CN104217109A - 敏捷卫星混合主动调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及敏捷卫星对地观测技术领域，尤其一种涉及敏捷卫星混合主动调度的方法,包括步骤:S1：生成初始柔性调度方案：交替进行启发式搜索和约束传播直到所有的任务处理完成，其中利用启发式搜索解决资源分配问题，利用约束传播缩减活动开始时间值域；S2：调度方案混合主动调整：在调整任务观测开始时间、调整活动持续时间以及调整活动观测姿态时，利用约束联动的最小扰动更新方法进行调度器底层处理；利用***任务的启发式搜索方法进行任务观测时间窗口的调整以及未安排任务的***。本发明操作简便、灵活度高、易于实现且能够在多颗敏捷卫星调度的复杂背景下应用的敏捷卫星混合主动调度。

Description

敏捷卫星混合主动调度方法

技术领域

本发明主要涉及敏捷卫星对地观测技术领域，尤其一种涉及敏捷卫星混合主动调度的方法。

背景技术

具有三维观测自由度的敏捷卫星是我国新一代对地观测卫星的重要发展方向。敏捷卫星的出现大大增加了卫星对给定地面目标实施观测的可选方式和灵活度，导致敏捷卫星对地观测调度问题的高度组合特征突出，问题的复杂性很大。敏捷卫星调度问题是一个过度约束的问题，观测需求很多，而敏捷卫星资源相对稀缺。

传统的卫星调度方案主要是通过调度员手工制作的，未来不断增加的观测需求以及敏捷卫星观测方式的灵活多样使得手工调度的工作量和难度大大增加，手工调度已经不能满足未来敏捷卫星调度的应用需求。虽然借助于计算机的自动化调度可以进行快速的消解冲突，减轻调度工作量，但它难以融合领域知识及偏好信息等一系列不可建模的因素，计算机自动化生成的调度方案通常无法满足个性化要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种操作简便、灵活度高、易于实现且能够在多颗敏捷卫星调度的复杂背景下应用的敏捷卫星混合主动调度方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种敏捷卫星混合主动

调度方法，包括以下步骤：

S1：生成初始柔性调度方案：交替进行启发式搜索和约束传播直到所有的任务处理完成，其中利用启发式搜索解决资源分配问题，利用约束传播缩减活动开始时间值域；

S2：调度方案混合主动调整：在调整任务观测开始时间、调整活动持续时间以及调整活动观测姿态时，利用约束联动的最小扰动更新方法进行调度器底层处理；利用***任务的启发式搜索方法进行任务观测时间窗口的调整以及未安排任务的***。     优选地，S1中采用基于任务需求度的启发式规则从待处理任务队列中选任务：在任务选择时采用基于任务需求度的启发式规则，该启发式规则依赖于任务需求度，其中任务                                                的需求度定义为：

                          

其中为任务的优先级，优先级放在分子处说明任务优先级越高，任务需求度越大；和分别表示任务在卫星上的第个时间窗口的开始和结束时间，是任务被观测时需要的持续时间；

S1中采用基于资源争用度的启发式规则为任务选择可见时间窗口：定义为有可能会在时间窗口内出现的任务的集合，把任务占用卫星的第个可见时间窗口的资源争用度定义为： 。

优选地，S2中约束联动的最小扰动更新方法包括：在某个活动发生移动后，首先把所有受影响活动的当前开始时间按由近及远的顺序存放在一个临时的时间队列中，其中由近及远是指离被移动活动近的活动先存，离得远的后存；然后移除所有受影响活动的当前时间位置约束并重新进行约束传播，更新所有受影响的活动的开始时间值域；最后按中各元素的先后顺序确定每个受影响活动的新的开始时间；

S2中动态***活动的启发式搜索方法包括：当选定了在某个时间窗口中***活动时，首先从当前柔性调度方案中找出可能会在此时间窗口范围内出现的活动，并将这些活动加入到活动队列中；然后按照变量排序启发式选择一对活动作为决策对象，采用值排序启发式确定活动对的活动之间的序关系，删除中与***活动序关系已经确定的其他活动；如果为空，则停止搜索，否则继续确定***活动与中剩下活动的序关系。

与现有技术相比，本发明的有点在于：

1.生成初始柔性调度方案的启发式构造方法速度快、效率高、操作简便且灵活度高：

柔性调度方案是调度器实现其“主动性”的关键，柔性调度方案可以根据活动的时间柔性，在调整的过程中给每个活动框定一个可行的调整范围，消除调整的盲目性。在借鉴问题领域知识的基础上，提出了任务需求度和时间窗口争用度启发式，分别用于对任务选择和时间窗口选择的决策；然后通过启发式搜索与约束传播相结合的方式生成柔性调度方案，该方法在时间效率、解的质量上均优于贪婪方法，且可以得到一个平均柔性水平较高的初始调度方案，符合初始柔性调度方案生成的要求。

2.调度方案混合主动调整的求解速度快、效率高、操作简便且灵活度高：

在调度方案的混合主动调整阶段，当新的含有偏好信息的“约束”输入到***以后，调度器要“主动”地调整底层的柔性调度方案以满足新增约束。方案的各种调整需求对调度器处理方法的要求可以归结为两种：活动在窗口内的移动和任务的***，本发明分别对这两种情况提出了约束联动的最小扰动更新方法和***任务的启发式搜索方法。约束联动的最小扰动更新方法从柔性调度方案中确定出一个与原来的调度方案差异最小的新的调度方案，该方法用于支持调整活动开始时间、调整活动持续时间和调整活动侧摆角度；在***任务的搜索过程中加入了空余时间启发式，以保证柔性调度方案的柔性维持在一个较高的水平，该方法用于支持调整活动的观测时间窗口和未安排任务的***。通过与贪婪规则的算例结果对比后发现，启发式构造方法以其微弱的时效性劣势换取了解的质量的大幅提高，从启发式构造方法本身的角度看，对于200个任务以下的规模，方法能够在2s以内得到一个优化的柔性调度方案；即便是规模为300个任务的算例，也能够在2.5s内得到优化的柔性解，求解的时间效率很高。

附图说明

图1是本发明敏捷卫星混合主动调度方法的流程图；

图2是本发明中初始柔性调度方案生成的启发式构造方法的流程图；

图3是本发明中柔性调度方案生成的启发式构造方法的伪代码；

图4是本发明中任务选择示例的示意图；

图5是本发明中判断是否可以在给定窗口内***任务的方法伪代码；

图6是本发明中约束联动的最小扰动更新方法伪代码；

图7是本发明中约束联动的最小扰动更新方法示例的示意图；

图8是本发明中动态***活动的启发式搜索方法的流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

图1至图8示出了本发明敏捷卫星混合主动调度方法的一种实施例，该实施例中敏捷卫星混合主动调度方法主要包括两个阶段：初始柔性调度方案生成阶段和混合主动调整阶段，生成初始柔性调度方案在前，混合主动调整在后。如图2所示，初始柔性调度方案生成的启发式构造方法流程主要包括以下三个步骤：选择观测任务、选择时间窗口以及约束传播更新活动开始时间值域。调度方案混合主动调整涉及六个方面的调整需求，其中在调整任务观测开始时间、调整活动持续时间以及调整活动观测姿态时，在调度器底层处理时用到了约束联动的最小扰动更新方法；调整任务观测时间窗口以及未安排任务的***用到了***任务的启发式搜索方法。

本发明方法的详细原理为：

1.1 采用基于任务需求度的启发式规则选择下一个待处理的任务：在启发式构造方法中，每个待安排的任务作为需要赋值的变量，任务的调度结果作为变量的最终取值，此时对待安排任务排序的过程实质上是一个变量排序的过程。在对下一个要调度的任务的选取做决策时，可以优先考虑剩余观测时间窗口最少的任务，这样虽然没有实现对搜索空间的消减，但是却可以引导搜索过程指向解的质量更好的搜索子空间，从而可以完成更多的任务。

针对多敏捷卫星调度问题的特点，提出了任务选择的基于任务需求度的启发式规则。一般的贪婪方法仅考虑任务的优先级，仅仅按照任务的优先级来选取下一个要调度的任务，对于优先级相差不大，可用时间窗口的数目和长度却相差很多的两个任务来说有失公允。如图4所示，有两个任务：任务A和任务B；两个任务的优先级相等。任务A有三个可用的时间窗口，而任务B只有一个，而且B的时间窗口还和A的第一个时间窗口有重叠。如果在任务选择时，先选择了A，而且不假思索的把它安排在第一个时间窗口。那么，任务B将没有可能被观测。相反，如果先选择了任务B，A即使没有了第一个时间窗口，它还有第二个和第三个，这样，被安排任务的数量就增加了一个。把任务的需求度定义为：

其中为任务的优先级，优先级放在分子处说明任务优先级越高，任务需求度越大；和分别表示任务在卫星上的第个时间窗口的开始和结束时间，是任务被观测时需要的持续时间，由于敏捷卫星具有可见时间窗口很长的属性，所以必定会有。任务需求度函数的分子说明了，时间窗口的数量越多，需求度越小；同时，在时间窗口一定的情况下，时间窗口的长度越长，需求度也越小。敏捷卫星的长时间窗口属性的确为其创造了更多的观测机会，该需求度函数的定义把时间窗口的长度考虑进来充分考虑了敏捷卫星的这一显著的特点。

从任务需求度的定义可知，所有任务的需求度是在调度方案构造之前，调度准备数据输入以后即可计算得到。基于任务需求堵的启发式规则就是首先把所有的任务按照其任务需求度从高到低进行排序。然后在后续的调度方案的构造过程中，每次都从排序好的任务队列中选择第一个任务进行调度，这样任务需求度高的任务就能够得到优先调度。这种调度任务的策略可以将优先级高且剩余观测机会少的任务优先调度，是变量排序启发式中最小剩余值启发式思想的体现，可以提高构造可行解的效率。

1.2 基于资源争用度的启发式规则为任务选时间窗口：由于在启发式搜索方法中，为任务选择执行的时间窗口类似于为变量选择一个值。因此对任务的时间窗口排序的过程实质上是一个变量值排序的过程。在带有回溯的完全搜索方法中，变量值排序启发式的基本原理是，如果要给一个选定的变量选择一个值，则应选择最有可能成功的值。这样可以减少回退，因为如果在搜索的过程中一旦碰到死节点就必须产生回退。在变量值排序策略中，若存在解的可能性较大的分支并被优先搜索，则可以更有效地发现第一个解。这样虽然没有减少搜索空间，但却可以提高构造可行解的效率。

在敏捷卫星调度问题中，一旦选定了下一个要调度的任务，下一步就是在该任务的一组可用时间窗口里面选择一个时间窗口。卫星的时间窗口实际上也是一种资源，它属于一种互斥的独占资源，即如果在任一时刻有其他任务占用了该时间窗口，则其他任务将不能再次占用。基于时间资源的独占特征，提出了一个时间窗口争用度指标，用以评价多个待调度任务对某个时间窗口的争用程度，以此为标准来选择时间窗口。

定义为有可能会在时间窗口内出现的任务的集合，把任务占用卫星的第个可见时间窗口的资源争用度定义为：

 

从资源争用度的定义可以看出，时间窗口的资源争用度与任务的需求度密切相关，某个时间窗口的资源争用度就是对所有有可能在这个时间窗口的范围内可能出现的任务的任务需求度求和。采用此资源争用度的定义反映了不仅需要知道某个任务需要争用此时间窗口，而且还需要知道该任务有多大的可能性会占用此时间窗口。

需要注意的是，未调度任务的时间窗口必须与当前窗口由同一个卫星执行时才有窗口争用的概念，所以在计算不能把虽然在此时间窗口内出现，时间窗口不属于同一颗卫星的任务也算上。因为不同卫星的同一时间段并不存在争用，即同一时刻不同卫星可以无冲突地完成不同任务。同时应该动态计算得到的，如果某个任务已经安排观测了，虽然它有一个时间窗口与重叠，但是该任务在安排时没有安排在与重叠的那个时间窗口上，那么同样不能包含该任务。

如果某个时间窗口的争用度高，则表明该时间窗口被较多的任务争用。基于资源争用度的启发式规则就是尽量把任务安排在争用度比较低的时间窗口之内。在给定一个任务以后，首先计算其所有时间窗口的资源争用度，并按资源争用度从低到高的顺序对时间窗口集合进行排序。然后每次从时间窗口队列中选择第一个时间窗口尝试***任务。其中需要注意的是，时间窗口的资源争用度低并不意味着该时间窗口就一定能够成功的***任务，因为资源争用度只是一个预测，是否能***还要看任务的成像活动在***后是否满足所有约束。基于资源争用度的启发是规则有利于更多地安排任务，也有利于更快地生成可行解，还有利于避免出现不同卫星之间任务负荷不均衡的情况。

1.3 柔性调度方案的生成：如图3所示，柔性调度方案生成的启发式构造方法伪码，柔性调度方案就是每次将活动***到卫星的活动序列中去时，不确定活动的开始时间，而是为每颗卫星维护一个带有柔性时间的成像活动序列，每个活动都有一个最早和最晚的开始时间，即活动的开始时间有一个值域。按照任务排列的顺序，调度器尝试把活动一个一个地***到卫星的成像活动序列中。对于每颗卫星而言，卫星活动序列中的每个活动的最早和最晚开始时间是满足其所在的可见时间窗口约束的，同时也是满足与该活动相邻的前后两个活动之间的最小姿态转换时间约束的。在处理某个具体的任务时，首先对与该任务的所有可见时间窗口按照资源争用度启发是规则进行排序，然后按顺序在每个时间窗口上尝试***任务的成像活动。对于某个具体的可见时间窗口，遍历卫星的活动队列，并找到第一个可在其后***该活动的活动。考虑该活动与***活动的姿态转换时间以及***活动和紧随其后的活动之间的姿态转换时间，通过考虑两个相邻的活动的所有约束并对时间进行局部推理就可以确定活动是否可以***进来。如果在前后两个活动的开始时间的值域中有足够的空余可以让该活动***到它们之间，就把该活动***进来并向前传播改变该活动之前的活动的最早开始时间，以及向后传播改变之后活动的最晚开始时间。如果没有足够的时间空余，则移动到下一个活动并考虑在其后***该成像活动，直到遍历到该任务的最后一个可见时间窗口。如果对于某个卫星来说，没有找到一个可***的时间窗口，则移动到下一颗卫星。如果所有卫星都尝试过了，仍然没有找到合适的位置***该活动，则该任务不可安排。当把任务排列中的任务全部处理完了，就得到了一个所有活动开始时间不定的柔性调度方案。

2.1 约束联动的最小扰动更新方法：如图6的方法伪码所示，在某个活动发生移动后，方法首先把所有受影响活动的当前开始时间按由近及远的顺序存放在一个临时的时间队列中，这里的由近及远的意思是离被移动活动近的活动先存，离得远的后存；然后移除所有受影响活动的当前时间位置约束并重新进行约束传播，更新所有受影响的活动的开始时间值域；然后按中各元素的先后顺序确定每个受影响活动的新的开始时间。实际上，每一次给活动确定一个新的开始时间可以看作是给每个活动新增了一个时间位置约束，为了保持该新增约束的一致性，就必须要进行约束传播。

在敏捷卫星调度问题中，当某个活动发生移动后，受扰动最小的方案是确定的。也就采用不同的方法得到的最小扰动的方案是同一个方案，因此不存在解的优劣的比较。而且方法时间复杂度是线性的，即时间消耗也很小。

以图7所示的例子进行说明：在移动前成像活动1的开始时间为5，其值域为；活动2的开始时间为25，其值域为；两个活动之间的姿态转换时间为12，在后续的调整中，假设这个姿态转换时间不变。现在活动1被移动到开始时间为9的位置，如果，活动2仍然停留在原来的位置，那么两个活动之间不满足姿态转换时间约束。根据最小扰动更新方法，需要对活动2进行约束传播，将其开始时间值域更新为。于是需要决定成像活动2移动到什么位置，事实上，成像活动2的开始时间被移动到中的任意一个时间点都是可行的。但是根据最小扰动更新方法的处理规则，此时活动2的开始时间应该设定为其更新后的开始时间值域的下界，即开始时间为29。

只考虑受影响的活动是由敏捷卫星调度这个问题的特点决定的，卫星与地面目标不是随时可见的，卫星只有在飞过地面目标上空的某些特定的时间段内对目标可见，因此任务的成像活动必须限定在这些可见时间窗口范围内。不同时间窗口在时间轴上的分布是离散的，有些时间窗口之间可能会出现重叠，而还有一些时间窗口则是孤立的。

除了孤立的时间窗口外，还有一种情况会导致约束传播的终止，那就是锁定活动。***提供了一种机制允许用户把某个活动锁定在其当前的位置上，也即是，用户不希望该活动在后续的调整中受其他活动的影响再次发生变化。这可以通过增加新的约束来实现。界面上可以显示那些活动被锁定了，被锁定的活动还可以解锁。活动移动后方法需要对约束网络进行重新传播。一般来说，如果每次移动都对整个STN进行重新传播是很耗时的，也做了很多“无用功”。只考虑受影响的活动能够实现增量式的约束传播，这种方法在时间效率上会有较大提高。

2.2 动态***活动的启发式搜索方法：如图8所示，动态***活动的启发式搜索方法流程为，当选定了在某个时间窗口中***活动时，首先从当前柔性调度方案中找出可能会在此时间窗口范围内出现的活动，并将这些活动加入到活动队列中。然后按照变量排序启发式选择一对活动作为决策对象，然后采用值排序启发式确定活动对的活动之间的序关系。删除中与***活动序关系已经确定的其他活动；如果为空，则停止搜索，否则继续确定***活动与中剩下活动的序关系。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括哪些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种敏捷卫星混合主动调度方法，其特征在于:包括以下步骤：

S1：生成初始柔性调度方案：交替进行启发式搜索和约束传播直到所有的任务处理完成，其中利用启发式搜索解决资源分配问题，利用约束传播缩减活动开始时间值域；

S2：调度方案混合主动调整：在调整任务观测开始时间、调整活动持续时间以及调整活动观测姿态时，利用约束联动的最小扰动更新方法进行调度器底层处理；利用***任务的启发式搜索方法进行任务观测时间窗口的调整以及未安排任务的***。

2.根据权利要求1所述的敏捷卫星混合主动调度方法，其特征在于: S1中采用基于任务需求度的启发规则从待处理任务队列中选任务：在任务选择时采用基于任务需求度的启发式规则，该启发式规则依赖于任务需求度，其中任务                                               的需求度定义为：

                          

其中为任务的优先级，优先级放在分子处说明任务优先级越高，任务需求度越大；和分别表示任务在卫星上的第个时间窗口的开始和结束时间，是任务被观测时需要的持续时间；

S1中采用基于资源争用度的启发式规则为任务选择可见时间窗口：定义为有可能会在时间窗口内出现的任务的集合，把任务占用卫星的第个可见时间窗口的资源争用度定义为： 。

3. 根据权利要求1或2所述的敏捷卫星混合主动调度方法，其特征在于:

S2中约束联动的最小扰动更新方法包括：在某个活动发生移动后，首先把所有受影响活动的当前开始时间按由近及远的顺序存放在一个临时的时间队列中，其中由近及远是指离被移动活动近的活动先存，离得远的后存；然后移除所有受影响活动的当前时间位置约束并重新进行约束传播，更新所有受影响的活动的开始时间值域；最后按中各元素的先后顺序确定每个受影响活动的新的开始时间；

S2中动态***活动的启发式搜索方法包括：当选定了在某个时间窗口中***活动时，首先从当前柔性调度方案中找出可能会在此时间窗口范围内出现的活动，并将这些活动加入到活动队列中；然后按照变量排序启发式选择一对活动作为决策对象，采用值排序启发式确定活动对的活动之间的序关系，删除中与***活动序关系已经确定的其他活动；如果为空，则停止搜索，否则继续确定***活动与中剩下活动的序关系。