一种基于资源互换的空间信息网络任务规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于资源互换的空间信息网络任务规划方法，包括以下步骤：1)初始化空间信息网络的基本参数；2)将规划周期划分为K个等长时隙，其中，各时隙的长度为τ，构造空间信息网络资源时变图G

【技术实现步骤摘要】
一种基于资源互换的空间信息网络任务规划方法
本专利技术属于空间信息
，涉及一种基于资源互换的空间信息网络任务规划方法。
技术介绍
空间信息网络是以卫星等空间平台为载体，可实时获取、传输和处理空间信息的网络系统，由于其具有覆盖面广、组网灵活、不受地理环境限制等显著优点，近年来在军事、民用领域发挥着重要的作用。但由于空间信息网络任务与资源的种类繁多，并且其在空间信息网络中的时空分布具有动态随机和非均匀特性，使得网络局部时段、空间内某种资源短缺的现象时有发生，从而导致网络中部分任务不能得到及时的处理，大大限制了空间信息网络的性能。面对不断增长的任务需求，如何合理地调度有限资源来及时解决大量的任务需求更得尤为重要。通过利用空间信息网络资源移动特性等固有性质以及软件无线定义载荷等新兴技术，可以实现闲置资源对稀缺资源替换或者转化，从而为提高资源利用效率、保障任务有效完成提供了条件。现阶段已有部分工作对资源互换、资源聚合等空间信息网络资源移动性机理展开研究，并基于空间信息网络资源互换的特性，提出网络资源的管理方法。然而，现有方法也存在一定不足之处：首先，这些方法仅仅定性的利用了空间信息网络资源互换特性，没有定量给出资源组合互换的条件；其次，网络资源以及任务需求的非连续性导致空间信息网络任务规划是一个复杂的组合优化问题，虽然资源互换大大增加资源组合与任务匹配的自由度，但另一面也大大增加了可行解空间的范围，从而显著增加了获得最优解的计算复杂度。而现有工作大多考虑卫星数目、资源种类有限简单场景，或者设计启发式算法将原组合优化问题，从时间或者任务执行阶段的维度将原问题拆分为多个子问题求解，而忽略资源之间的关联性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于资源互换的空间信息网络任务规划方法，该方法能够在提高任务完成率的同时降低任务规划的计算复杂度。为达到上述目的，本专利技术所述的基于资源互换的空间信息网络任务规划方法包括以下步骤：1)初始化空间信息网络的基本参数；2)将规划周期划分为K个等长时隙，其中，各时隙的长度为τ，构造空间信息网络资源时变图GK(V,A)，其中，V和A分别代表图中的顶点集合和资源弧的集合；3)对各任务omi∈OM的可行资源组合空间进行采样，将独立性大于等于n的资源组合集合Pi作为备选资源集合；4)计算各资源组合之间的冲突关系，并构造资源组合冲突图RCG(PC,EC)，PC及EC分别表示资源组合冲突图的顶点与边集合；5)求解资源组合冲突图中的最大独立集，完成基于备选资源组合的大尺度全局任务规划，得到全局规划结果；6)对全局规划结果的邻域进行搜索，再通过资源互换的方式完成任务规划方案的局部调整，完成基于资源互换特性的任务规划。空间信息网络的基本参数包括对地观测卫星集合OS、中继卫星集合RS、地面站集合GS、数据处理中心dc、观测目标集合OB、任务集合OM及规划周期T。步骤4)的具体操作为：4a)将集合Pse＝∪1≤i≤|OM|Pi中的备选资源组合添加为资源组合冲突图中的顶点；4b)当资源组合pi,k与pj,l存在冲突关系或满足i＝j且k≠l，则在资源组合冲突图的节点pi,k与pj,l之间添加边，其中，pi,k表示任务omi的第k个备选资源组合。步骤5)的具体操作为：5a)初始化5b)将资源组合冲突图的顶点集合PC中的所有顶点按照度由大到小进行排序，选择度最大的顶点p0；5c)将度最大的顶点p0加入到输出集合Psu中；5d)从顶点集合PC中删除顶点p0及所有与其相邻的顶点，并从集合EC中删除所有与所删除顶点关联的边；5e)当转至步骤5b)，否则，则输出集合Psu，并基于Psu获得已规划任务集合及已规划任务的资源分配方案。步骤6)的具体操作为：6a)获取资源时变图GK(V,A)和除去被已规划任务占用资源所代表资源弧的子图GK'(V',A')，获取已成功规划任务集合OMy及未规划任务集合OMw；6b)计算OMw中所有任务的资源短缺程度并由大到小排序；6c)初始化计数器n＝1；6d)对于OMw中第n个任务omn，通过资源互换的方式为其寻找闲置资源；6e)计数器n加1；6f)当n小于等于|OMw|，则转至步骤6d)；否则，则输出任务集合OMy。步骤6d)的具体操作为：6d1)寻找任务omn被已规划任务占用资源最少的可行资源组合Pdn，设Pzn表示Pdn中的被已规划任务占用资源集合；6d2)遍历所有资源弧a∈Pzn，对于占用资源弧a的任务fom(a)，通过资源互换的方式为其重新分配任务组合，使得a不再被占用，如果资源互换成功，则更新GK’(V’,A’)，并将资源a从资源集合PZn中删除，否则，则跳转至步骤6e)；6d3)在GK’(V’,A’)中寻找到的路径pn，同时更新GK’(V’,A’)，并将任务omn添加到已成功规划的任务集合OMy中。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的基于资源互换的空间信息网络任务规划方法在具体操作时，基于空间信息资源互换的机理，根据各任务资源的稀缺程度，将非稀缺资源对稀缺资源转换，使得稀缺资源得以释放，从而提高资源利用率，提升空间信息网络的任务执行效率。另外，基于资源时变图，将空间信息网络中任务规划问题转化为图论中的流问题，根据资源组合之间的关系，依照资源组合的独立程度，将任务规划过程划分为大尺度全局优化和小尺度局部调整两个阶段，使得整数线性规划问题得到简化，对各任务可行资源组合空间进行采样，以获得独立的资源组合集合，并以该集合作为优化空间进行全局任务规划，以降低全局优化的复杂度。附图说明图1为本专利技术使用的场景示意图；图2为本专利技术的整体流程示意图；图3为本专利技术中的资源时变图；图4为资源组合采样算法示意图；图5为本专利技术中的资源组合冲突图；图6为基于备选资源组合冲突关系完成大尺度全局任务规划算法示意图；图7为基于资源互换完成任务规划方案的局部调整算法示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参考图1及图2，本专利技术所述的基于资源互换的空间信息网络任务规划方法包括以下步骤：1)初始化空间信息网络的基本参数；空间信息网络的基本参数包括对地观测卫星集合OS＝{os1,os2,...}、中继卫星集合RS＝{rs1,rs2,...}、地面站集合GS＝{gs1,gs2,...}、数据处理中心dc、观测目标集合OB＝{ob1,ob2,...}、任务集合OM＝{om1,om2,...}及规划周期T。2)将规划周期划分为K个等长时隙，其中，各时隙的长度为τ，构造空间信息网络资源时变图GK(V,A)，其中，V和A分别代表图中的顶点集合和资源弧的集合，空间信息网络资源时变图GK(V,A)为K层有向图；资源时变图中顶点集合V包含空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于资源互换的空间信息网络任务规划方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)初始化空间信息网络的基本参数；/n2)将规划周期划分为K个等长时隙，其中，各时隙的长度为τ，构造空间信息网络资源时变图G

【技术特征摘要】
1.一种基于资源互换的空间信息网络任务规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)初始化空间信息网络的基本参数；
2)将规划周期划分为K个等长时隙，其中，各时隙的长度为τ，构造空间信息网络资源时变图GK(V,A)，其中，V和A分别代表图中的顶点集合和资源弧的集合；
3)对各任务omi∈OM的可行资源组合空间进行采样，将独立性大于等于n的资源组合集合Pi作为备选资源集合；
4)计算各资源组合之间的冲突关系，并构造资源组合冲突图RCG(PC,EC)，PC及EC分别表示资源组合冲突图的顶点与边集合；
5)求解资源组合冲突图中的最大独立集，完成基于备选资源组合的大尺度全局任务规划，得到全局规划结果；
6)对全局规划结果的邻域进行搜索，再通过资源互换的方式完成任务规划方案的局部调整，完成基于资源互换特性的任务规划。


2.根据权利要求1所述的基于资源互换的空间信息网络任务规划方法，其特征在于，空间信息网络的基本参数包括对地观测卫星集合OS、中继卫星集合RS、地面站集合GS、数据处理中心dc、观测目标集合OB、任务集合OM及规划周期T。


3.根据权利要求1所述的基于资源互换的空间信息网络任务规划方法，其特征在于，步骤4)的具体操作为：
4a)将集合Pse＝∪1≤i≤|OM|Pi中的备选资源组合添加为资源组合冲突图中的顶点；
4b)当资源组合pi,k与pj,l存在冲突关系或满足i＝j且k≠l，则在资源组合冲突图的节点pi,k与pj,l之间添加边，其中，pi,k表示任务omi的第k个备选资源组合。


4.根据权利要求1所述的基于资源互换的空间信息网络任务规划方法，其特征在于，步骤5)的具体操作为：
5a)初始化
5b)将资源组合...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘润滋，纪翔，张文柱，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61