基于約束網(wǎng)絡(luò )的航天器通用任務(wù)規劃框架研究論文
航天器管理和控制(管控)是。高分辨率對地觀(guān)測系統。、。中國第二代衛星導航系統。和。載人航天與探月工程。等國家重大專(zhuān)項中的共性關(guān)鍵技術(shù)。隨著(zhù)上述三大專(zhuān)項的實(shí)施，航天器管控技術(shù)需要滿(mǎn)足新的要求：對不同類(lèi)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(wù)規劃作為航天器管控的。神經(jīng)中樞。，是指根據用戶(hù)任務(wù)需求，合理規劃航天器活動(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(wèn)題。航天器通用任務(wù)規劃問(wèn)題的解決逐步成為未來(lái)管控能力提升的瓶頸，而通用任務(wù)規劃的研究尚處于初級階段，缺乏深入的系統研究，特別是對基礎框架的研究。因此對航天器任務(wù)規劃框架開(kāi)展研究對未來(lái)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)值和現實(shí)意義。
論文以解決工程實(shí)際中的關(guān)鍵問(wèn)題為目的，立足于拓展新的理論和方法，系統地研究了航天器任務(wù)規劃問(wèn)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(wù)規劃的通用化描述。分析了三類(lèi)典型航天器的任務(wù)規劃問(wèn)題，通過(guò)抽取不同問(wèn)題中的共性概念，給出了航天器通用任務(wù)規劃問(wèn)題的基本假設和描述，闡述了任務(wù)規劃問(wèn)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，構建通用模型。當前約束網(wǎng)絡(luò )模型描述在規劃和調度兩個(gè)領(lǐng)域均得到廣泛應用，對于通用任務(wù)規劃問(wèn)題，同時(shí)具有規劃和調度理論特性，需要擴展約束網(wǎng)絡(luò )模型。為優(yōu)化安排用戶(hù)需求，需要加入目標函數，擴展為約束優(yōu)化模型;動(dòng)作的規劃要求約束優(yōu)化模型擴展支持邏輯約束對變量和約束的動(dòng)態(tài)調整，即動(dòng)態(tài)約束優(yōu)化模型。近年來(lái)，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)者將系統看作由屬性隨時(shí)間變化的時(shí)間線(xiàn)(實(shí)體或子系統)組成。時(shí)間線(xiàn)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(xiàn)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。借鑒國外將多種約束網(wǎng)絡(luò )結合的思想，以我國新型衛星任務(wù)規劃為背景，通過(guò)抽取規劃與調度中的共性問(wèn)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(xiàn)、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)作的規劃、時(shí)間的分配和資源的調度，構建通用的動(dòng)態(tài)約束優(yōu)化模型。
然后，論文分解并重組決策過(guò)程，構建融合迭代優(yōu)化與約束推理的求解框架。通用任務(wù)規劃過(guò)程中包含了多個(gè)優(yōu)化決策層次，求解時(shí)解空間規模大、各層次決策耦合關(guān)系復雜，采用一種算法進(jìn)行整體求解效率較低，且擴展性不強。新型衛星任務(wù)規劃問(wèn)題中除組合優(yōu)化決策外，還包括連續變量決策(開(kāi)始時(shí)間的選擇)、邏輯決策(動(dòng)作的規劃過(guò)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值域和邏輯處理能力。因此，論文分析決策過(guò)程，集成了約束推理與迭代(局部)優(yōu)化兩類(lèi)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(mǎn)意解，但依賴(lài)于具體的數據結構和參數設置。融合約束推理和迭代優(yōu)化方法是一種權衡，也是一種優(yōu)勢互補。
最后，論文開(kāi)展了集成求解框架的應用研究。開(kāi)發(fā)了空間規劃與調度引擎，通過(guò)引擎在三類(lèi)典型航天器六個(gè)不同場(chǎng)景中的應用部署，驗證了論文提出的任務(wù)規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(xué)技術(shù)有機融合，進(jìn)行了航天器領(lǐng)域的任務(wù)規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(shí)現充分考慮了實(shí)際工程約束和要求，解決了實(shí)際工程應用的難點(diǎn)問(wèn)題，提高了部署效率，降低了開(kāi)發(fā)成本，在我國重大專(zhuān)項工程和其他空間應用工程中具有較高的實(shí)際應用價(jià)值，在火星探測、深海探測、空間站管理等其他復雜系統的任務(wù)規劃問(wèn)題也有廣闊的應用前景。
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