面向卫星任务调度问题的通用化调度引擎研究

　　针对我国航天资源“一星一系统”的管控现状、常规管控与应急响应的需求矛盾以及西方国家的技术封锁，结合相关模型、算法与通用求解技术的研究与发展现状，本书开展了航天资源通用化调度引擎研究，主要内容包括： 第一章开展了文献综述。 第二章设计了航天资源调度引擎顶层框架。 第三章提出了航天资源调度通用化建模方法。 第四章提出了面向航天资源常规调度的自适应并行模因演化算法。 第五章设计了面向航天资源应急调度的分布式动态滚动优化算法。 第六章完成了航天资源引擎实践应用。 第七章总结了全文。 主要特色和创新点： 1. 设计了一种“模型－常规算法－应急算法”解耦的航天资源调度建模与求解新框架。 2. 提出了一种“决策－约束－收益”解耦的航天资源调度通用化、精细化建模新方法。 3. 提出了一种“并行－竞争－演化”策略协同、自适应的航天资源常规调度新算法。 4. 探索了一种“协商－滚动－插入”机制融合、动态响应的航天资源应急调度新算法。 读者对象： 从事航天资源调度、任务规划相关研究与应用工作的企业、高校与科研院所的研究人员。

　　杜永浩，国防科技大学博士研究生，主要研究方向为智能优化、资源调度及任务规划等，相关成果应用于我国卫星运控、测控部门。在IEEE TEVC、自动化学报等发表论文10余篇；曾获全军军事建模竞赛一等奖、全国研究生数模竞赛二等奖、湖南省优秀硕士学位论文；获湖南省研究生创新项目和国防科技大学“学术创新之星”项目资助。

第1章  绪论 1
1.1  研究背景及意义 1
1.1.1  研究背景 1
1.1.2  研究目的与意义 3
1.2  卫星任务调度模型研究现状 4
1.2.1  遥感卫星任务调度模型 5
1.2.2  中继通信卫星任务调度模型 10
1.2.3  导航卫星任务调度模型 11
1.2.4  卫星测控任务调度模型 13
1.3  卫星任务调度算法研究现状 17
1.3.1  启发式算法 18
1.3.2  精确求解算法 19
1.3.3  元启发式算法 20
1.4  卫星任务调度通用求解技术发展现状 27
1.4.1  数学规划求解器CPLEX 27
1.4.2  通用卫星调度软件STK/Scheduler 28
1.4.3  卫星任务规划软件Europa 2 31
1.4.4  “高景一号”任务调度分系统 32
1.5  本书主要工作 34
1.5.1  研究内容与组织结构 34
1.5.2  技术路线 36
1.5.3  创新点 36
第2章  卫星任务调度引擎顶层设计 39
2.1  卫星任务调度问题界定 39
2.1.1  任务界定 39
2.1.2  资源界定 44
2.1.3  问题特征 45
2.2  卫星任务调度引擎功能定位 47
2.2.1  基本定义 47
2.2.2  功能需求 48
2.3  卫星任务调度引擎框架设计 50
2.3.1  设计思路 50
2.3.2  引擎框架 51
2.3.3  优势分析 53
2.4  本章小结 54
第3章  卫星任务调度通用化建模方法 55
3.1  卫星任务调度通用化建模流程 55
3.1.1  需求分析 55
3.1.2  流程设计 57
3.2  卫星任务调度问题精细化描述 59
3.2.1  四元组 59
3.2.2  任务集 60
3.2.3  资源集 62
3.2.4  评分集 67
3.3  卫星任务调度通用0-1混合整数决策模型 70
3.3.1  决策变量与决策矩阵 70
3.3.2  优势分析 74
3.4  卫星任务调度约束模型与约束网络 75
3.4.1  约束分析与分类 75
3.4.2  约束模板与示例 77
3.4.3  约束网络与约束值计算 84
3.4.4  优势分析 86
3.5  卫星任务调度收益模型 87
3.5.1  遥感卫星任务调度收益函数 87
3.5.2  中继通信卫星任务调度收益函数 89
3.5.3  导航卫星任务调度收益函数 89
3.5.4  卫星测控任务调度收益函数 91
3.6  本章小结 92
第4章  面向卫星常规任务调度的通用化求解方法 93
4.1  自适应并行模因演化的通用算法框架 93
4.1.1  需求分析 93
4.1.2  算法框架 95
4.1.3  优势分析 97
4.2  基于启发式的快速初始解构造策略 98
4.2.1  通用流程 99
4.2.2  启发式算法 100
4.2.3  时间复杂度 101
4.3  基于并行搜索的通用局部优化策略 102
4.3.1  通用流程 102
4.3.2  算法池 103
4.3.3  算子池 109
4.3.4  增量式约束计算算法 111
4.4  基于竞争的算法算子自适应选择策略 112
4.4.1  通用流程 112
4.4.2  当前最优解集 114
4.4.3  竞争与使用概率更新 114
4.4.4  淘汰机制 115
4.5  基于种群演化的全局优化策略 116
4.5.1  通用流程 116
4.5.2  交叉算子 118
4.5.3  修复算子 119
4.6  算法在benchmark问题中的性能检验 119
4.6.1  定向问题 120
4.6.2  带时间窗口的定向问题 121
4.6.3  时间依赖的带时间窗口的定向问题 122
4.6.4  简化版遥感卫星常规任务调度问题 123
4.7  本章小结 124
第5章  面向卫星应急任务调度的通用化求解方法 126
5.1  分布式动态滚动的通用算法框架 126
5.1.1  需求分析 126
5.1.2  算法框架 128
5.1.3  优势分析 130
5.2  基于动态合同网的任务协商与分配策略 131
5.2.1  通用流程 131
5.2.2  标书制定 133
5.2.3  评标算法 135
5.3  基于滚动时域的单平台任务重调度策略 137
5.3.1  通用流程 137
5.3.2  窗口与滚动方式定义 138
5.3.3  重调度算法 139
5.4  基于可调度性预测的任务快速插入策略 141
5.4.1  通用流程 141
5.4.2  可调度性预测模型 142
5.5  基于约束网络的实时冲突消解策略 146
5.5.1  通用流程 147
5.5.2  任务冲突度计算算法 148
5.5.3  冲突消解启发式算法 149
5.6  本章小结 150
第6章  卫星任务调度引擎应用实验 151
6.1  实验准备 151
6.1.1  实验目的 151
6.1.2  引擎部署 152
6.1.3  算法及参数设置 154
6.2  遥感卫星任务调度实验 159
6.2.1  实验场景 159
6.2.2  常规调度实验 161
6.2.3  应急调度实验 168
6.3  中继通信卫星任务调度实验 170
6.3.1  实验场景 171
6.3.2  常规调度实验 172
6.3.3  应急调度实验 176
6.4  导航卫星任务调度实验 179
6.4.1  实验场景 179
6.4.2  常规调度实验 181
6.4.3  应急调度实验 187
6.5  卫星测控任务调度实验 188
6.5.1  实验场景 188
6.5.2  常规调度实验 189
6.5.3  应急调度实验 193
6.6  卫星任务调度引擎推广应用 196
6.7  本章小结 198
第7章  总结与展望 199
7.1  总结 199
7.2  未来工作展望 200
参考文献 204
附录A  卫星任务调度通用化模型数学符号及说明 221
附录B  卫星任务调度引擎Java程序架构及说明 223
附录C  缩写词列表 226