卜慧蛟,張 進(jìn),羅亞中*,周建平

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院,長沙410073；2.中國載人航天工程辦公室,北京100720)

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基于本體理論的空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域建模研究

卜慧蛟1,張 進(jìn)1,羅亞中1*,周建平2

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院,長沙410073；2.中國載人航天工程辦公室,北京100720)

摘要：規(guī)劃領(lǐng)域建模是解決空間站短期任務(wù)規(guī)劃問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過對比分析空間站短期任務(wù)規(guī)劃問題，梳理了其規(guī)劃領(lǐng)域特點，歸納總結(jié)了領(lǐng)域建模需求；基于本體理論分別建立了規(guī)劃領(lǐng)域本體模型、對象概念本體模型和方法概念本體模型，進(jìn)而構(gòu)建了空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域體系，規(guī)范化描述了領(lǐng)域內(nèi)的概念及其關(guān)系。最后通過在貨運補給與微重力實驗兩類任務(wù)建模上的成功應(yīng)用驗證了所建立模型的有效性。

關(guān)鍵詞：空間站；短期任務(wù)規(guī)劃；建模；本體論

1 引言

任務(wù)規(guī)劃是空間站運營的關(guān)鍵技術(shù)之一?？臻g站長期在軌運行,需要執(zhí)行多種運營任務(wù),例如后勤補給、設(shè)備維修、乘員輪換和載荷實驗等。這些任務(wù)貫穿于空間站全生命周期,數(shù)量眾多,例如國際空間站在2010年至2012年三年內(nèi)就執(zhí)行了575項科學(xué)實驗任務(wù)［1-3］。同時空間站在軌運行時面臨多種約束,設(shè)備和資源有限,需要對空間站在軌運營的任務(wù)進(jìn)行合理規(guī)劃,以有效降低空間站運營風(fēng)險、提高效率與經(jīng)濟(jì)性。

目前,針對在軌運行的國際空間站,美國的約翰遜空間中心、馬歇爾空間飛行中心［4-5］,歐洲哥倫布控制中心［6］,俄羅斯莫斯科任務(wù)中心［7］以及日本筑波空間中心［8-9］等,對各自負(fù)責(zé)的相關(guān)運營任務(wù)的規(guī)劃都有一定研究,并且已經(jīng)開發(fā)了多種規(guī)劃工具,但是在公開的文獻(xiàn)中,很少有相關(guān)模型和算法的介紹。

我國空間站工程目前處于起步階段,在任務(wù)規(guī)劃方面研究尚淺,僅公開發(fā)表了一些初步研究。國防科技大學(xué)的羅亞中和林鯤鵬對空間站運營任務(wù)規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行了分析評述［10］,同時進(jìn)一步研究了空間站全局任務(wù)規(guī)劃問題、空間站長期任務(wù)規(guī)劃問題和空間站后勤補給優(yōu)化問題等［11-13］。中國空間技術(shù)研究院的田坤黌和侯永青結(jié)合國際空間站,分析了空間站運營管理體系構(gòu)架［14］。然而,目前國內(nèi)還未見到針對空間站短期任務(wù)規(guī)劃問題的研究。

依據(jù)空間站運營需求,短期任務(wù)規(guī)劃用于滿足空間站一個月或一周內(nèi)每天活動的規(guī)劃需求,是一類在復(fù)雜約束條件下,面向多種資源,滿足多種類型任務(wù)需求的規(guī)劃問題。如何統(tǒng)一規(guī)范地、抽象化地描述空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域,同時便于任務(wù)信息的數(shù)據(jù)交互共享,是解決空間站短期任務(wù)規(guī)劃問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前,已經(jīng)有比較成熟的知識表示語言［15-18］應(yīng)用于衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域和飛船任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域［19-20］,但是針對空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域,這些語言在滿足開發(fā)的自主性、便利性和數(shù)據(jù)的交互性需求上還存在一定差距。

本文研究面向空間站任務(wù)短期規(guī)劃需求,分析短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域中的任務(wù),活動、資源、設(shè)備等概念特征,基于本體建模理論,建立空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域模型,給出規(guī)范化的概念和概念關(guān)系的描述模型。

2 短期任務(wù)規(guī)劃問題分析

空間站任務(wù)規(guī)劃按照規(guī)劃周期的長短,可分為長期規(guī)劃和短期規(guī)劃。長期任務(wù)規(guī)劃面向?qū)ο鬄橹卮蟮娜蝿?wù)事件,規(guī)劃結(jié)果一般為飛船發(fā)射序列和后勤補給策略等。短期任務(wù)規(guī)劃面向的對象是每日完成的主要任務(wù),規(guī)劃結(jié)果一般為任務(wù)執(zhí)行方案、航天員在軌操作計劃和資源調(diào)度方案等。具體如表1所示［10,21］。

表1 長期規(guī)劃與短期規(guī)劃特點對比Table 1 Comparison on the characteristics of the long-term planning and short-term planning

由表1可見,空間站短期任務(wù)規(guī)劃與長期任務(wù)規(guī)劃的關(guān)注點不同,短期任務(wù)規(guī)劃中的任務(wù)主要為空間站在軌的日常任務(wù),約束條件主要源于空間站在軌的運行狀態(tài)和任務(wù)內(nèi)活動的邏輯關(guān)系,結(jié)果方案從任務(wù)、航天員和資源角度給出,規(guī)劃目的是滿足空間站日常運營任務(wù)安排需求。

當(dāng)前,針對衛(wèi)星和飛船任務(wù)規(guī)劃問題的研究已經(jīng)開展［22-23］,但衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃和飛船任務(wù)規(guī)劃在難度和規(guī)模上都與空間站短期任務(wù)規(guī)劃不同,如表2所示?？臻g站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域中的任務(wù)類型多樣且數(shù)量多,如運輸補給任務(wù)有交會對接、在軌加注和艙段組裝等；日常維護(hù)維修有空間站每日例行任務(wù)、設(shè)備的維修更換和出艙活動等；載荷實驗任務(wù)包括生物研究、人體生理研究、新技術(shù)開發(fā)、天文觀測、材料實驗和對地觀測等。衛(wèi)星任務(wù)則由衛(wèi)星類型決定,如偵查衛(wèi)星主要遂行偵查任務(wù)。由于飛船飛行時間較短、體積有限,飛船攜帶的載荷設(shè)備有限,所以飛船所能完成的任務(wù)類型和數(shù)量都較少。同時,由于空間站長期有航天員在軌駐留,所以在任務(wù)規(guī)劃過程中,必須將航天員特征和作息約束考慮進(jìn)去,增加了規(guī)劃的難度。由于空間站完成任務(wù)的類型和數(shù)量多,需要較多的資源和設(shè)備進(jìn)行保障,同時也帶來了更復(fù)雜的資源設(shè)備約束。結(jié)合國防科技大學(xué)羅亞中等對空間站運營任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的評述可知,空間站短期任務(wù)規(guī)劃是銜接任務(wù)級規(guī)劃和執(zhí)行級規(guī)劃,對空間站在軌活動概要進(jìn)行規(guī)劃,而得到的方案為進(jìn)一步細(xì)致的執(zhí)行規(guī)劃奠定基礎(chǔ)［10］。

表2 空間站短期任務(wù)規(guī)劃、衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃和飛船任務(wù)規(guī)劃特點對比Table 2 Comparison on the characteristics of space station short-term mission planning，satellite mission planning and spacecraft mission planning

根據(jù)上述對比分析,空間站短期任務(wù)規(guī)劃問題是一類任務(wù)類型多樣、數(shù)量多、約束條件復(fù)雜的規(guī)劃問題。

為了便于描述問題,結(jié)合短期任務(wù)執(zhí)行過程,對空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域建模需求進(jìn)行了分析歸納,主要有以下幾點：

1)短期任務(wù)規(guī)劃問題是一個任務(wù)周期內(nèi)的時間線規(guī)劃問題,規(guī)劃的核心元素是時間,在模型中需合理地描述時間需求；

2)涉及任務(wù)種類多樣,不同任務(wù)的執(zhí)行過程不同,所以需要引入任務(wù)的子一級概念,用于描述任務(wù)的步驟或過程；

3)任務(wù)的執(zhí)行步驟或過程之間具有一定的邏輯關(guān)系,需合理有效地給出關(guān)系的定義和描述；

4)任務(wù)在執(zhí)行過程中,需要航天員、多種資源和設(shè)備支持；在合理定義描述航天員、資源和設(shè)備的同時,需建立航天員、資源和設(shè)備對于任務(wù)執(zhí)行的支持關(guān)系模型；

5)在解決短期任務(wù)規(guī)劃問題時,會針對不同的規(guī)劃目標(biāo),采用相應(yīng)的規(guī)劃方法和策略,滿足相應(yīng)的約束條件,獲得滿足需求的方案,所以需要對規(guī)劃目標(biāo)、規(guī)劃方法和策略、約束條件和結(jié)果方案進(jìn)行定義描述。

結(jié)合短期任務(wù)規(guī)劃特點和建模需求可以看出,需要一種有效的理論方法來建立空間站短期任務(wù)規(guī)劃框架體系,同時統(tǒng)一規(guī)范地定義描述短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域內(nèi)各項概念和關(guān)系,便于進(jìn)行合理有效的任務(wù)規(guī)劃和數(shù)據(jù)信息共享。

3 短期任務(wù)規(guī)劃建模分析

在空間站短期任務(wù)規(guī)劃問題中,需要滿足多個系統(tǒng)的任務(wù)需求,在交流任務(wù)需求時,會形成數(shù)據(jù)的共享和交互,如果數(shù)據(jù)的共享和交互不順暢,會給問題求解造成很大的障礙。本體是一種語義表達(dá)和知識建模的工具,在統(tǒng)一形式化描述和共享概念信息方面具有良好的性能［24］,并且本體理論已經(jīng)在生產(chǎn)調(diào)度領(lǐng)域和衛(wèi)星測控調(diào)度領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用［25-26］。

本文引入本體建模理論,對空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域進(jìn)行框架建模和概念定義描述,為有效解決空間站短期任務(wù)問題奠定基礎(chǔ),同時便于與其它系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息共享交互。

3.1 問題領(lǐng)域本體建模

建立空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域本體模型,定義空間站短期任務(wù)規(guī)劃本體(Space Station Short Term Mission Planning Area Ontology,簡稱STMPAO)如式(1)：

其中,ConceptSet為概念集合,包含有多個概念本體,RelationSet為概念關(guān)系集合。

根據(jù)第2節(jié)分析,建立空間站短期任務(wù)規(guī)劃問題領(lǐng)域本體的概念集合如式(2)：

式中等號右邊概念元素分別為任務(wù)、活動、設(shè)備、資源、約束、規(guī)劃策略、規(guī)劃方法、規(guī)劃目標(biāo)和結(jié)果方案。

各個概念之間的關(guān)系如圖1所示,主要包括：

1)一個任務(wù)包含一個或若干個活動,活動組成任務(wù)；

2)資源支持設(shè)備正常工作,同時設(shè)備執(zhí)行具體的活動；

3)任務(wù)、活動、設(shè)備和資源生成約束條件；

4)約束條件和規(guī)劃目標(biāo)限制規(guī)劃方法的選擇；

5)規(guī)劃策略通過作用于規(guī)劃方法,進(jìn)行沖突化解從而滿足約束條件；

6)規(guī)劃方法對任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃,生成結(jié)果方案；

7)結(jié)果方案滿足任務(wù)需求、約束條件和規(guī)劃策略。

圖1 空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域本體框架圖Fig.1 Space station short-term mission planning domain ontology frame

在短期任務(wù)規(guī)劃問題領(lǐng)域本體中,各個概念之間的單個關(guān)系的定義采用“主語-謂語-賓語”格式,領(lǐng)域本體中的關(guān)系可定義如式(3)：

其中, SubjectID表示關(guān)系中概念對象的編號, Predicate表示關(guān)系中的謂語,用于表示關(guān)系的類型；ObjectID表示關(guān)系中的賓語的編號。

在領(lǐng)域本體中,關(guān)系的類型有式(4)所示六類：

其中,Contain表示包含關(guān)系,Execute表示執(zhí)行關(guān)系,Support為支持關(guān)系,Form為生成關(guān)系,Restrict為限制關(guān)系,Satisfy為滿足關(guān)系。

根據(jù)概念的特征,將空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域的概念分為兩類,分別是對象類概念和方法類概念。其中,對象類概念包括任務(wù)、活動、設(shè)備和資源；方法類概念包括規(guī)劃策略、規(guī)劃方法、目標(biāo)、約束條件和結(jié)果方案。

3.2 對象概念本體建模

上述對象類概念主要是指對空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域中規(guī)劃對象的抽象描述,針對每個對象的特點,建立對象類概念本體,是解決短期任務(wù)規(guī)劃建模研究的核心部分。

3.2.1 任務(wù)本體

任務(wù)概念定義：任務(wù)是由一系列活動組成的事件,在空間站資源、設(shè)備和航天員的支持下完成,保障空間站在軌的正常運行和科學(xué)研究。

建立任務(wù)本體模型,定義任務(wù)本體為式(5)：

其中,MO_AttributeSet為任務(wù)本體的屬性集合,MO _RelationSet為任務(wù)本體的關(guān)系集合。

1)屬性集合定義

對任務(wù)本體的屬性定義如式(6)所示。

其中,MID為任務(wù)特有的編號,用于與其他任務(wù)進(jìn)行區(qū)分；MName為任務(wù)的名稱,用于表達(dá)任務(wù)的意義；MType為任務(wù)的類型；Priority為任務(wù)的優(yōu)先級,用于表示任務(wù)重要程度的指標(biāo)；Profit為任務(wù)的收益性,用于表示任務(wù)收益程度大小的指標(biāo)；StaEarTime和EndLatTime分別表示任務(wù)的最早開始時間和最晚結(jié)束時間,最早開始時間是指任務(wù)的第一個活動的最早時刻,最晚結(jié)束時間是指任務(wù)的最后一個活動的最晚時刻；MNote是對任務(wù)的備注說明。

在任務(wù)本體的屬性集合中,任務(wù)類型MType可以劃分為式(7)所示的五類,按照重要性程度依次為未知、載荷、日常維護(hù)、運輸補給和緊急任務(wù),其中緊急任務(wù)最為重要。

其中,Unknown為未知類型,用于表示這類任務(wù)沒有明確的類型,將其設(shè)定為最不重要的類型；Pay?load為載荷類型,用于表示這類任務(wù)為載荷實驗類任務(wù),目的是為了滿足空間站上的科學(xué)研究需求,這類任務(wù)的執(zhí)行會增加空間站在軌運行的收益性,實現(xiàn)空間站在軌運行的科學(xué)研究意義；Dai?Main為日常維護(hù)任務(wù),用于表示滿足空間站長期平穩(wěn)運行的日常操作需求的一類任務(wù),例如設(shè)備的維護(hù)維修、出艙活動和航天員的日常作息等；TranSup為運輸補給類型,用于表示滿足空間站運營補給類型的任務(wù),例如燃料在軌加注任務(wù)和交會對接任務(wù)；Crisis為緊急任務(wù),用于表示處理空間站緊急情況的任務(wù),例如緊急規(guī)避任務(wù)和火災(zāi)處理任務(wù)等。

2)關(guān)系集合定義

關(guān)系集合存放與本任務(wù)相關(guān)的所有關(guān)系。單個關(guān)系的定義采用“主語-謂語-賓語”格式,對任務(wù)本體中關(guān)系定義如式(8)所示。

其中,SubjectID表示關(guān)系中的主語的編號；Predi?cate表示關(guān)系中的謂語,用于表示關(guān)系的類型；ObjectID表示關(guān)系中的賓語的編號,表示與主語發(fā)生關(guān)系的任務(wù)。

在任務(wù)本體中,任務(wù)之間關(guān)系的類型有式(9)所示的兩類：

其中,Exclusive為互斥關(guān)系,表示主語代表的任務(wù)與賓語代表的任務(wù)不能在同一時間段內(nèi)執(zhí)行；Precedence為先驗關(guān)系,表示主語代表的任務(wù)在賓語代表的任務(wù)結(jié)束后的一段時間內(nèi)開始。

3.2.2 活動本體

活動概念定義：活動是空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域的核心單元,是任務(wù)的基本組成,表示任務(wù)中的一個行動或是進(jìn)程。

建立活動本體模型,定義活動本體為式(10)：

其中,ActO_AttributeSet為活動本體的屬性集合；ActO_RelationshipSet為活動本體的關(guān)系集合。

1)屬性集合定義

對活動本體的屬性集合定義如式(11)所示。

其中,AID為活動特有的編號,用于與其他活動進(jìn)行區(qū)分；AName為活動名稱,用于表達(dá)活動的意義；StartTime為活動的開始時間；Dur為活動執(zhí)行的時間長度；Bandwidth為活動執(zhí)行所需要的帶寬；ANote是對活動的備注說明。

2)關(guān)系集合定義

關(guān)系集合存放與本任務(wù)相關(guān)的所有關(guān)系。單個關(guān)系的定義采用“主語-謂語-賓語”格式,對活動本體中關(guān)系集合如式(12)所示。

在活動本體中,活動之間關(guān)系的類型只有一類,即先驗關(guān)系。

3.2.3 設(shè)備本體

設(shè)備概念定義：設(shè)備是一種用于完成活動的工具或航天員,工具可以自動運行或由航天員操作使用。在本文中,將航天員假設(shè)為一種特殊的設(shè)備,不必單獨設(shè)立航天員的概念進(jìn)行描述。

建立設(shè)備本體模型,定義任務(wù)本體為式(13)：

其中,DO_AttributeSet為設(shè)備本體的屬性集合,在本文中,不考慮各個設(shè)備之間的相互作用關(guān)系。

對設(shè)備本體的屬性定義如式(14)所示。

其中,DID為設(shè)備特有的編號,用于與其他設(shè)備進(jìn)行區(qū)分；DName為設(shè)備的名稱,用于表達(dá)設(shè)備的功能；DType為設(shè)備的類型；nAct為設(shè)備在同一時刻所能執(zhí)行活動的個數(shù)；Power為設(shè)備執(zhí)行一個活動時所需要的功耗；Thermal為設(shè)備執(zhí)行一個活動的散熱；Oxygen為設(shè)備執(zhí)行一個活動所需要的氧氣數(shù)量；Water為設(shè)備執(zhí)行一個活動所需要水的數(shù)量；DNote是對設(shè)備的備注說明。

在設(shè)備本體的屬性集合中,設(shè)備類型DType可以劃分為三類,分別是未知類型、平臺類型和載荷類型。如公式(15)所示。

其中,Unknown表示未知類型,用于表示這類設(shè)備沒有明確的類型；Platform表示平臺類型,這類設(shè)備的主要功能是維護(hù)空間站平臺系統(tǒng)的正常運營；Payload表示載荷類型,這類設(shè)備的主要功能是支持空間站在軌科學(xué)研究任務(wù)和航天員系統(tǒng)任務(wù)。

3.2.4 資源本體

資源概念定義：資源是保障空間站在軌正常運營,完成各項科學(xué)研究的物質(zhì),在空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域,本文主要考慮功耗、散熱和帶寬等,所以資源本體定義為式(16)：

其中,RO_AttributeSet為資源本體屬性集合,不考慮各類資源之間的相互作用關(guān)系。

對資源本體的屬性定義如式(17)所示。

其中,RID為資源特有的編號,用于與其他資源進(jìn)行區(qū)分；RName為資源的名稱,用于表達(dá)資源的意義；RType為資源的類型,主要分為可再生資源(Renewable)和不可再生資源(Non?Renewable)；rValue為資源的額定數(shù)量；Value為資源的當(dāng)前數(shù)量；RNote是對資源的備注說明。

3.3 方法概念本體建模

方法類概念主要是指在空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域中,求解該規(guī)劃問題時,所選用方法涉及到的概念,主要包括五類：規(guī)劃策略、規(guī)劃方法、規(guī)劃目標(biāo)、約束條件和結(jié)果方案。針對規(guī)劃過程中概念特征,建立方法類概念本體。

3.3.1 約束本體

約束概念定義：在任務(wù)規(guī)劃過程中面臨一系列約束條件,約束的產(chǎn)生主要來源于兩個方面,分別是任務(wù)需求和空間站資源約束。每一項約束本體定義為式(18)：

其中,CO_AttributeSet為約束本體屬性集合,在建模過程中不考慮各個約束的相互作用關(guān)系。

對約束本體的屬性定義如式(19)所示。

其中,CID為約束特有的編號,用于與其他約束進(jìn)行區(qū)分；CName為約束的名稱,用于表達(dá)約束的意義；CType為約束的類型,主要分為時間約束(CTime)、關(guān)系約束(CRelation)、資源約束(CRe?source)和設(shè)備約束(CDevice)；CNote是備注說明。

3.3.2 規(guī)劃策略本體

規(guī)劃策略定義：在空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域中,規(guī)劃策略是指沖突化解策略,如果方案中產(chǎn)生違反約束的沖突時,依據(jù)沖突類型,采用合適的沖突化解策略進(jìn)行化解。規(guī)劃策略本體定義為式(20)：

其中,SO_AttributeSet為規(guī)劃策略的本體屬性集合,在建模過程中不考慮各個策略之間的相互作用關(guān)系。

對規(guī)劃策略本體的屬性定義如式(21)所示。

其中,SID為規(guī)劃策略的編號；SName為規(guī)劃策略名稱；SType為規(guī)劃策略類型,與約束條件類型相對應(yīng)；SNote是備注說明。

3.3.3 規(guī)劃目標(biāo)本體

規(guī)劃目標(biāo)定義：指規(guī)劃過程中滿足規(guī)劃需求的目標(biāo)函數(shù),目標(biāo)函數(shù)包括方案優(yōu)先級之和最大、收益性之和最大以及穩(wěn)定性最好等。

規(guī)劃目標(biāo)本體定義為式(22)：

其中,OO_AttributeSet為規(guī)劃目標(biāo)的本體屬性集合,在建模過程中不考慮各個規(guī)劃目標(biāo)的相互作用關(guān)系。

對規(guī)劃目標(biāo)本體的屬性定義如式(22)所示。

其中,OID為規(guī)劃目標(biāo)的編號；OName為規(guī)劃目標(biāo)名稱；ONote是備注說明。

3.3.4 規(guī)劃方法本體

規(guī)劃方法定義：規(guī)劃方法是采用一定的方法,合理地安排任務(wù)活動時間,有效地分配資源和設(shè)備,以滿足任務(wù)需求。針對短期任務(wù)規(guī)劃特點,采用時間迭代,啟發(fā)式進(jìn)化算法求解問題。規(guī)劃方法本體定義為式(24)：

其中,MeO_AttributeSet為規(guī)劃方法的本體屬性集合,不考慮各個方法之間的相互作用關(guān)系。

對規(guī)劃方法本體的屬性定義如式(25)所示。

其中,MeID為規(guī)劃方法的編號；MeName為規(guī)劃方法名稱；MeNote是備注說明。

3.3.5 結(jié)果方案本體

結(jié)果方案定義：指最終得到滿足規(guī)劃需求的可行規(guī)劃方案。

結(jié)果本體定義為式(26)：

其中,MissionPlan為任務(wù)執(zhí)行方案；DevSchema為設(shè)備分配方案；ResSchema為資源分配方案；On?BoardPlan為航天員在軌操作計劃。

4 描述示例

本節(jié)通過實際任務(wù),利用所建立的模型對領(lǐng)域相關(guān)的對象概念進(jìn)行描述,并利用XML描述語言進(jìn)行描述,驗證本文提出的本體模型的有效性。

考慮兩個任務(wù),分別是貨運補給任務(wù)和微重力實驗任務(wù)。空間站上有三名航天員駐留,空間站用于任務(wù)的額定功耗為8000 W,額定散熱為5000 W,帶寬資源8 Mb。

貨運補給任務(wù)：貨運飛船與空間站進(jìn)行交會對接,然后進(jìn)行燃料在軌加注。執(zhí)行此項任務(wù)時,需要三名航天員共同完成。交會對接時間為一個小時,在軌加注時間為兩個小時。在貨運補給過程中,需要對空間站姿態(tài)進(jìn)行不斷地調(diào)整。貨運補給任務(wù)執(zhí)行的時間范圍在周一8時至周一22時之間。任務(wù)的執(zhí)行需要帶寬4 Mb。

微重力實驗任務(wù)：在微重力實驗設(shè)備中,有一名航天員進(jìn)行實驗,實驗時間為兩個小時。實驗過程中,要有持續(xù)穩(wěn)定的微重力環(huán)境。微重力實驗任務(wù)執(zhí)行的時間范圍在周一8時至周一22時之間。任務(wù)的執(zhí)行需要帶寬2 Mb。

4.1 領(lǐng)域本體對象模型描述

根據(jù)貨運補給任務(wù)和微重力任務(wù)特點,對領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)概念進(jìn)行分析,主要的對象概念包括兩項任務(wù)、三項活動、四項設(shè)備和三類資源。其中,貨運補給任務(wù)包含交會對接活動和在軌加注活動,這兩項活動的執(zhí)行由航天員A、航天員B和航天員C完成,活動期間需要帶寬資源保障通信；微重力實驗任務(wù)包含一項活動,即微重力實驗活動,該活動由航天員A和微重力設(shè)備完成,活動期間需要帶寬資源保障通信。具體概念信息如表3所示,各項對象概念的關(guān)系如表4所示。

4.2 對象概念本體模型描述

按照本文研究給出的對象概念本體描述各項概念及概念內(nèi)關(guān)系。

4.2.1 任務(wù)本體描述

表3 領(lǐng)域本體概念集合Table 3 Domain ontology object concept set

表4 領(lǐng)域本體關(guān)系集合Table 4 Domain ontology relationship set

針對任務(wù)本體,描述了任務(wù)的類型,優(yōu)先級、收益性和任務(wù)執(zhí)行的時間區(qū)間,如表5所示。由于貨運補給任務(wù)全程需要對姿態(tài)進(jìn)行控制,所以不能與微重力實驗任務(wù)同時執(zhí)行,如表6所示。

表5 任務(wù)本體屬性集合Table 5 Mission ontology attribute set

表6 任務(wù)本體關(guān)系集合Table 6 Mission ontology relationship set

4.2.2 活動本體描述

針對活動本體,描述了貨運補給任務(wù)和微重力實驗任務(wù)中包含的活動屬性,主要包括活動時長和帶寬資源等,活動的開始時間在規(guī)劃結(jié)束后獲得,活動本體屬性集合如表7所示。在貨運補給任務(wù)中,在軌加注任務(wù)必須在交會對之后發(fā)生,所以交會對接任務(wù)為在軌加注活動的先驗活動,如表8所示。

表7 活動本體屬性集合Table 7 Activity ontology attribute set

表8 活動本體關(guān)系集合Table 8 Activity ontology relationship set

4.2.3 設(shè)備本體描述

在貨運補給任務(wù)和微重力實驗任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域中,涉及到的設(shè)備包括三名航天員和一項微重力設(shè)備,航天員作為特殊的設(shè)備,其類型為未知,同時航天員的散熱、氧氣和水的消耗屬于駐留必備資源,不在規(guī)劃考慮范圍,所以航天員在執(zhí)行任務(wù)所需的散熱、氧氣和水的參數(shù)值為0,如表9所示。

4.2.4 資源本體描述

為了完成貨運補給任務(wù)和微重力實驗任務(wù),需要三類資源進(jìn)行支持保障,資源本體屬性集合如表10所示。

表9 設(shè)備本體屬性集合Table 9 Device ontology attribute set

表10 資源本體屬性集合Table 10 Resource ontology attribute set

4.3 XML語言描述

4.2節(jié)給出了示例任務(wù)的對象概念本體模型,這些對象概念本體中的信息需要按照一定的格式進(jìn)行語言描述,便于對象概念本體模型與方法概念本體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

本體的描述語言有多種,例如XML語言和RDF語言等,為了便于數(shù)據(jù)信息的交互,本文采用XML語言描述領(lǐng)域本體模型和對象概念本體模型。本節(jié)利用XML語言示范地描述了貨運補給任務(wù),如圖2所示。XML示例表明,采用XML語言描述所建立對象概念本體模型是合理可行的。

4.4 方法概念本體模型描述

結(jié)合3.3節(jié)內(nèi)容,給出了針對貨運補給任務(wù)和微重力實驗任務(wù)的方法概念本體模型描述,并結(jié)合4.2節(jié)對象概念模型,給出了一種問題的解決方案。

4.4.1 約束本體描述

依據(jù)貨運補給任務(wù)和微重力實驗任務(wù)特點及規(guī)劃需求特性,存在的約束包括設(shè)備約束和關(guān)系約束。設(shè)備約束主要是指航天員在同一時刻只能完成一項任務(wù)；關(guān)系約束是指貨運補給任務(wù)與微重力實驗任務(wù)的關(guān)系為互斥關(guān)系,不能同時發(fā)生,示例的約束本體描述如表11所示。

圖2 XML語言描述Fig.2 XML Language description

表11 約束本體集合Table 11 Constraint ontology set

4.4.2 規(guī)劃策略本體描述

在示例任務(wù)中,所需的規(guī)劃策略包括設(shè)備策略和關(guān)系策略。當(dāng)產(chǎn)生與設(shè)備相關(guān)的沖突時,采用設(shè)備策略；當(dāng)產(chǎn)生與關(guān)系相關(guān)的沖突時,采用關(guān)系策略。

根據(jù)所建立規(guī)劃策略本體模型,示例中的規(guī)劃策略本體描述如表12所示。

表12 規(guī)劃策略本體集合Table 12 Planning strategy ontology set

4.4.3 規(guī)劃目標(biāo)本體描述

在解決示例任務(wù)規(guī)劃問題時,選取優(yōu)先級之和最大作為規(guī)劃目標(biāo)。規(guī)劃目標(biāo)的本體描述如表13所示。

表13 規(guī)劃目標(biāo)本體Table 13 Planning objective ontology

4.4.4 規(guī)劃方法本體描述

基于4.3節(jié)所建立的XML描述信息,采用時間迭代方法作為規(guī)劃方法,解決示例任務(wù)規(guī)劃問題,規(guī)劃方法的本體描述如表14所示。

表14 規(guī)劃方法本體Table 14 Planning method ontology

4.4.5 規(guī)劃方案本體描述

根據(jù)給出的約束條件、規(guī)劃策略、規(guī)劃目標(biāo)和規(guī)劃方法,最終得到規(guī)劃方案,任務(wù)執(zhí)行方案、設(shè)備分配方案、資源分配方案和航天員在軌操作計劃分別如圖3～圖6所示。

圖3 任務(wù)執(zhí)行方案甘特圖Fig.3 Gantt of the mission executable plan

圖4 設(shè)備分配甘特圖Fig.4 Gantt of the device assignment

圖5 資源分配曲線Fig.5 Time history of the resource condition

圖6 航天員在軌操作計劃Fig.6 Astronaut on-board plan

第4節(jié)通過示例任務(wù),給出了本體模型描述,利用模型中的信息和方法,解決了示例任務(wù)的規(guī)劃問題。

5 結(jié)論

本文通過對空間站短期任務(wù)規(guī)劃問題的分析,梳理了短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域特點,歸納總結(jié)了領(lǐng)域建模需求。引入本體理論,給出了一種空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域概念建模方法,分別建立了規(guī)劃領(lǐng)域本體模型、對象概念本體模型和方法概念本體模型,最后通過在貨運補給與微重力實驗兩類任務(wù)上的成功應(yīng)用描述示例驗證了所建立模型的兼容性和有效性。本文提出的建模方法可以滿足空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域中的問題描述需求和數(shù)據(jù)交互共享需求,為進(jìn)一步解決空間站短期任務(wù)規(guī)劃問題打下基礎(chǔ)。

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Modeling of Space Station Short-Term Mission Planning Domain Based on Ontology Theory

BU Huijiao1，ZHANG Jin1，LUO Yazhong1*，ZHOU Jianping2
（1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.China Manned Space Agency，Beijing 100720，China）

Abstract：The planning domain modeling is a key technology for the space station short-term mission planning（STMP）.According to the analysis of the space station STMP problem by comparison，the characteristics of STMP domain were sorted out，and the demands on domain modeling were summarized.Based on the ontology theory，the planning domain ontology model，object concept ontology model and method concept ontology model for the STMP were developed respectively，and then the domain system of STMP was built and the concepts and their relations were described formally.Finally，the effectiveness of the proposed model was validated through the successful application to the cargo supply mission and microgravity experiment mission.

Key words：space station；short-term mission planning；modeling；ontology theory

*通訊作者：羅亞中(1979-),男,博士,教授,研究方向為載人航天任務(wù)規(guī)劃。E-mail：luoyz＠nudt.edu.cn

作者簡介：卜慧蛟(1986-),男,博士研究生,研究方向為空間站短期任務(wù)規(guī)劃研究。E-mail：bu_huijiao＠163.com

基金項目：湖南省自然科學(xué)基金(2015JJ3020)；國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研計劃(JC14-01-05)；載人航天預(yù)先研究項目(010103)

收稿日期：2015-05-04；修回日期：2016-02-04

中圖分類號：V412

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-5825（2016）02-0191-11