劉桂枝，張秀程

（1.大同大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西 大同037009；2.中國科學(xué)院 空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京100094）

0 引 言

分布式交互仿真技術(shù)是在美軍軍事需求的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，大致經(jīng)歷了4個階段，分別是SIMNET（simulation network）、DIS（distributed interactive simulation）、ALSP（aggregated level simulation protocol）和 HLA（high level architecture）［1］。美軍當(dāng)前仿真研究的主要標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范就是HLA，其軍事領(lǐng)域大型仿真系統(tǒng)都支持HLA。HLA也是航天領(lǐng)域仿真的主要技術(shù)平臺，從仿真的實際需求來看，航天領(lǐng)域仿真已開始由單星、單性能向多衛(wèi)星、多功能、多目標(biāo)的協(xié)同仿真轉(zhuǎn)變，由局部仿真向分布式大型綜合性仿真轉(zhuǎn)變［2］。

衛(wèi)星是航天任務(wù)系統(tǒng)主要組成部分，主要用于對地觀測、氣象預(yù)報、衛(wèi)星通信、科學(xué)探測等任務(wù)。以衛(wèi)星為代表的航天器是在國家軍事經(jīng)濟中的作用越來越重要?，F(xiàn)在衛(wèi)星技術(shù)不僅對國民經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要，而且對于國家安全也是不可或缺的，其應(yīng)用范圍越來越廣泛［3］?，F(xiàn)在針對衛(wèi)星的仿真研究較多，但多是針對局部技術(shù)的仿真［4－6］。

航天信息系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，信息獲取平臺和傳感器不僅種類繁多，特性各異，且空間分布隨時間變化；被探測的對象也千變?nèi)f化，空間上和時間上都在變化；衛(wèi)星探測的過程還受到自然條件和人為干擾的限制，而且空間任務(wù)往往具有并發(fā)特性［7］。針對紛繁眾多的資源和目標(biāo)，在有條件限制的狀況下，針對多個任務(wù)需求，要快速的做出決策，光靠人力是做不到的，必須依靠系統(tǒng)規(guī)劃的最優(yōu)化技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)［8］。

多任務(wù)規(guī)劃與協(xié)同控制技術(shù)就是在上述背景下提出的，即利用現(xiàn)有或?qū)⒕邆涞母黝愋l(wèi)星、地面系統(tǒng)充分考慮各類約束條件（如衛(wèi)星數(shù)量、傳感器約束、氣象、通信等），研究如何對多個應(yīng)用任務(wù)進行多平臺、多傳感器的智能協(xié)同規(guī)劃，并實現(xiàn)對各類相關(guān)資源的科學(xué)管理［9］。多任務(wù)指借助于各種衛(wèi)星進行多個探測任務(wù)，既包括周期較長的戰(zhàn)略性任務(wù)，也包括諸如聚焦、變軌等的具體任務(wù)。多任務(wù)規(guī)劃是一個集任務(wù)分析和分解、指令下達、信息獲取、數(shù)據(jù)下傳于一體的智能規(guī)劃系統(tǒng)［9］。

在當(dāng)前的技術(shù)條件下，對大范圍內(nèi)的目標(biāo)進行快速探測和搜索，只有借助于衛(wèi)星。然而，盲目的搜索不僅發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的效率低，甚至還可能給決策者提供了錯誤的信息，因而有必要對使用衛(wèi)星等搜索運動目標(biāo)進行研究，力求給出使用衛(wèi)星搜索的最優(yōu)或較優(yōu)策略［10］。

本文提出了MIP/CP混合模型的任務(wù)規(guī)劃算法，基于啟發(fā)式算法進行了優(yōu)化。以此技術(shù)為基礎(chǔ)，針對海洋移動目標(biāo)進行空間搜索的過程為例設(shè)計了一個多任務(wù)規(guī)劃仿真系統(tǒng)。航天任務(wù)仿真往往都是針對某一任務(wù)環(huán)節(jié)進行仿真，本文以任務(wù)規(guī)劃算法為基礎(chǔ)，對衛(wèi)星對地觀測任務(wù)的全流程進行仿真，驗證MIP/CP模型的有效性。

1 動目標(biāo)運動軌跡預(yù)測方法

考慮兩個運動中最基本的因素，方向θ與運行速度υ。設(shè)θ服從f分布，υ服從g分布，并且認(rèn)為θ與υ是獨立的，因此（θ，υ）的聯(lián)合密度為f＊g。還假設(shè)在一定時間范圍內(nèi)θ和υ是不變的，Ω是艦隊可能出現(xiàn)的區(qū)域，則Ω上艦隊可能出現(xiàn)的概率直接由（θ，υ）與時間t決定，即（θ，υt）～f＊（g＊t）。

利用計算機仿真可以把動目標(biāo)運動范圍以概率的形式表示，據(jù)此可以統(tǒng)計出可能行分布，這樣問題就變成一個有概率權(quán)值的區(qū)域分布問題。由于計算機仿真依據(jù)時間t輸出結(jié)果，使得結(jié)果具有了時間屬性，可以進行某個時間區(qū)域的運動預(yù)測分析。考慮到人機接口輸入的概率分布函數(shù)的復(fù)雜性，以及f，g函數(shù)精確計算所需要花費的代價，統(tǒng)一采用多項式插值逼近分布函數(shù)。通過f和g的分布，構(gòu)造函數(shù)隨機產(chǎn)生出來的點落在Ω區(qū)域內(nèi)。對于連續(xù)的隨機變量，有很多辦法可以模擬，常用的有兩種，一種是反變換算法，一種是接受拒絕法。對于某些復(fù)雜的函數(shù)采用后一種算法，即接受拒絕法［10］。

通過把動目標(biāo)搜索問題轉(zhuǎn)化為區(qū)域覆蓋問題，并基于此來針對單顆和多顆衛(wèi)星設(shè)計搜索策略。除了在海洋陸地二維曲面上采用此模型計算運動范圍外，對于空、天等三維空間運動范圍，也可以推廣得到。在三維空間里，在地球慣性坐標(biāo)系下描述物體運動的球極坐標(biāo)采用（α，β，γ），分別表示物體方位角、俯仰角、運動速度。使用2維處理的方法，直接統(tǒng)計數(shù)據(jù)點，雖然也可以解決問題，但是由于維數(shù)的增加，帶來搜索范圍的擴大，需要產(chǎn)生足夠多的信息點，來覆蓋物體運動范圍，這增加了模擬的運算量以及統(tǒng)計所需要的時間，概率密度直方圖也無法在三維空間內(nèi)描述。某些對于高度變化不大的物體，可以把三維信息轉(zhuǎn)化為二維信息，從而套用前面的方法解決問題［10］。

2 多任務(wù)智能規(guī)劃技術(shù)

MIP模型能同時顧及各種約束條件，且對于簡單約束在多項式時間內(nèi)求解迅速，缺點在于對含有復(fù)雜約束的問題處理效率低；CP模型由于其采用約束傳播和搜索方法進行約束推理，因而非常適合具有復(fù)雜關(guān)系的一類問題，如組合問題、離散問題等，不足在于求解最大、最小等問題等優(yōu)化問題時，常常效率不高，即規(guī)劃推理更適合快速找到一個可行解，而非最優(yōu)解?；旌?MIP－CP模型則是在充分考慮兩種模型的優(yōu)缺點后建立的，即混合模型去掉不必要的冗余約束，并在兩者間建立聯(lián)系，同時還要針對混合模型給出合適的算法，達到快速求解問題的目的。混合MIP/CP模型，借助于人工智能中的智能規(guī)劃技術(shù)，設(shè)計啟發(fā)式求解算法，從而極大地提高模型求解效率。表1、2、3分別是采用MIP模型、CP模型、混合MIP/CP模型求解相同問題時的計算效率，由此對比看出，采用混合MIP/CP模型的效率更高［10］。

表1 MIP模型的計算結(jié)果

表2 CP模型的計算結(jié)果

將上述結(jié)果進行對比，比較圖見圖1。從圖1中可以看出，混合MIP/CP模型的求解效率比起單獨的兩種模型有顯著提高，尤其在問題規(guī)模較大時速度的提高更為明顯。

表3 混合MIP/CP模型的計算結(jié)果

圖1 3種模型求解效率比較曲線

3 系統(tǒng)需求

航天多任務(wù)智能規(guī)劃是一個多維度的資源優(yōu)化配置問題，為了獲得最優(yōu)或者次優(yōu)解，首先需要認(rèn)真分析影響任務(wù)規(guī)劃的約束條件。其中規(guī)劃模式、可用的規(guī)劃資源、規(guī)劃目標(biāo)構(gòu)成了影響規(guī)劃的直接約束；而光照、氣象等條件可認(rèn)為是間接約束。航天信息系統(tǒng)多任務(wù)規(guī)劃，就是通過對各類可用資源按照一定的準(zhǔn)則進行優(yōu)化配置，以滿足執(zhí)行任務(wù)的要求。而資源的所謂 “優(yōu)化配置”，是與指定的任務(wù)性質(zhì)和規(guī)模密切相關(guān)的。因此，分析航天信息系統(tǒng)可能的任務(wù)和其未來的工作模式，對于航天信息系統(tǒng)的多任務(wù)規(guī)劃，是至關(guān)重要的［11］。

在規(guī)劃模式中，重點考慮的是觀測時間范圍的要求以及優(yōu)先級（重要程度）的要求。常見的模式有常規(guī)模式、應(yīng)急模式、聚焦模式、規(guī)劃資源［11］。

規(guī)劃資源是規(guī)劃系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)的一類數(shù)據(jù)信息，對于待規(guī)劃資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可按其更新變化頻度及在規(guī)劃不同階段的作用，分為屬性參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、規(guī)劃參數(shù)3類?？臻g信息多任務(wù)規(guī)劃原型系統(tǒng)只考慮3類目標(biāo)，地面點目標(biāo)、地面區(qū)域目標(biāo)、海洋移動目標(biāo)［11］。

4 系統(tǒng)設(shè)計

航天信息多任務(wù)規(guī)劃仿真系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)，即多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)。當(dāng)空間信息仿真計劃制定完畢以后由任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)負責(zé)規(guī)劃調(diào)度，然后仿真子系統(tǒng)依照規(guī)劃結(jié)果進行仿真。

系統(tǒng)邏輯關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 航天信息多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1 多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)

多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是空間信息多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的主體。多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是建立在大量的數(shù)據(jù)資源以及多種類型搜索、規(guī)劃算法的基礎(chǔ)之上的。它負責(zé)根據(jù)用戶制定的觀測任務(wù)，首先對任務(wù)進行分析分解，對于不確定的任務(wù)利用搜索算法確定具體目標(biāo)，再對任務(wù)分解得到元任務(wù)（任務(wù)片斷）進行規(guī)劃，最終形成完整的規(guī)劃方案。

4.2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)模型為驅(qū)動的，系統(tǒng)按照任務(wù)以及時效性等要求的不同選擇合適的模型算法以及數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)對各類觀測的規(guī)劃。因此多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的核心是模型算法和對這些模型算法的調(diào)用管理，以及模型在系統(tǒng)中的存在和使用方式，可將多任務(wù)系統(tǒng)劃分為4個層次，從底層到高層分別為：數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和擴展層，如圖3所示。

圖3 空間信息多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)功能模塊

4.3 仿真系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)是對空間信息資源的模擬，為多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)提供一個逼真的規(guī)劃執(zhí)行環(huán)境。仿真系統(tǒng)主要有兩個作用：一方面，它為多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中各種模型、算法設(shè)計的是否合理，提供了一個測試驗證手段；另一方面，它也為未來航天信息系統(tǒng)，各類平臺、傳感器、地面站的部署提供了一個仿真和評估平臺。多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)的邏輯劃分應(yīng)遵循以下原則：一個是多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)的接口應(yīng)與真實系統(tǒng)的接口保持一致；另一個是仿真系統(tǒng)與多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)相互獨立，減少之間耦合［12］。

4.3.1 仿真系統(tǒng)成員劃分

根據(jù)系統(tǒng)的功能及航天探測實際業(yè)務(wù)進行劃分，仿真系統(tǒng)可劃分為管理控制聯(lián)邦成員、衛(wèi)星聯(lián)邦成員、地面戰(zhàn)聯(lián)邦成員，目標(biāo)聯(lián)邦成員，環(huán)境約束聯(lián)邦成員，可視化聯(lián)邦成員以及智能規(guī)劃聯(lián)邦成員。智能規(guī)劃聯(lián)邦成員通過規(guī)劃子系統(tǒng)負責(zé)對仿真任務(wù)進行分解以及數(shù)據(jù)規(guī)劃預(yù)處理，當(dāng)任務(wù)下達后通過任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)進行規(guī)劃；管理控制聯(lián)邦成員是仿真系統(tǒng)的管理控制核心，其他成員接收該成員發(fā)布的命令。

4.3.2 聯(lián)邦FOM 設(shè)計

對于HLA仿真，F(xiàn)OM的設(shè)計至關(guān)重要。FOM就是對物理系統(tǒng)的用面向?qū)ο蟮乃枷脒M行的抽象建模，F(xiàn)OM反映了仿真系統(tǒng)的物理屬性，也是成員之間進行數(shù)據(jù)交換橋梁和紐帶［12］。FOM設(shè)計遵循DMSO的對象模型模板（object model template，OMT）設(shè)計規(guī)范，是仿真系統(tǒng)創(chuàng)建聯(lián)邦執(zhí)行時的基本配置文件。參加仿真聯(lián)邦的對象類和交互類以及它們的屬性和參數(shù)信息都定義在FOM中。各個仿真成員間的數(shù)據(jù)交互交換是通過HLA/RTI提供的 “公布與訂購”服務(wù)實現(xiàn)［13］。公布數(shù)據(jù)的仿真成員負責(zé)更新仿真數(shù)據(jù)，由RTI負責(zé)通知訂購該數(shù)據(jù)的仿真成員進行反射接收［14］。仿真系統(tǒng)中衛(wèi)星，地面站，目標(biāo)等成員作為仿真聯(lián)邦的主要實體，雖然不一定對實體的所有屬性建模，但必須要對仿真關(guān)心的屬性進行建模［15］。交互類用來記錄聯(lián)邦/仿真中的交互類及其父類、子類關(guān)系，成員之間的所有的交互都是由仿真實體發(fā)出的本仿真系統(tǒng)共設(shè)計了8個對象類，分別是 HLAManager，StarObjClass，StarObjClass，SimuObjClass， SensorObjClass， StationObjClass， TgtObjClass，SatePlatClass，TDRSSObjClass，TDRSTObjClass；設(shè)計了8個交互類，分別是 HLAManager，TgtInterClass，SimuInterClass， TdrInterClass，StarInterClass， SatePlatInterClass，SenInterClass，StationInterClass。

4.3.3 仿真聯(lián)邦成員設(shè)計

仿真聯(lián)邦的成員是在邏輯上協(xié)同的仿真組件，成員可以在其他仿真成員不存在或者失效的情況下獨立完成本身的仿真任務(wù)，但是不能在其他成員不存在的情況下完成全面的仿真任務(wù)。換言之，也就是各個成員需要進行數(shù)據(jù)交互，協(xié)同工作才能完成預(yù)定的任務(wù)。

管控成員是仿真系統(tǒng)的控制核心，執(zhí)行聯(lián)邦創(chuàng)建、聯(lián)邦銷毀、聲明注冊同步點、控制聯(lián)邦進程等。管控成員可以集成地面任務(wù)中心的功能，進行信息交換轉(zhuǎn)發(fā)；采集用戶需求和測控數(shù)據(jù)，根據(jù)任務(wù)需要，生成有效載荷的工作計劃，生成控制指令或者數(shù)據(jù)注入，上行給航天器。

衛(wèi)星成員主要是公布衛(wèi)星當(dāng)前的位置以及速度，以及和地面戰(zhàn)、中繼星進行數(shù)據(jù)通信，顯示衛(wèi)星的各個運行參數(shù)，執(zhí)行管控成員的各種指令。衛(wèi)星成員雖然功能相對簡單，但是具有擴展性，可以根據(jù)任務(wù)需要加入多個的衛(wèi)星完成不同的仿真任務(wù)。

地面站成員完成與衛(wèi)星成員間的通訊并實現(xiàn)對空測量雷達的功能。地面站分為固定站和移動站，移動站在地理位置上不是固定的，比如我國的遠洋航天測量船，所以地面站聯(lián)邦成員必須更新位置信息給其他成員。正如現(xiàn)實中的地面站一樣，地面站聯(lián)邦成員也有自己的測控范圍、地面站天線的方位和俯仰角的變化等星地可見關(guān)系計算。地面站是地面管理中心和衛(wèi)星的通信紐帶，通過數(shù)據(jù)交互，完成對航天器的信息收集與對航天器的數(shù)據(jù)、指令上行等通訊工作。

視景顯示聯(lián)邦成員訂購其他成員需要顯示的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)以三維的形式進行渲染、顯示，供用戶進行觀察和分析，它是對仿真過程數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進行可視化渲染。

目標(biāo)成員模擬在海洋中移動的目標(biāo)，公布自身的位置信息，并對衛(wèi)星的覆蓋進行計算，公布自身的被衛(wèi)星覆蓋的信息。目標(biāo)成員在后期版本準(zhǔn)備加入點目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)，完成深入的仿真任務(wù)。

4.4 仿真系統(tǒng)流程

系統(tǒng)首先由管控成員進行仿真信息配置，規(guī)劃子系統(tǒng)讀取資源數(shù)據(jù)庫以及任務(wù)配置信息，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，進行任務(wù)分解和規(guī)劃。規(guī)劃子系統(tǒng)的基本流程：當(dāng)觀測任務(wù)到達之后首先對任務(wù)進行分析分解處理，然后對不確定的目標(biāo)根據(jù)先驗信息進行搜索，根據(jù)目標(biāo)出現(xiàn)概率，選擇概率較高的區(qū)域作為觀測目標(biāo)。任務(wù)目標(biāo)確定之后，就可以對當(dāng)前可用資源進行規(guī)劃處理，對于臨近空間的規(guī)劃結(jié)果，還需要進行航跡規(guī)劃處理。對多任務(wù)規(guī)劃處理過程的控制由任務(wù)規(guī)劃調(diào)度部件通過消息方式進行。規(guī)劃的結(jié)果轉(zhuǎn)化為通過管控成員的發(fā)布的指令。繼而創(chuàng)建聯(lián)邦執(zhí)行，初始化各個聯(lián)邦成員，發(fā)送命令開始仿真。

各個成員根據(jù)收到的指令執(zhí)行相應(yīng)動作進行數(shù)據(jù)交互，如衛(wèi)星成員根據(jù)收到的指令，進行變軌或調(diào)姿，并執(zhí)行設(shè)備相關(guān)動作，例如設(shè)備開機或者關(guān)機，數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。地面?zhàn)成員也是根據(jù)指令進行天線的跟蹤、開機、關(guān)機、通信等。

如果衛(wèi)星搜索到目標(biāo)，則把目標(biāo)信息傳給管控成員，執(zhí)行下一步指令動作，否則返回給規(guī)劃子系統(tǒng)，進行任務(wù)規(guī)劃調(diào)整，重新生成指令，交給控制成員，控制成員重新把指令發(fā)布給各個成員執(zhí)行。

5 仿真數(shù)據(jù)分析

對規(guī)劃模型和算法進行了仿真測試，得到了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果和結(jié)論，計算采用的模型和算法為混合 MIP－CP模型與啟發(fā)式求解算法［11］。

表4 仿真測試用例問題規(guī)模

對每一個測試問題，為仿真平臺配置了相應(yīng)的可用資源，規(guī)劃周期分別取1天、7天、48天，進行規(guī)劃計算，每組測試數(shù)據(jù)運行20次，統(tǒng)計其平均用時和平均誤差，得到如下統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

由圖4、5、6可以看出：

（1）隨著問題規(guī)模的加大，規(guī)劃用時也相應(yīng)增大，但比起以往的模型和算法（如MIP模型、CP模型等），無論從增加的絕對值還是相對比例上，新模型和算法都要小許多，即新模型和算法對較大規(guī)模的規(guī)劃問題更為適合。

（2）隨著規(guī)劃周期的變長，規(guī)劃用時顯著增大，其實質(zhì)也是由于問題規(guī)模的增大而引起的：規(guī)劃周期越長，可選擇的觀測、通信弧段也越多，即增大了搜索空間范圍。從表5中還看出，為了在可接受時間范圍內(nèi)得到問題的可行解（未必是最優(yōu)解），我們犧牲了解的精度，即允許規(guī)劃計算返回可行解而非最優(yōu)解。如在規(guī)劃周期為48天情況下，得到的基本都是近似最優(yōu)解。

表5 規(guī)劃求解平均用時統(tǒng)計

6 結(jié)束語

討論了動目標(biāo)搜索的一般理論，衛(wèi)星對動目標(biāo)的搜索技術(shù)，以及多星多任務(wù)規(guī)劃的混合MIP/CP模型，并給出了針對該模型的算法以及仿真結(jié)果，所有結(jié)果來源于研究小組開發(fā)的空間信息多任務(wù)智能規(guī)劃仿真系統(tǒng)。

圖6 規(guī)劃周期48天的規(guī)劃平均用時比較

通過以上研究，得到了一些初步結(jié)論：航天信息多任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，涉及到的資源、目標(biāo)眾多，多任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的研究內(nèi)容廣而難，涉及到人工智能、計算機仿真、運籌學(xué)、搜索論，圖形學(xué)等多個方面，尤其是動目標(biāo)搜索理論和對抗形式下的任務(wù)規(guī)劃，可借鑒和學(xué)習(xí)的理論成果還很少。文中的主要算法及模型經(jīng)過測試首先驗證了其正確性，同時經(jīng)測試顯示具有較高的效率，滿足有關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求，為今后的深入的研究奠定了理論依據(jù)。

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