基于約束網(wǎng)絡的航天器通用任務規(guī)劃框架的研究論文
航天器管理和控制(管控)是“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”、“中國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)”和“載人航天與探月工程”等國家重大專項中的共性關(guān)鍵技術(shù)。隨著上述三大專項的實施，航天器管控技術(shù)需要滿足新的要求:對不同類型航天器的通用性要求;對航天器多種管控模式的適應性要求;對航天器新能力的擴展性要求。任務規(guī)劃作為航天器管控的“神經(jīng)中樞”，是指根據(jù)用戶任務需求，合理規(guī)劃航天器活動，分配航天資源和時間，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問題。航天器通用任務規(guī)劃問題的解決逐步成為未來管控能力提升的瓶頸，而通用任務規(guī)劃的研究尚處于初級階段，缺乏深入的系統(tǒng)研究，特別是對基礎(chǔ)框架的研究。因此對航天器任務規(guī)劃框架開展研究對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'理論價值和現(xiàn)實意義。
論文以解決工程實際中的關(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規(guī)劃問題的通用化描述、通用約束模型以及相應的求解框架。
首先，論文提出了航天器領(lǐng)域任務規(guī)劃的通用化描述。
分析了三類典型航天器的任務規(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規(guī)劃問題的基本假設(shè)和描述，闡述了任務規(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)絡方法，構(gòu)建通用模型。
當前約束網(wǎng)絡模型描述在規(guī)劃和調(diào)度兩個領(lǐng)域均得到廣泛應用，對于通用任務規(guī)劃問題，同時具有規(guī)劃和調(diào)度理論特性，需要擴展約束網(wǎng)絡模型。為優(yōu)化安排用戶需求，需要加入目標函數(shù)，擴展為約束優(yōu)化模型;動作的規(guī)劃要求約束優(yōu)化模型擴展支持邏輯約束對變量和約束的動態(tài)調(diào)整，即動態(tài)約束優(yōu)化模型。近年來，多種約束網(wǎng)絡模型被提出。受控制理論的啟發(fā)，有學者將系統(tǒng)看作由屬性隨時間變化的時間線(實體或子系統(tǒng))組成。時間線的固有屬性受輸入狀態(tài)和動作的影響而隨時間演化。本質(zhì)上，時間線是一種特殊的約束網(wǎng)絡，描述屬性之間的邏輯關(guān)系。時間約束網(wǎng)絡和資源時間網(wǎng)絡相繼被提出，為時間和資源約束的推理奠定了基礎(chǔ)。借鑒國外將多種約束網(wǎng)絡結(jié)合的思想，以我國新型衛(wèi)星任務規(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、資源和約束等基本概念，論文將采用時間線、時間約束網(wǎng)絡、資源時間網(wǎng)絡等約束網(wǎng)絡方法分別描述動作的規(guī)劃、時間的分配和資源的調(diào)度，構(gòu)建通用的動態(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。
通用任務規(guī)劃過程中包含了多個優(yōu)化決策層次，求解時解空間規(guī)模大、各層次決策禍合關(guān)系復雜，采用一種算法進行整體求解效率較低，且擴展性不強。新型衛(wèi)星任務規(guī)劃問題中除組合優(yōu)化決策外，還包括連續(xù)變量決策(開始時間的選擇)、邏輯決策(動作的規(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:約束推理方法可以適應各種約束，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)勢互補。
最后，論文開展了集成求解框架的應用研究。
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不同場景中的應用部署，驗證了論文提出的任務規(guī)劃模型對不同航天器的通用性，及求解框架對不同管控模式的適應性。
論文提出的集成求解方法，將人工智能技術(shù)和運籌學技術(shù)有機融合，進行了航天器領(lǐng)域的任務規(guī)劃方法的通用化嘗試，具有一定的理論意義;論文方法的應用實現(xiàn)充分考慮了實際工程約束和要求，解決了實際工程應用的難點問題，提高了部署效率，降低了開發(fā)成本，在我國重大專項工程和其他空間應用工程中具有較高的實際應用價值，在火星探測、深海探測、空間站管理等其他復雜系統(tǒng)的任務規(guī)劃問題也有廣闊的應用前景。
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