基於約束網絡的航天器通用任務規劃框架研究論文

航天器管理和控制(管控)是。高分辨率對地觀測系統。、。中國第二代衞星導航系統。和。載人航天與探月工程。等國家重大專項中的共性關鍵技術。隨着上述三大專項的實施，航天器管控技術需要滿足新的要求：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。任務規劃作為航天器管控的。神經中樞。，是指根據用户任務需求，合理規劃航天器活動，分配航天資源和時間，以充分發揮航天器的能力，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，而通用任務規劃的研究尚處於初級階段，缺乏深入的系統研究，特別是對基礎框架的研究。因此對航天器任務規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實意義。

論文以解決工程實際中的關鍵問題為目的，立足於拓展新的理論和方法，系統地研究了航天器任務規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域任務規劃的通用化描述。分析了三類典型航天器的'任務規劃問題，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劃問題的基本假設和描述，闡述了任務規劃問題中各種資源與約束的相互交織關係。

其次，論文集成各種約束網絡方法，構建通用模型。當前約束網絡模型描述在規劃和調度兩個領域均得到廣泛應用，對於通用任務規劃問題，同時具有規劃和調度理論特性，需要擴展約束網絡模型。為優化安排用户需求，需要加入目標函數，擴展為約束優化模型;動作的規劃要求約束優化模型擴展支持邏輯約束對變量和約束的動態調整，即動態約束優化模型。近年來，多種約束網絡模型被提出。受控制理論的啟發，有學者將系統看作由屬性隨時間變化的時間線(實體或子系統)組成。時間線的固有屬性受輸入狀態和動作的影響而隨時間演化。本質上，時間線是一種特殊的約束網絡，描述屬性之間的邏輯關係。時間約束網絡和資源時間網絡相繼被提出，為時間和資源約束的推理奠定了基礎。借鑑國外將多種約束網絡結合的思想，以我國新型衞星任務規劃為背景，通過抽取規劃與調度中的共性問題和約束，定義任務、資源和約束等基本概念，論文將採用時間線、時間約束網絡、資源時間網絡等約束網絡方法分別描述動作的規劃、時間的分配和資源的調度，構建通用的動態約束優化模型。

然後，論文分解並重組決策過程，構建融合迭代優化與約束推理的求解框架。通用任務規劃過程中包含了多個優化決策層次，求解時解空間規模大、各層次決策耦合關係複雜，採用一種算法進行整體求解效率較低，且擴展性不強。新型衞星任務規劃問題中除組合優化決策外，還包括連續變量決策(開始時間的選擇)、邏輯決策(動作的規劃過程)等，單純採用組合優化方法是不夠的，需要藉助約束推理方法強大的連續值域和邏輯處理能力。因此，論文分析決策過程，集成了約束推理與迭代(局部)優化兩類優化方法。約束推理和迭代優化各具特點：約束推理方法可以適應各種約束，快速找到可行解，但優化能力較弱;迭代優化方法可以快速求得滿意解，但依賴於具體的數據結構和參數設置。融合約束推理和迭代優化方法是一種權衡，也是一種優勢互補。

最後，論文開展了集成求解框架的應用研究。開發了空間規劃與調度引擎，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，將人工智能技術和運籌學技術有機融合，進行了航天器領域的任務規劃方法的通用化嘗試，具有一定的理論意義;論文方法的應用實現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、空間站管理等其他複雜系統的任務規劃問題也有廣闊的應用前景。