CN111950869B - 改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法，包括：构造航天测控网调度问题的初始解；根据测控网调度问题的解生成每个已调度任务的冗余可用时间窗口集；运用任务提取规则，获取冲突时间窗口和需要重新分配的已调度任务；将冲突时间窗口分配给未调度任务；对需要重新分配的已调度任务重新选择可用时间窗口；迭代更新已调度任务集、未调度任务集和已调度任务的冗余可用窗口集，直至未调度任务集不再发生变化，得到改进解。本发明还公开了相应的迭代求解的***。本发明能快速生成航天测控网调度问题的改进解，明显改进初始解质量，并且受初始解构造过程中应用的启发式策略的影响较小，计算过程快速有效、对实际工程任务的适用性好。

Description

改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法及***
技术领域
本发明属于航天测控资源调度领域，具体涉及一种改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法及***。
背景技术
随着世界上各航天大国对空间领域的高度重视，在轨卫星的日益增加造成测控资源的高度紧张，航天测控网调度问题研究成为航天工业领域研究热点之一。航天测控网调度是航天测控网管理的核心任务，主要负责协调测控设备与在轨卫星或即将发射卫星之间的通信分配。航天测控网调度问题是指在测控资源有限的情况下，如何为测控任务分配合理的测控资源和时间窗口，以最大化地满足所有测控需求。
在实际的航天测控网调度方案的形成过程中，一般是利用某种或多种构造启发式策略来快速生成满足所有约束的初始调度解。然而在初始调度解的生成过程中，由于过度依赖一些启发式策略，使得初始解的质量不够令人满意。目前已经有一些局部搜索算法或迭代修复规则在初始调度解的基础上来对调度方案进行改进。但这些方法通常是以一定的计算代价来获得高质量的调度解，没有很好地平衡计算代价和调度解的求解质量两者之间的矛盾，并且求解过程复杂，不适合实际工程的需求，因此需要新的探索。
发明内容
本发明的技术问题是现有的利用启发式策略的航天测控网问题的求解方法，求解的调度方案过度依赖一些启发式策略，使得初始解的质量不够令人满意，而现有的航天测控网问题的初始解进行改进的局部搜索算法或迭代修复方法，通常是以一定的计算代价来获得高质量的调度解，没有很好地平衡计算代价和调度解的求解质量两者之间的矛盾，并且求解过程复杂，不适合实际工程的需求。
本发明的目的是解决上述问题，提供一种改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法及***，在构造航天测控网调度问题初始解的基础上，运用启发式任务提取规则，获取冲突时间窗口和需要重新分配的已调度任务，运用启发式任务***规则，对挑选出的已调度任务进行重新分配，对初始调度方案进行迭代改进，能兼顾计算效率和调度解的质量，得到航天测控网调度问题的改进解。
本发明的技术方案是改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法，包括以下步骤，步骤1：构造航天测控网调度问题的初始解；
步骤2：根据测控网调度问题的解生成每个已调度任务的冗余可用时间窗口集；
步骤3：运用任务提取规则，获取冲突时间窗口和需要重新分配的已调度任务；
步骤4：将冲突时间窗口分配给优先级最高的未调度任务；
步骤5：运用任务***规则，对需要重新分配的已调度任务重新选择可用时间窗口；
步骤6：迭代更新已调度任务集、未调度任务集和已调度任务的冗余可用窗口集，直至未调度任务集不再发生变化，得到航天测控网调度问题的改进解，若未调度任务集有变化，则执行步骤2。
进一步地，步骤1包括：根据已知的任务场景和航天任务测控需求，生成可见时间窗口预报流和未调度任务集；根据任务的优先级选择测控任务，生成该任务对应的可见时间窗口集；利用可见时间窗口选择策略选择确定该测控任务的可见时间窗口；验证所选测控任务的可见时间窗口是否满足升/降轨需求和任务之间时间间隔要求，并更新同一资源的其他测控任务的可用时间窗口集和未调度任务集，直至所有测控任务均调度完毕，得到航天测控网调度问题的初始解。
优选地，所述可见时间窗口选择策略为可见窗口开始时间最早最先分配规则、可见窗口冲突最少最先分配规则、可见窗口灵活度最小最先分配规则和可见窗口价值最大最先分配规则其中之一。
进一步地，步骤2包括以下子步骤，
步骤201：根据测控网调度问题的解，得到已调度任务集、未调度任务集和已调度任务的可见时间窗口集；
步骤202：从未调度任务集中选取优先级最高的未调度任务，并确定该任务对应的所有满足升/降轨需求和任务之间时间间隔要求的冲突时间窗口；
步骤203：生成每个冲突时间窗口对应的已调度任务集；
步骤204：生成每个已调度任务的冗余可用窗口集。
进一步地，步骤3中，所述任务提取规则，包括优化准则：1)选择具有最少已调度任务集的冲突窗口；2)选择具有最多冗余可用窗口数目的已调度任务。
进一步地，步骤3中，待调度任务u的满足升/降轨约束和时间间隔约束的冲突时间窗口集为Conflictsu，Conflictsu的第i个冲突时间窗口记为与Conflictsu对应的已调度任务集合为Scheduledus，与/>冲突的已调度任务集合记为/> 中第j个已调度任务记为/> 与Scheduledu对应的所有冗余可用时间窗口集为Redundantsu，与对应的冗余可用时间窗口集记为/>与/>对应的所有冗余可用时间窗口集记为/> 集合/>中元素的个数记为/>集合/>中元素的个数记为/>
步骤3包括以下子步骤，步骤301：去掉所有对应的冲突时间窗口，并更新Conflictsu，Scheduledsu和Redundantsu；步骤302：选择元素数量最小的集合/>对应的冲突时间窗口；
步骤303：选择元素数量最大的冗余可用时间窗口集对应的已调度任务和相应的冲突窗口。
优选地，步骤5中，所述任务***规则，当任务的冗余可用时间窗口数量为1时，无需进行选择，直接进行重新分配即可；当任务的冗余可用时间窗口数目大于1时，采用可见窗口冲突最少最先分配规则选择冲突最少的可用时间窗口。
上述的改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法的***，包括处理器和存储器，存储器上存储有改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解程序，处理器执行改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解程序时，实现迭代求解方法的步骤1-6。
本发明的改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法，面向我国航天测控网的调度需求，根据启发式任务选择策略和启发式可见窗口选择策略构造航天测控网调度问题初始解，在此基础上，充分利用初始解生成后存在许多可替换初始调度任务的可用时间窗口的特点，运用启发式任务提取规则，获取冲突时间窗口和需要重新分配的已调度任务，运用启发式任务***规则，对挑选出的已调度任务进行重新分配，能对初始调度方案进行迭代改进，并且改进解的质量受初始解构造时所用到的启发式策略的影响较小。本发明的方法与现有的局部搜索算法或迭代修复规则对初始解的改进效果相比，获得的改进调度解的质量较高并且计算速度很快，能在较短的时间内以较小的计算代价对航天测控网调度问题初始解质量进行改进，兼顾高计算效率和调度解的改进质量，具有求解方法正确合理、计算过程快速有效、对实际工程任务的适用性好等优点。本发明的迭代求解的***，可快速获取航天测控网调度问题初始解的改进解，改进解的质量相比初始解有大幅度提升，特别是针对采用可用窗口开始时间最早最先分配策略构造的初始解，改进解的质量的提升作用非常显著。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法的流程示意图。
图2为实施例一的构造航天测控网调度问题初始解的流程示意图。
图3为实施例一的任务提取的流程示意图。
图4为实施例一的任务重新分配的流程示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法，包括以下步骤，
步骤1：基于启发式任务选择策略和启发式可见时间窗口选择策略构造调度问题初始解；
已知任务场景和航天任务测控需求，生成可见时间窗口预报流和未调度任务集。然后基于优先级的启发式任务选择策略选择相应的测控任务，并生成该任务对应的可见时间窗口集。进一步地，利用启发式可见时间窗口选择策略来确定该测控任务的可见时间窗口。最终，验证所选测控任务的可见时间窗口是否满足升/降轨需求和任务之间时间间隔要求，并更新同一资源的其他测控任务可用时间窗口集和未调度任务集，直至所有的测控任务均调度完毕为止，从而生成航天测控网调度问题的初始解，其计算流程如图2所示。
启发式可见窗口选择策略为可见时间窗口开始时间最早最先分配规则、可见时间窗口冲突最少最先分配规则、可见时间窗口灵活度最小最先分配规则和可见时间窗口价值最大最先分配规则其中之一。
步骤2：基于初始解信息生成每个已调度任务对应的冗余可用时间窗口集；
基于初始解信息得到已调度任务集、未调度任务集和已调度任务的可见时间窗口集。然后从未调度任务集中选取优先级最高的未调度任务，并确定该任务对应的所有满足升/降轨需求和任务之间时间间隔要求的冲突时间窗口。进一步地，生成每个冲突时间窗口对应的已调度任务集。最终，生成每个已调度任务对应的冗余可用时间窗口集。
步骤3：应用启发式任务提取规则，获取需要重新分配的已调度任务和冲突时间窗口，如图3所示；已知待调度任务u的满足升/降轨约束和时间间隔约束的冲突时间窗口集为Conflictsu，Conflictsu的第i个冲突时间窗口记为与Conflictsu对应的已调度任务集合为/>与/>冲突的已调度任务集合记为Ti u，Ti u中第j个已调度任务记为/> 与Scheduledu对应的所有冗余可用时间窗口集为Redundantsu，与/>对应的冗余可用时间窗口集记为/>与Ti u对应的所有冗余可用时间窗口集记为/> 集合Ti u中元素的个数记为/>集合/>中元素的个数记为/>步骤301，去掉所有/>的冲突时间窗口，并更新Conflictsu，Scheduledsu和Redundantsu；步骤302，选择所有具有集合/>中元素个数最小的冲突时间窗口；
步骤303，最终选择所有具有集合中元素个数最大的已调度任务和相应的冲突时间窗口；步骤4：将获取的冲突窗口分配给优先级最高的未调度任务；
步骤5：应用启发式任务***规则，完成已调度任务的重新分配，如图4所示；
已知与冲突的已调度任务集合/>以及与/>对应的所有冗余可用时间窗口集当集合/>中的冗余可用窗口数目为1时，无需进行选择，直接进行重新分配即可；当冗余可用窗口数目大于1时，可用窗口的选择需要采用以下准则：选择具有最多剩余的冗余可用窗口数量的可用窗口，目的是使***后的任务具有尽可能多的冗余可用窗口数目，为以后修复提供更多重新分配的机会。
步骤6：迭代更新已调度任务集合，未调度任务集合和已调度任务的冗余可用时间窗口集，直至未调度任务集不再发生变化为止，从而得到航天测控网调度问题的改进解。
实施例的航天任务测控需求如表1所示。
表1卫星测控任务需求列表
实施例的任务场景如表2所示。
表2小规模场景配置参数表
由于初始解的求解质量与任务优先级的设置密切相关，实施例中的小规模场景以需求优先级的不同生成200个算例，每个算例生成1－10之间的随机数，表示所包含测控需求的优先级，采用平均测控需求满足度来进行衡量调度解的求解质量。
实施例的计算结果如表3所示。
表3小规模场景下的迭代求解的改进解质量对比表
从实施例一的计算结果中可以看出，本发明的方法明显可以对小规模场景下的初始解的质量进行有效地改进，并且几乎不受初始解的不同构造策略的影响，适用于实际工程任务。
实施例二
本实施例的迭代求解方法的步骤与实施例一的迭代求解方法的步骤相同。本实施例的卫星测控任务需求与实施例一相同，如表1所示。本实施例的任务场景与实施例一不同，如表4所示。
表4中规模场景配置参数表
实施例的计算结果如表5所示。
表5中规模场景下的迭代求解的改进解质量对比表
从实施例二的计算结果中可以看出，本发明方法明显可以对中规模场景下的初始解的质量进行有效地改进，并且几乎不受初始解的不同构造策略的影响，适用于实际工程任务。
实施例三
本实施例的迭代求解方法的步骤与实施例一的迭代求解方法的步骤相同。本实施例的卫星测控任务需求与实施例一相同，如表1所示。本实施例的任务场景与实施例一不同，如表6所示。
表6大规模场景配置参数表
实施例的计算结果如表7所示。
表7大规模场景下的迭代求解的改进解质量对比表
实施例三的计算结果中可以看出，本发明方法可以明显对大规模场景下的初始解的质量进行有效地改进，并且几乎不受初始解的不同构造策略的影响，适用于实际工程任务。
实施例四
改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法的***，包括处理器和存储器，存储器上存储有改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解程序，处理器执行改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解程序，实现实施例一的迭代求解方法的步骤1-6。
实施结果表明，本实施例的迭代求解的***，可快速获取航天测控网调度问题初始解的改进解，改进解的质量相比初始解有大幅度提升，特别是针对采用可用窗口开始时间最早最先分配策略构造的初始解，改进解的质量的提升作用非常显著。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，均应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：构造航天测控网调度问题的初始解；
步骤2：根据测控网调度问题的解生成每个已调度任务的冗余可用时间窗口集；
步骤2包括以下子步骤：
步骤201：根据测控网调度问题的解，得到已调度任务集、未调度任务集和已调度任务的可见时间窗口集；
步骤202：从未调度任务集中选取优先级最高的未调度任务，并确定该任务对应的所有满足升/降轨需求和任务之间时间间隔要求的冲突时间窗口；
步骤203：生成每个冲突时间窗口对应的已调度任务集；
步骤204：生成每个已调度任务的冗余可用窗口集；
步骤3：运用任务提取规则，获取冲突时间窗口和需要重新分配的已调度任务；
步骤4：将获取的冲突时间窗口分配给优先级最高的未调度任务；
步骤5：对需要重新分配的已调度任务重新选择可用时间窗口；
步骤6：迭代更新已调度任务集、未调度任务集和已调度任务的冗余可用窗口集，直至未调度任务集不再发生变化，得到航天测控网调度问题的改进解，若未调度任务集有变化，则执行步骤2。
2.根据权利要求1所述的改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法，其特征在于，步骤1包括：
根据已知的任务场景和航天任务测控需求，生成可见时间窗口预报流和未调度任务集；
根据任务的优先级选择测控任务，生成该任务对应的可见时间窗口集；
利用可见时间窗口选择策略选择确定该测控任务的可见时间窗口；
验证所选测控任务的可见时间窗口是否满足升/降轨需求和任务之间时间间隔要求，并更新同一资源的其他测控任务的可用时间窗口集和未调度任务集，直至所有测控任务均调度完毕，得到航天测控网调度问题的初始解。
3.根据权利要求1所述的改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法，其特征在于，所述可见时间窗口选择策略为可见窗口开始时间最早最先分配规则、可见窗口冲突最少最先分配规则、可见窗口灵活度最小最先分配规则和可见窗口价值最大最先分配规则其中之一。
4.根据权利要求1所述的改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法，其特征在于，步骤3中，所述任务提取规则，包括优化准则：选择具有最少已调度任务集的冲突窗口；选择具有最多冗余可用窗口数目的已调度任务。
5.根据权利要求1所述的改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法，其特征在于，步骤3中，待调度任务u的满足升/降轨约束和时间间隔约束的冲突时间窗口集为Conflictsu，Conflictsu的第i个冲突时间窗口记为与Conflictsu对应的已调度任务集合为Scheduledsu，与/>冲突的已调度任务集合记为Tiu，Tiu中第j个已调度任务记为/> 与Scheduledu对应的所有冗余可用时间窗口集为Redundantsu，与/>对应的冗余可用时间窗口集记为/>与Tiu对应的所有冗余可用时间窗口集记为/> 集合Tiu中元素的个数记为/>集合/>中元素的个数记为/>步骤3包括以下子步骤，
步骤301：去掉所有对应的冲突时间窗口，并更新Conflictsu，Scheduledsu和Redundantsu；步骤302：选择元素数量最小的集合Tiu对应的冲突时间窗口；
步骤303：选择元素数量最大的冗余可用时间窗口集对应的已调度任务和相应的冲突窗口。
6.采用权利要求1-5任意一项所述的改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解方法的***，包括处理器和存储器，存储器上存储有改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解程序，处理器执行改进航天测控网调度问题初始解的迭代求解程序，实现迭代求解方法的步骤1-5。
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