)了空間規(guī)劃與調(diào)度引擎，通過引擎在三類典型航天器六個(gè)不同場(chǎng)景中的應(yīng)用部署，驗(yàn)證了論文提出的任務(wù)規(guī)劃模型對(duì)不同航天器的通用性，及求解框架對(duì)不同管控模式的適應(yīng)性。
論文提出的集成求解方法，將人工智能技術(shù)和運(yùn)籌學(xué)技術(shù)有機(jī)融合，進(jìn)行了航天器領(lǐng)域的任務(wù)規(guī)劃方法的通用化嘗試，具有一定的理論意義;論文方法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)充分考慮了實(shí)際工程約束和要求，解決了實(shí)際工程應(yīng)用的難點(diǎn)問題，提高了部署效率，降低了開發(fā)成本，在我國(guó)重大專項(xiàng)工程和其他空間應(yīng)用工程中具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在火星探測(cè)、深海探測(cè)、空間站管理等其他復(fù)雜系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃問題也有廣闊的應(yīng)用前景。
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