邱冬陽，卜慧蛟，王 帥，王功波，羅亞中?

（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.載人航天總體研究論證中心，北京100094）

空間站運營在軌任務(wù)并行規(guī)劃技術(shù)研究

邱冬陽1，卜慧蛟1，王 帥2，王功波2，羅亞中1?

（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.載人航天總體研究論證中心，北京100094）

空間站運營任務(wù)規(guī)劃技術(shù)是空間站長期穩(wěn)定運營的核心技術(shù)。面向我國空間站建設(shè)運營需求，對空間站運營任務(wù)層建模與規(guī)劃技術(shù)進行了研究。針對任務(wù)層規(guī)劃任務(wù)類型多樣、約束復(fù)雜及資源受限等問題，基于約束滿足理論，建立了任務(wù)層規(guī)劃模型；同時針對任務(wù)層規(guī)劃問題規(guī)模大、耦合性強及難于求解的特性，提出了一種任務(wù)層規(guī)劃問題并行求解方法。仿真結(jié)果表明，本文提出的并行求解方法相較傳統(tǒng)的串行規(guī)劃算法加速比可達14.19，能有效快速求解空間站運營任務(wù)層規(guī)劃問題。研究結(jié)論可為我國空間站運營相關(guān)規(guī)劃系統(tǒng)研制提供參考。

空間站；運營；任務(wù)規(guī)劃；并行計算

1 引言

從1971年4月19日，前蘇聯(lián)成功發(fā)射世界上第一個試驗空間站“禮炮1號”至今，世界上已成功發(fā)射了十余座空間站［1］。經(jīng)過40余年的發(fā)展，美國、俄羅斯及歐洲等國相繼突破和掌握了一系列空間站核心工程技術(shù)，開發(fā)了相應(yīng)的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)并在空間站上得到了成功運用。

2020年前后我國將建成并運營近地空間站［2］，目前我國的空間站工程正處于起步階段，開展空間站運營在軌任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究、掌握相關(guān)技術(shù)，對空間站的長期穩(wěn)定安全運營具有重要意義。

空間站運營在軌任務(wù)規(guī)劃不同于一般航天器任務(wù)規(guī)劃，其涵蓋的規(guī)劃對象和內(nèi)容更為廣泛，任務(wù)周期長，規(guī)劃工作更繁重、難度更大。借鑒當前國際上常用的空間站任務(wù)規(guī)劃層次劃分方法，可將我國空間站運營在軌任務(wù)規(guī)劃劃分為戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、任務(wù)和執(zhí)行四個層次［3?4］。目前，國內(nèi)一些學(xué)者對空間站戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)及執(zhí)行層任務(wù)的建模與規(guī)劃技術(shù)進行了研究［4?8］?？臻g站運營任務(wù)層規(guī)劃主要面向兩次載人飛船訪問間隔時間內(nèi)的任務(wù)規(guī)劃，具有規(guī)劃任務(wù)種類多樣、約束復(fù)雜及需求多樣的特性，目前的規(guī)劃模型和算法不能直接有效應(yīng)用于任務(wù)層規(guī)劃領(lǐng)域，還需進一步研究任務(wù)層規(guī)劃的建模方法和規(guī)劃算法。

在前期針對任務(wù)層規(guī)劃算法的研究中，由于未充分考慮任務(wù)層規(guī)劃數(shù)據(jù)規(guī)模龐大的問題，導(dǎo)致在使用傳統(tǒng)優(yōu)化算法求解時，計算效率低，計算資源占用量大，無法以合理的時間代價求得可行解。如何提高算法求解效率，是下一步亟待解決的關(guān)鍵問題。

針對上述問題，本文對空間站運營任務(wù)層規(guī)劃的建模與規(guī)劃技術(shù)展開研究，構(gòu)建了面向工程實際的任務(wù)層規(guī)劃模型，同時借助并行計算技術(shù)，提出了能夠有效提高規(guī)劃效率的任務(wù)層規(guī)劃問題并行求解方法。

2 任務(wù)層規(guī)劃模型

2.1 規(guī)劃問題分析

空間站運營任務(wù)層規(guī)劃的規(guī)劃周期一般在6個月左右（1個任務(wù)周期）。主要依據(jù)戰(zhàn)術(shù)層規(guī)劃方案和當前空間站運營狀態(tài)，結(jié)合任務(wù)設(shè)計者的目標期望，在滿足空間站各項約束并保證其安全平穩(wěn)運營的前提下，制定某次載人飛行任務(wù)周期內(nèi)的在軌任務(wù)的編排方案，輸出以月為單位的在軌操作概要［4，9］。

空間站在軌任務(wù)規(guī)劃涉及到任務(wù)、活動、設(shè)備和資源等多個要素。其任務(wù)通常由一個或多個活動構(gòu)成，活動按照其規(guī)定的次序，由航天員操作空間站站上設(shè)備及使用相關(guān)資源完成。相較于其它規(guī)劃層次，任務(wù)層規(guī)劃涉及到的在軌任務(wù)種類更為多樣，除了常規(guī)的軌道姿態(tài)控制任務(wù)外，還包括空間站平臺管理維護、航天員操作、空間載荷應(yīng)用等，同時，任務(wù)層規(guī)劃具有更細的規(guī)劃粒度，其規(guī)劃周期內(nèi)包含幾百至上千個任務(wù)。

由于空間站運營所處特殊的內(nèi)外部環(huán)境，各項任務(wù)的執(zhí)行將受到空間站姿態(tài)、設(shè)備功耗、散熱、在軌資源（水、氧氣、氮氣等）及天地通信數(shù)據(jù)窗口等約束的限制，一些任務(wù)的執(zhí)行還需考慮任務(wù)內(nèi)部活動間的邏輯關(guān)系約束等。此外，空間站運營任務(wù)層規(guī)劃的顯著特點是在任務(wù)規(guī)劃周期內(nèi)長期有航天員駐留，任務(wù)的安排還需考慮航天員的安全及生理作息規(guī)律的約束。

綜上，空間站運營任務(wù)層規(guī)劃問題是一個規(guī)劃內(nèi)容多樣、約束復(fù)雜、耦合性強的大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)規(guī)劃問題。

2.2 規(guī)劃模型

空間站運營任務(wù)層規(guī)劃問題是在各種約束限制下，有效調(diào)度在軌資源，合理安排每個活動的執(zhí)行時間，本質(zhì)上是一個約束滿足問題。本文在卜慧蛟等對空間站在軌任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域建模研究的基礎(chǔ)上［8］，建立了任務(wù)層規(guī)劃模型如式（1）：

其中，V為規(guī)劃變量集合，D為變量域集合，C為約束集合，F(xiàn)為目標函數(shù)集合。

1）規(guī)劃變量集合

將規(guī)劃任務(wù)中第一個活動的開始時間作為規(guī)劃設(shè)計變量，如式（2）所示：

其中，n是規(guī)劃任務(wù)數(shù)。

2）變量域集合

每個規(guī)劃變量的取值都在相應(yīng)任務(wù)的最早開始時間和最晚結(jié)束時間范圍內(nèi)，如式（3）所示：

其中，EarStaTimei和LatEndTimei分別是第i個任務(wù)的最早開始時間和最晚結(jié)束時間。

3）約束集合

（1）額定功率約束模型

某一時刻執(zhí)行活動的總功率值不得超過空間站額定功率，如式（4）所示：

其中，t是當前時刻，N是當前時刻執(zhí)行活動的個數(shù)，Mn是活動Activityn在當前時刻t執(zhí)行所需設(shè)備數(shù)，Power是設(shè)備運行所需功率，W是空間站額定功率。

（2）額度通信帶寬約束模型

某一時刻執(zhí)行活動的總需帶寬不得超過空間站額定通信帶寬，如式（5）所示：

其中，Bandwidth是活動執(zhí)行所需通信帶寬，BD是空間站額定通信帶寬。

（3）在軌航天員人時約束模型

任務(wù)規(guī)劃時，保證活動的執(zhí)行時間在航天員的工作時間內(nèi)，盡可能避免占用航天員休息時間，如式（6）所示：

其 中，Activityi.StartTime和Activityi.EndTime分別是航天員i參與執(zhí)行活動的開始時間 和結(jié)束時間， CrewiWorkTimeStart和

CrewiWorkTimeEnd是航天員每天工作開始時間和工作結(jié)束時間。

（4）活動間先驗關(guān)系約束模型

多活動任務(wù)的執(zhí)行需要滿足其活動間的先驗關(guān)系約束，這里定義了“先于（before）”、“同時（e?qual）”和“延后（after）”三種類型，如式（7）所示：

其中，ActivityA是 ActivityB的先驗活動，TimeNode是時間節(jié)點，RaletionType是先驗關(guān)系類型。先驗關(guān)系描述如圖1所示。

圖1 先驗關(guān)系描述Fig.1 The description of precedence relationship

4）目標函數(shù)集合

優(yōu)先級是評價任務(wù)重要性的一個重要指標，在空間站運營過程中希望重要任務(wù)盡可能多的得到執(zhí)行，因此，將規(guī)劃方案中任務(wù)優(yōu)先級收益最大設(shè)定為目標函數(shù)，如式（8）所示：

其中，U是規(guī)劃方案中任務(wù)總數(shù)。

3 任務(wù)層規(guī)劃問題并行求解方法

智能優(yōu)化算法是求解規(guī)劃與調(diào)度問題的有效方法。由于任務(wù)層規(guī)劃問題具有變量規(guī)模大、約束復(fù)雜、搜索區(qū)間大等特性，在使用傳統(tǒng)智能優(yōu)化算法進行優(yōu)化求解時，算法難于收斂，無法在合理的時間代價內(nèi)求得最優(yōu)解，只能在計算時間和規(guī)劃效果上進行折衷。

并行計算（Parallel Computing）是指同時利用多種計算資源解決問題的過程，在求解大規(guī)模復(fù)雜規(guī)劃問題上具有顯著優(yōu)勢［10］。為了有效求解任務(wù)層規(guī)劃問題，借助并行計算技術(shù)，提出一種任務(wù)層規(guī)劃問題并行求解方法。

3.1 并行規(guī)劃策略

3.1.1 任務(wù)并行規(guī)劃

任務(wù)并行規(guī)劃，即根據(jù)問題特性，找到其內(nèi)在的并行性，在此基礎(chǔ)上，將規(guī)劃任務(wù)分解成若干個相互獨立的子任務(wù)，同時對多個子任務(wù)進行并行規(guī)劃，以提高計算效率［11］。

任務(wù)分解是任務(wù)并行規(guī)劃的核心，由2.1節(jié)知，任務(wù)層規(guī)劃主要考慮任務(wù)內(nèi)部活動的先驗關(guān)系約束，其各任務(wù)間具有相互獨立性。因此，可將整個任務(wù)周期，按照設(shè)計者的規(guī)劃需求，以特定的時間步長，劃分成若干個子任務(wù)周期，同時對各子任務(wù)周期內(nèi)的在軌任務(wù)進行規(guī)劃。

1）任務(wù)周期分解

任務(wù)層規(guī)劃的任務(wù)周期跨度為一個月至幾個月不等，為了充分利用并行計算資源，考慮將整個任務(wù)周期根據(jù)可調(diào)用的并行計算CPU數(shù)目進行分解，子任務(wù)規(guī)劃周期如式（9）所示：

其中，Interval為子任務(wù)規(guī)劃時間，EndTerm和StartTerm分別為原任務(wù)周期的開始時間和結(jié)束時間，n（CPU）為并行計算CPU數(shù)目。

由此得到n個子任務(wù)周期，其中第i個子任務(wù)周期的規(guī)劃時間區(qū)間為：

2）在軌任務(wù)并行規(guī)劃

根據(jù)各子任務(wù)周期的規(guī)劃時間區(qū)間，搜索在該區(qū)間執(zhí)行的在軌任務(wù)，構(gòu)成各子任務(wù)周期的規(guī)劃任務(wù)集合，將其分配給多個CPU進行并行規(guī)劃，從而達到縮小算法搜索空間、減小求解問題的規(guī)模的目的。

3.1.2 算法改進

考慮任務(wù)層規(guī)劃問題約束復(fù)雜，為提高算法收斂性能，結(jié)合遺傳算法，提出一種采用約束沖突修復(fù)策略的改進遺傳算法，算法流程如圖2。

算法中，每個個體代表一個任務(wù)規(guī)劃方案，在初始化種群后，通過約束沖突修復(fù)策略，基于時間線，檢測方案的約束滿足情況，從有約束沖突的不可行初始解開始，迭代性地進行修復(fù)，以減少沖突數(shù)目，最后得到無沖突的可行解。

圖2 改進遺傳算法流程圖Fig.2 Flow chart of improved GA

約束沖突修復(fù)流程：

Step 1：根據(jù)初始任務(wù)規(guī)劃方案，設(shè)定迭代開始時間t＝t0，t0為子規(guī)劃周期的規(guī)劃開始時刻，按設(shè)定的時間步長Step對方案仿真推進；

Step 2：判斷所有任務(wù)在當前時刻t的執(zhí)行情況，根據(jù)執(zhí)行狀態(tài)，對相應(yīng)的資源進行調(diào)度，從而獲得當前時刻的執(zhí)行任務(wù)集合和資源集合；

Step 3：根據(jù)空間站約束條件，檢測當前時刻任務(wù)方案的約束滿足情況；

Step 4：如果方案存在約束沖突，則在執(zhí)行任務(wù)集合中，根據(jù)規(guī)劃決策準則，推遲或取消一個任務(wù)，放入未執(zhí)行任務(wù)集合中，同時在資源集合中釋放該任務(wù)占用的資源；反之則執(zhí)行Step 5；

Step 5：判斷當前時刻是否小于該子規(guī)劃周期的規(guī)劃結(jié)束時間，若小于則執(zhí)行Step 2；反之迭代終止。

3.2 并行計算實現(xiàn)

3.2.1 并行環(huán)境分析

當前比較流行的并行計算環(huán)境可以分為三類：共享式存儲、消息傳遞和數(shù)據(jù)并行［12］。由于數(shù)據(jù)并行環(huán)境僅適用于數(shù)據(jù)并行問題，對于非數(shù)據(jù)并行類的問題，如果通過數(shù)據(jù)并行的方式來解決，一般難以取得較高的效率。結(jié)合求解問題特性，并綜合考慮規(guī)劃算法基本框架及進一步算法集成的單機運行環(huán)境，主要采用共享式存儲和消息傳遞兩種并行環(huán)境實現(xiàn)并行計算。

OpenMP（Open Multi?Processing）和MPI（Mes?sage Passing Interface）是兩種并行計算環(huán)境的典型代表，均可調(diào)用高性能計算機自身的多核計算資源，即實現(xiàn)基于單機系統(tǒng)的并行計算，其主要特征分析見表1。

表1 并行計算環(huán)境主要特征Table 1 Main features of parallel computing environment

OpenMP實現(xiàn)簡單，直接將原串行算法中具有并行性的部分進行并行化，其創(chuàng)建的各線程間無需通信，節(jié)省了消息傳遞帶來的時間開銷，是實現(xiàn)并行計算的理想方法［13］。但在實際算法并行改造過程中，由于任務(wù)層規(guī)劃問題各變量間數(shù)據(jù)相關(guān)性強，其共享式存儲機制導(dǎo)致線程間極易出現(xiàn)內(nèi)存搶占現(xiàn)象，同時規(guī)劃算法中約束沖突修復(fù)策略本身所具有的串行特性導(dǎo)致算法無法有效運用OpenMP進行并行化改造。

MPI應(yīng)用較為復(fù)雜，需對原有串行算法進行良好的并行結(jié)構(gòu)設(shè)計，但其可有效解決OpenMP并行實現(xiàn)過程中遇到的問題，同時MPI具有良好的可擴展性，可為下一步空間站運營任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)開發(fā)大規(guī)模并行計算平臺奠定基礎(chǔ)。因此，采用MPI實現(xiàn)對任務(wù)層規(guī)劃問題并行求解。

3.2.2 并行程序設(shè)計

1）MPI并行程序設(shè)計

MPI根據(jù)各進程間執(zhí)行關(guān)系可分為主從式并行和對等式并行兩種并行模式，主從式并行即主進程根據(jù)特定算法對問題進行分解后分配子任務(wù)到各從進程，不擔(dān)任具體的運算任務(wù)，接收各從進程的計算結(jié)果；對等式并行模式即在任務(wù)分解后，主從進程均分配得到子任務(wù)進行規(guī)劃計算［11］。

基于3.1.1節(jié)提出的任務(wù)并行規(guī)劃方法，采用MPI對等并行模式及塊分配的任務(wù)分配策略（將總?cè)蝿?wù)連續(xù)分成若干個任務(wù)塊，每個處理器負責(zé)一個塊的計算），根據(jù)任務(wù)規(guī)劃需求，啟動與子任務(wù)周期數(shù)相同個數(shù)的進程，各進程分配一個規(guī)劃任務(wù)，同時調(diào)用規(guī)劃算法對問題進行優(yōu)化求解，使各進程間負載均衡，降低消息傳遞時間開銷，以獲得最大的加速性能。并行規(guī)劃流程見圖3。

2）加速比分析

加速比（speedup）是衡量并行程序加速性能的重要指標，其計算公式如式（11）所示：

其中，Ts和Tp分別為程序串行和并行的計算時間。

（1）串行計算時間

串行計算即在空間站全任務(wù)周期下開展的規(guī)劃計算，其規(guī)劃時間的計算公式如式（12）所示：

其中，tpretreatment為規(guī)劃信息讀取，任務(wù)分配等規(guī)劃預(yù)處理操作時間開銷，tmissionplan為任務(wù)規(guī)劃時間開銷。

規(guī)劃時間主要取決于算法計算時間，設(shè)Gmax為遺傳算法最大進化代數(shù)，Psize為種群規(guī)模，為一次迭代計算的平均時間，則規(guī)劃時間如式（13）所示：

由于算法采用了基于時間迭代的約束沖突修復(fù)策略，在迭代時間步長一定的情況下，其規(guī)劃時間受任務(wù)周期和規(guī)劃任務(wù)數(shù)的影響。

（2）并行計算時間

通過并行程序設(shè)計，知各進程間無通信時間開銷，根據(jù)3.1節(jié)的并行規(guī)劃策略，對任務(wù)周期進行分解后，其各子任務(wù)周期的規(guī)劃時間區(qū)間和規(guī)劃任務(wù)數(shù)均近似為原來的1/n（CPU）。各子規(guī)劃周期同時計算，則并行計算時間如式（14）所示：

加速比為：

當tmissionplan》tpretreatment時，S≈n2（CPU），即最大加速比可近似達到并行計算CPU數(shù)目的平方。

圖3 并行規(guī)劃流程Fig.3 Parallel planning process

4 算例仿真及結(jié)果分析

4.1 問題配置

以我國空間站運營為背景，設(shè)定任務(wù)周期為2023年9月1日—2023年12月31日，駐留2人。參考國際空間站運營需求，需規(guī)劃的任務(wù)包含空間站例行維護維修、空間生物技術(shù)實驗、醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究及觀測科學(xué)研究等，共9大類，3127項子任務(wù)，其任務(wù)分布如圖4所示。表2展示了一個典型的任務(wù)模型描述實例。

圖4 任務(wù)分布Fig.4 Distribution of mission

表2 任務(wù)模型描述Table 2 Description of mission model

任務(wù)的優(yōu)先級共分為5級，其中1、2級任務(wù)為保證航天員安全駐留和空間站正常運營的關(guān)鍵任務(wù)，必須執(zhí)行；3到5級任務(wù)主要為空間應(yīng)用類任務(wù)，在空間站資源受限的情況下，希望該類任務(wù)盡可能多的完成，以提高空間站的運營收益。本文以任務(wù)優(yōu)先級作為規(guī)劃決策準則，即當發(fā)生約束沖突時，優(yōu)先保證優(yōu)先級較高的任務(wù)執(zhí)行。

表3給出了在軌航天員信息。這里定義航天員休息事件的優(yōu)先級為3，優(yōu)先級大于3的任務(wù)可以占用航天員休息時間，以保證空間站交會對接、加注及艙外實驗等重要任務(wù)的執(zhí)行。

表3 在軌航天員信息Table 3 On?orbit astronaut information

設(shè)定空間站額定功率為3200 W，額定通信帶寬為600 Mbps。規(guī)劃算法參數(shù)及并行環(huán)境配置分別見表4和表5。

表4 算法參數(shù)配置Table 4 Algorithm parameter configuration

表5 并行環(huán)境配置Table 5 Parallel environment configuration

4.2 結(jié)果分析

由于任務(wù)周期跨度為4個月，因此考慮將任務(wù)周期分解成4個子任務(wù)周期，同時調(diào)用4個CPU進行并行計算。表6和圖5分別給出了并行計算的加速效果和并行計算時CPU使用情況。

表6 CPU并行程序加速效果Table 6 Speed?up of CPU parallel program

圖5 CPU使用情況Fig.5 CPU usage

根據(jù)3.2.2節(jié)的加速比分析，當n（CPU）＝4時，其理想加速比S≈16，但在實際規(guī)劃過程中由于受到規(guī)劃預(yù)處理等操作時間開銷的影響，實際加速比達到了14.19。由此可知，本文提出的并行規(guī)劃策略可有效快速求解任務(wù)層規(guī)劃問題。

任務(wù)層規(guī)劃獲得的是以月為單位的空間站每天的執(zhí)行任務(wù)列表，但不精確到任務(wù)具體執(zhí)行時刻。由于任務(wù)數(shù)據(jù)量過大，表7以航天員 A在2023年9月1日的執(zhí)行任務(wù)列表為例展示了典型的任務(wù)層規(guī)劃結(jié)果方案。

表7 2023年9月1日任務(wù)列表（航天員A）Table 7 2023?09?01 mission list（Astronaut A）

規(guī)劃結(jié)果方案均滿足空間站各項約束要求。圖6展示了不同優(yōu)先級任務(wù)的完成情況如，其中優(yōu)先級1、2級的任務(wù)完成率達100%，保證了在軌航天員安全駐留及空間站平臺的正常運行；3到5級任務(wù)的完成率分別達到92%、99%和73%，實現(xiàn)了較高的空間應(yīng)用收益，其任務(wù)未執(zhí)行的主要原因是航天員工作人時、電能、設(shè)備及帶寬等資源不滿足任務(wù)的執(zhí)行需求?？臻g站工程總體將根據(jù)任務(wù)層規(guī)劃得到的任務(wù)初步執(zhí)行方案及工程目標，對未執(zhí)行任務(wù)需求進行調(diào)整，最終確定滿足工程要求的任務(wù)執(zhí)行方案。

圖6 不同優(yōu)先級任務(wù)的完成情況Fig.6 The completion of different priority missions

5 結(jié)論

經(jīng)驗證本文建立的規(guī)劃模型，能有效描述多類型任務(wù)、復(fù)雜約束以及多樣化需求的空間站運營任務(wù)層規(guī)劃問題，提出的基于MPI并行計算的任務(wù)層規(guī)劃問題并行求解方法能夠充分利用計算資源，獲得良好的運行加速比，快速求得問題可行解，可為我國研制空間站運營相關(guān)規(guī)劃系統(tǒng)提供參考。

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［1］Popov A.Mission planning on the International Space Station program concepts and systems［C］//IEEE Aerospace confer?ence，2003：3427?3434.

［2］周建平.我國空間站工程總體構(gòu)想［J］.載人航天，2013，19（2）：1?10.Zhou Jianping.Chinese space station project overall vision［J］.Manned spaceflight，2013，19（2）：1?10.（in Chinese）.

［3］羅亞中，林鯤鵬，唐國金.空間站運營任務(wù)規(guī)劃技術(shù)評述［J］.載人航天，2012，18（2）：7?13.Luo Yazhong，Lin Kunpeng，Tang Guojin.Review on space station operation mission planning technology［J］.Manned spaceflight，2013，18（2）：7?13.（in Chinese）

［4］朱閱訸.空間站運營在軌事件與貨運補給規(guī)劃方法研究［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.Zhu Yehe.Study on Space Station Operation On?Board Events and Cargo Supplying Planning Approach［D］.Changsha：Na?tional University of Defiance Technology，2014.（in Chinese）

［5］李志海，侯永青，嚴厚民，等.空間站長期運營任務(wù)規(guī)劃建模初步研究［J］.載人航天，2013，19（5）：52?58.Li Zhihai，Hou Yongqing，Yan Houmin，et al.Preliminary modeling study on long?term operation mission planning of space station［J］.Manned spaceflight，2013，19（5）：52?58.（in Chinese）

［6］林鯤鵬.空間站長期運營總體任務(wù)規(guī)劃與仿真方法［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.Lin Kunpeng.Overall Mission Planning and Simulation Ap?proaches for Space Station Long?duration Operations［D］.Changsha：National University of Defiance Technology，2014.（in Chinese）

［7］Bu H J，Zhang J，Luo Y Z，et al.Multi?objective optimiza?tion of space station short?term mission planning［J］.SCI?ENCE CHINA Technological Sciences.2015，58（12）：2169?2185.

［8］卜慧蛟，張進，羅亞中，等.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［J］.載人航天，2016，22（2）：191?201.Bu Huijiao，Zhang Jin，Luo Yazhong，et al.Modeling of Space Station Short?Term Mission Planning Domain Based on Ontology Theory［J］.Manned spaceflight，2016，22（2）：191?201.（in Chinese）

［9］林鯤鵬.空間站運營總體任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.Lin Kunpeng.Study on Space Station Operation Mission Plan?ning Technology［D］.Changsha：National University of Defi?ance Technology，2010.（in Chinese）

［10］陳國良，孫廣中，徐云，等.并行計算的一體化研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.科學(xué)通報，2009，54（8）：1043～1049.Chen G L，Sun G Z，Xu Y，et al.Integrated research of par?allel computing：Status and future［J］.Chinese Sci Bull，2009，54（11）：1845?1853.（in Chinese）

［11］安竹林，基于MPI的并行遺傳算法研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.An Zhulin.Research on Parallel Genetic Algorithms Based on MPI［D］.Hefei：Hefei University of Technology，2006.（in Chinese）

［12］都志輝.高性能計算并行編程技術(shù)—MPI并行程序設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001：7?9.Du Zhihui.Parallel Programming technology for High Per?formance Computing?MPI parallel programming［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2001：7?9（in Chinese）

［13］陳樹敏，羅俊博，陳青.并行計算技術(shù)的幾種實現(xiàn)方式研究［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2015，25（9）：174?181.Chen Shumin，Luo Junbo，Chen Qing.Research on ways of parallel computing technology［J］.Computer Technology and Development，2015，25（9）：174?181.（in Chinese）

Research on Parallel Planning Technology for On?Board Mission Planning of Space Station Operation

QIU Dongyang1，BU Huijiao1，WANG Shuai2，WANG Gongbo2，LUO Yazhong1?
（1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.Manned Space System Research Center，Beijing 100094，China）

Mission planning of the space station operation is a key technology to keep the long?term steady on?orbit operation of a space station.In terms of the operation requirements of China's space station（CSS），the modeling and planning methods of the space station pre?increment planning were studied.The pre?increment planning model，combining the theory of constraint satisfaction，was es?tablished to deal with issues such as multi?type missions，complex constraints，limited resources et al.Considering the features including the great?scale of problems，strong coupling，and solving diffi?culties，a parallel planning method was proposed.The simulation results showed that the speed?up ratio of the parallel planning method was 14.58 as compared with the traditional serial algorithm，which could effectively solve the problem.The implication of the current research conclusion may provide references for the development of CSS operation system.

space station；operation；mission planning；parallel computing

V423.7

A

1674?5825（2016）06?0680?07

2016?05?30；

2016?10?25

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）

邱冬陽（1991－），女，碩士研究生，研究方向為空間站運營任務(wù)規(guī)劃。E?mail：gfkdqiu＠163.com

?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