王志淋， 李新明

（1.裝備學院 復雜電子系統(tǒng)仿真實驗室，北京 101416； 2.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094）

隨著航天測控系統(tǒng)的規(guī)模日益擴大，復雜程度越來越高，數(shù)字化設備得到廣泛使用，數(shù)字化測控系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)測控系統(tǒng)相比，數(shù)字化測控系統(tǒng)在信息處理的復雜性，模型描述的多樣性，多層次、多任務的控制復雜性，任務模型的精確性等方面存在著很大的區(qū)別。航天測控系統(tǒng)的監(jiān)控基本上采用分層分類方法，根據(jù)航天測控系統(tǒng)中各分系統(tǒng)的特點分為衛(wèi)星控制、地面站設備監(jiān)控、測控中心任務規(guī)劃等方面。由于相關(guān)研究的側(cè)重點不同，模型抽象的層次不同，導致在工程應用時，不能很好地相互匹配，不利于工程實現(xiàn)。若將測控系統(tǒng)的任務規(guī)劃、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)監(jiān)視作為一個整體進行監(jiān)控研究，采用統(tǒng)一的模型標準，則可實現(xiàn)分系統(tǒng)研究成果的匹配，更易于工程實現(xiàn)。離散事件動態(tài)系統(tǒng)是由離散事件驅(qū)動，并由離散事件按照一定運行規(guī)則相互作用，進而導致狀態(tài)演化的一類動態(tài)系統(tǒng)［1］。航天測控系統(tǒng)作為大型人造系統(tǒng)，其系統(tǒng)控制規(guī)律符合離散事件動態(tài)系統(tǒng)的特征。離散事件動態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究包括：離散事件系統(tǒng)監(jiān)控理論［2－4］、系統(tǒng)調(diào)用策略［5－6］、系統(tǒng)監(jiān)視控制［7－8］和系統(tǒng)診斷［9］等。

本文通過分析測控系統(tǒng)的工作流程，提出分層協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)模型，利用離散事件動態(tài)系統(tǒng)監(jiān)控理論，分別建立了任務規(guī)劃模型、任務協(xié)調(diào)模型、任務控制模型和系統(tǒng)監(jiān)視模型，以簡化的測控系統(tǒng)為例討論了上述自動機模型的組合方式，構(gòu)建了統(tǒng)一的分層協(xié)調(diào)控制模型。

1 分層協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

航天測控系統(tǒng)的工作流程包括：匯集任務需求、統(tǒng)籌資源分配、任務操作分解、分系統(tǒng)協(xié)調(diào)、任務執(zhí)行以及協(xié)調(diào)監(jiān)視。在上述系統(tǒng)工作流程中，多個用戶的多批次任務需求統(tǒng)一匯總給資源分配，資源分配的重點是基站資源的規(guī)劃，要將多個基站合理地分配給不同用戶的不同批次的任務。在資源分配的基礎上進行任務分解，將任務所需的操作分解給基站、衛(wèi)星等?；?、衛(wèi)星的操作之間存在相互約束關(guān)系，為了協(xié)調(diào)相關(guān)環(huán)節(jié)，必須對基站、衛(wèi)星進行統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)控制?；尽⑿l(wèi)星的控制方法、策略存在很大不同，其控制機制需分別設計實現(xiàn)。參考分層遞階控制理論［10］，提出航天測控系統(tǒng)的分層協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 航天測控系統(tǒng)的分層協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

共分4個部分：

1）任務規(guī)劃。它是整個系統(tǒng)的高層機構(gòu)，主要完成任務規(guī)劃、決策、任務計劃；對系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作進行監(jiān)督、指導、評估；收集環(huán)境信息，接受人員或外部系統(tǒng)的干預，逐步改進系統(tǒng)，實現(xiàn)整個任務目標。

2）任務協(xié)調(diào)。接收來自任務規(guī)劃的指令和每一個子系統(tǒng)執(zhí)行過程中的反饋信息，同時在線實時監(jiān)控、協(xié)調(diào)任務過程，并優(yōu)化任務執(zhí)行的控制指標和參數(shù)等。為每個用戶任務提供獨立的協(xié)調(diào)控制節(jié)點，簡化協(xié)調(diào)控制流程。

3）任務控制。由基站控制、衛(wèi)星控制等多種控制過程組成，通過建立數(shù)學模型、檢測性能指標或代價函數(shù)等，對任務過程中的環(huán)節(jié)、控制回路、被控對象進行特定控制和檢測。各控制與物理設備一一對應，且根據(jù)任務需求靈活組合。

4）系統(tǒng)監(jiān)視。通過對系統(tǒng)的運行狀態(tài)、任務執(zhí)行情況、參數(shù)以及控制過程的反饋等采集，經(jīng)信息預處理、特征提取和信息融合，對當前系統(tǒng)狀態(tài)進行識別和故障診斷，并將結(jié)果上報給任務規(guī)劃，作為決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)模型

航天測控系統(tǒng)作為大型信息系統(tǒng)，其上層行為符合離散事件動態(tài)系統(tǒng)的邏輯特征［2］?？刹捎米詣訖C和形式語言方法，建立貫穿任務規(guī)劃、任務協(xié)調(diào)、任務控制、系統(tǒng)監(jiān)視全過程的模型體系。

2.1 任務規(guī)劃模型

任務規(guī)劃負責將用戶的任務申請轉(zhuǎn)換為測控系統(tǒng)的任務序列。用戶的任務申請為某一時段利用測控系統(tǒng)資源完成某顆衛(wèi)星的控制。衛(wèi)星測控時間段的選取，是根據(jù)衛(wèi)星狀態(tài)和用戶的操作需求決定，一般為固定時間段。由于測控系統(tǒng)的瓶頸資源為測站設備，故測控資源的分配可轉(zhuǎn)換為測站使用時段的分配。

測控系統(tǒng)的任務規(guī)劃過程描述如下。引入最小時間間隔T（Tick）概念，建立時間節(jié)點串。匯總所有用戶的任務申請，將申請中的時間段散列為時間節(jié)點串上的點。采用二維數(shù)組的形式描述用戶的申請集，每列代表具體的用戶，行方向為時間節(jié)點串上的申請需求標志，若有申請則置1，否則為0。根據(jù)測站的數(shù)量，建立資源狀態(tài)集合，按照輸入的用戶申請調(diào)整狀態(tài)。

定義1 （任務規(guī)劃自動機）：

式中：

Q為狀態(tài)合集，是集合參數(shù)，形式為（q1，q2，…，qk），k為測站的數(shù)量，qi代表第i個測站的使用狀態(tài)，若為空表示測站空閑，為其他字符表示被某星的某任務占用。令Q＝（Q1，Q2，….Qn），為狀態(tài)集合，設函數(shù)num（Qi）（0＜i≤n）為狀態(tài)Qi時測站的在用數(shù)量。

R為輸入事件合集，是集合參數(shù)，形式為（r1，r2，…..rm），其中 m 為用戶數(shù)量，ri代表任務需求在時間串上的散列值，若為空則表示此時間節(jié)點上沒有任務需求，否則為第i個用戶的任務申請標志。令R＝（R1，R2，…..Rm）為事件集，設函數(shù)num（Ri）（0＜i≤m）為當前任務所需測站數(shù)量。令tag（ri）代表ri對應的標志。令enum（Ri）表示Ri中非空的任務需求合集。

M為輸出向量，其形式同R，只保留已分配的任務需求。

Q0為初始狀態(tài)，其值為（01，02，…0k），k為測站的數(shù)量。

δ為轉(zhuǎn)換函數(shù)，R×Q→Q：M，其轉(zhuǎn)換方式如下：

1）當為起始狀態(tài)Q0時。若num（R1）＜k，則順序選取num（r1）個測控站狀態(tài)，將其值設為對應衛(wèi)星的任務需求標志，則狀態(tài)集合的值qx＝tag（ry），（其中0＜x≤num（r1），y∈enum（R1）），狀態(tài)集合的其他值為0；若num（R1）≥k，則順序選取k個測控站狀態(tài)，將其值設為從enum（R1）中順序選取的k個衛(wèi)星的任務申請。

2）在狀態(tài)Qi時。①num（R1）≤num（Qi），則表示當前的任務需求減少，將不再包含在enum（Ri）中任務需求對應的標示重新置為0，將enum（Ri）中新增的任務需求按順序選取自動機狀態(tài)位修改；②num（Qi）＜num（R1）≤k，則表示當前的任務需求增加，且沒有超過測控數(shù)量，將不再包含在enum（Ri）中任務需求對應的標示重新置為0，將enum（Ri）中新增的任務需求按順序選取自動機狀態(tài)位修改；③k＜num（R1），則表示當前的任務需求超過測控數(shù)量，將不再包含在enum（Ri）中任務需求對應的標示重新置為0，將enum（Ri）中新增的任務需求按順序選取自動機狀態(tài)位修改，多余的任務需求遺棄。

3）在所有狀態(tài)下，自動機輸出Q的狀態(tài)序列。

2.2 任務協(xié)調(diào)模型

每個用戶的任務需求，在任務協(xié)調(diào)控制階段就轉(zhuǎn)化為一系列的活動，這些活動按照時間先后順序執(zhí)行，若某個活動出現(xiàn)問題，將導致整個任務控制流程終結(jié)。

每顆衛(wèi)星的活動數(shù)量是與遙控指令相對應的，為固定值。令衛(wèi)星1的活動集為S1，A＝（S1，a1，S1，a2，…，S1，an），其中n為衛(wèi)星的指令個數(shù)。則所有衛(wèi)星的活動集合為：（m 為衛(wèi)星數(shù)量）。

每個測站的活動數(shù)量是與設備控制指令相對應的，為固定值。令測站1的活動集為H1，A＝（H1，a1，H1，a2，…，H1，an），其中n 為設備控制的指令個數(shù)。則所有測站的活動集合為：Hi，A（m 為測站數(shù)量）。

令I(lǐng)start和Istop為某個活動的啟動、停止命令，則對應S1，A＝（S1，a1，S1，a2，…，S1，an）活動，其命令形式為Istart，S1，a1和Istop，S1，a1。

定義2 （任務協(xié)調(diào)自動機）：

式中：

ψ為狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)，A×Q→Q：I，其轉(zhuǎn)換方式如下：

1）當為初始狀態(tài)Q0即I時。若輸入為T時，則狀態(tài)保持不變，輸出Ivoid；若輸入為E，則狀態(tài)保持不變，輸出Ivoid；若輸入為具體的活動，則狀態(tài)值為活動標示，輸出為活動的Istart指令。

2）當為活動狀態(tài)時。① 若輸入為T時，則狀態(tài)變?yōu)镮，輸出狀態(tài)活動的Istop指令；② 若輸入為E，則狀態(tài)變?yōu)镕ault，輸出Ivoid；③ 若輸入為當前活動時，則狀態(tài)保持不變，輸出Ivoid；④ 若輸入為新的活動時，則狀態(tài)值改為新活動的標示，輸出當前狀態(tài)的Istop指令和新狀態(tài)的Istart指令。

3）當為Fault狀態(tài)時，整個自動機退出。

Q0為初始狀態(tài)I。

2.3 任務控制模型

衛(wèi)星、測站的控制遵循相同的模型。

定義3 （控制自動機）：

式中：

Q 為狀態(tài)合集，｛q｜q∈（I，W，F(xiàn)）｝（I代表空閑，W 代表運行，F(xiàn)代表故障）。

E 為事件合集，｛e｜e∈ （Istart，Istop，B，R）｝（Istart、Istop來自任務協(xié)調(diào)自動機的輸出；B代表出錯；R代表維護）。

O為輸出合集，｛o｜o∈（F，A）｝（F代表出錯，A代表可用）。

ξ為轉(zhuǎn)換函數(shù)，E×Q→Q：O，其轉(zhuǎn)換方式如下：

1）當為初始狀態(tài)Q0即I時。若輸入為Istart時，則狀態(tài)變?yōu)閃，輸出A；輸入為B時，則狀態(tài)變?yōu)镕，輸出F；其他輸入時，狀態(tài)不改變，無輸出。

2）當為初始狀態(tài)W 時。若輸入為Istop時，則狀態(tài)變?yōu)镮，輸出A；輸入為B時，則狀態(tài)變?yōu)镕，輸出F；其他輸入時，狀態(tài)不改變，無輸出。

3）當為初始狀態(tài)F時。若輸入為R時，則狀態(tài)變?yōu)镮，輸出A；其他輸入時，狀態(tài)不改變，無輸出。

Q0為初始狀態(tài)I。

2.4 系統(tǒng)監(jiān)視模型

定義4 （系統(tǒng)監(jiān)視自動機）：

式中：

Q為狀態(tài)合集，｛q｜q∈（F，A）｝（F 代表出錯，A代表可用）。

E為事件合集，｛e｜e∈（B，R）｝（B 代表出錯，R代表維護）。

O為輸出合集，｛o｜o∈（F，A）｝（F代表出錯，A代表可用）。

ξ為轉(zhuǎn)換函數(shù)，E×Q→Q：O，其轉(zhuǎn)換方式如下：

1）當為初始狀態(tài)A時。若輸入為B時，則狀態(tài)變?yōu)镕，輸出F；其他輸入時，狀態(tài)不改變，無輸出。

2）當為初始狀態(tài)F時。若輸入為R時，則狀態(tài)變?yōu)锳，輸出A；其他輸入時，狀態(tài)不改變，無輸出。

Q0為初始狀態(tài)A。

2.5 小 結(jié)

基于上述的任務規(guī)劃模型、過程協(xié)調(diào)模型、執(zhí)行控制模型和系統(tǒng)監(jiān)視模型，一個航天測控系統(tǒng)由一個任務規(guī)劃自動機、多個任務協(xié)調(diào)自動機（由并行執(zhí)行任務數(shù)量確定）、多個任務控制自動機（由衛(wèi)星、測站數(shù)量確定），以及一個系統(tǒng)監(jiān)控自動機組成，基于分層協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)（參見圖1）實現(xiàn)航天測控系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。其中，任務規(guī)劃自動機識別用戶申請，形成多個任務執(zhí)行序列；每個任務執(zhí)行序列對應一個任務協(xié)調(diào)自動機，驅(qū)動任務按序執(zhí)行；任務控制自動機根據(jù)協(xié)調(diào)指令，完成所需操作；系統(tǒng)監(jiān)視自動機監(jiān)聽多個任務控制自動機的健康狀態(tài)，若設備故障則調(diào)整系統(tǒng)資源可用數(shù)量；任務規(guī)劃自動機根據(jù)可用資源的數(shù)量，調(diào)整分配策略。

3 實例分析

下面以一個簡化測控系統(tǒng)為例，分析各自動機模型的工作流程，驗證自動機模型的有效性以及相互間的協(xié)調(diào)工作方式。設某測控系統(tǒng)有3個測站，需同時管理4顆衛(wèi)星。令某一時段4顆衛(wèi)星的測控任務需求集分別為：（a1，a2）、（b）、（c1，c2，c3）、（d），其任務需求在時間串上的散列序列，如圖2所示。

圖2 測控任務需求時間散列圖

將上述任務需求序列作為任務規(guī)劃自動機的輸入，得到的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

圖3 任務規(guī)劃自動機狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

其輸出參見圖4。

圖4 任務規(guī)劃自動機輸出圖

由于執(zhí)行每顆衛(wèi)星的測控任務時，需要獨占測控站，即測控系統(tǒng)任務的最大并行數(shù)等于測站數(shù)量，因此將任務序列指定給相同編號的測站。測控任務為固定操作流程，采用自然映射方法，將測控任務需求映射為測站操作指令、衛(wèi)星遙控指令的序列，并在指令之間增加時間間隔T?？刂菩枨笮蛄?的測控操作流程映射如下：

其作為任務協(xié)調(diào)自動機的輸入，得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5，其輸出為：

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

正常情況下，任務控制自動機、系統(tǒng)監(jiān)視自動機自主運行，輸出對系統(tǒng)其他部分沒影響。但在故障情況下，根據(jù)任務控制自動機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，以衛(wèi)星1為例，若在Istart，S1，a1出現(xiàn)故障，其輸出故障事件FS1，a1，則任務協(xié)調(diào)自動機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖變?yōu)閳D6。系統(tǒng)監(jiān)視自動機根據(jù)故障事件FS1，a1，將輸出衛(wèi)星1資源不可用狀態(tài)，由任務規(guī)劃自動機將衛(wèi)星1從分配資源中刪除。

圖6 故障輸入時的任務協(xié)調(diào)自動機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

4 結(jié)束語

本文基于航天測控任務過程，從邏輯層面對航天測控系統(tǒng)的綜合控制建模進行了初步探索，采用離散自動機模型為載體，建立了任務規(guī)劃、過程協(xié)調(diào)、執(zhí)行控制和系統(tǒng)監(jiān)視的模型，為航天測控系統(tǒng)的綜合控制設計提出了新的思路。但相關(guān)研究內(nèi)容還不深入，后續(xù)需研究模型的可控性、可觀測性等控制理論問題；需進一步貼近工程應用，開展代數(shù)、性能層面的建模研究內(nèi)容。

（References）

［1］鄭大鐘，趙千川.離散事件動態(tài)系統(tǒng)［M］.北京：清華大學出版社，2000：1－8，282－340.

［2］RAMADGE P J，WONHAM W M.Supervisory control of a class of discrete event processes［J］.SIAM J of Control and Optimization，1987，25（1）：206－230.

［3］WONHAM W M，RAMADGE P J.On the supremal controllable sublanguage of a given languages［J］.SIAM.of Control and Optimization，1987，25（3）：637－659.

［4］KENJI O，TOSHIMITSU U.Scheduling of periodic tasks on a dynamically reconfigurable device using timed discrete event systems［J］.IEICE Trans.Fundamentals，2006，E89-A（11）：3227－3234.

［5］呂學志，于永利.伴隨修理中的維修任務調(diào)度策略［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，2013，33（1）：209－214.

［6］陳莉麗，姚益平.多核環(huán)境下負載均衡的并行離散事件全局調(diào)度機制［J］.國防科技大學學報，2012，34（4）：108－113.

［7］甘永梅，晁武杰.基于狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)的離散事件系統(tǒng)模塊化監(jiān)督控制［J］.自動化學報，2013，39（7）：1018－1026.

［8］馬衛(wèi)東，王志穎.基于FSM的現(xiàn)場控制系統(tǒng)通用架構(gòu)及遠程控制協(xié)議設計［J］.計 算機 測量與 控制，2013，21（5）：1226－1229.

［9］王曉宇，歐陽丹彤.基于沖突的離散事件系統(tǒng)診斷方法［J］.吉林大學學報：工學版，2013，43（2）：380－385.

［10］王耀南.復雜工業(yè)系統(tǒng)的分布式遞階智能控制研究［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2002，8（7）：551－554.