基于模拟退火算法的多星任务调度方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于模拟退火算法的多星任务调度方法、系统、存储介质和电子设备，涉及多星任务调度技术领域。本发明专利技术根据所述卫星集合和待观测任务集合，构建多目标任务的多项任务调度模型，获取多星任务调度的全局最优解；将当前全局最优解中的应急任务加入封锁域，在不改变封锁域内已规划的应急任务的前提下，采用模拟退火算法更新当前全局最优解，并在模拟退火结束后输出最终的多星任务调度方案。通过局部封锁策略对封锁域中已规划应急任务进行封锁，在后续的模拟退火过程不对封锁的应急任务进行操作，在不影响搜索过程的基础上保证了应急任务的调度，大大增强了应急任务的安排率，得到质量更高的多星任务调度方案。得到质量更高的多星任务调度方案。得到质量更高的多星任务调度方案。

【技术实现步骤摘要】
基于模拟退火算法的多星任务调度方法和系统


[0001]本专利技术涉及多星任务调度
，具体涉及一种基于模拟退火算法的多星任务调度方法、系统、存储介质和电子设备。

技术介绍

[0002]对地观测是国防建设的需要，如制空权、制海权、制天权、制信息权等，已成为国家综合实力的重要标志。同时，卫星对地观测不仅在环境灾害防治、城市建设规划、气象预报等领域发挥重要作用，而且在考古遗迹、遥感卫星车辆巡检、气溶胶辐射观测等方面的应用也更加普遍。与传统卫星相比，敏捷卫星具有俯仰、滚动以及偏航的能力，能够更加灵活的调整姿态来提高观测的效率。所以，对于敏捷卫星的调度研究成为了世界各国研究的重点。
[0003]卫星对地观测调度问题已经被证明为NP
‑
hard问题。在实际的观测问题中，任务的类型是多样的，不同的敏捷卫星的观测收益也是不同的。对于观测目标来说，在规划时段内有多个敏捷卫星对其可见，同时，每个敏捷卫星对观测目标也可能存在多个观测时间窗。所以，如何调度有限的卫星资源在有限的规划时间段内完成对任务的合理分配是敏捷卫星调度的重点。
[0004]目前，现有的研究中较多采用模拟退火算法解决多星任务调度问题。模拟退火算法来源于固体退火原理，将固体加温至充分高，再让其徐徐冷却，加温时，固体内部粒子随升温变为无序状，内能增大，而徐徐冷却时粒子渐趋有序，在每个温度都达到平衡态，最后在常温时达到基态，内能减为最小。模拟退火算法是一种通用的优化算法，理论上算法具有概率的全局优化性能，如今已在多星多任务调度问题中得到了广泛应用。
[0005]但是，由于模拟退火算法对参数敏感性强，而参数设置的合理性会显著影响多星任务调度的方案合理性以及调度的效率，并且在多星任务调度中，应急任务的存在给调度过程增加了极大的复杂性；最终导致获取的多星任务调度方案质量低。

技术实现思路

[0006](一)解决的技术问题
[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于模拟退火算法的多星任务调度方法、系统、存储介质和电子设备，解决了基于现有的模拟退火算法获取的多星任务调度方案质量低的技术问题。
[0008](二)技术方案
[0009]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0010]一种基于模拟退火算法的多星任务调度方法，包括：
[0011]S1、获取卫星集合和待观测任务集合，所述待观测任务集合包括常规任务和应急任务；
[0012]S2、根据所述卫星集合和待观测任务集合，构建多目标任务的多项任务调度模型，获取多星任务调度的全局最优解；
[0013]S3、将当前全局最优解中的应急任务加入封锁域，在不改变封锁域内已规划的应急任务的前提下，采用模拟退火算法更新当前全局最优解，并在模拟退火结束后输出最终的多星任务调度方案。
[0014]优选的，所述S3具体包括：
[0015]S31、设定初始温度、初始等温步长和终止温度，采用自调节策略更新初始温度，将更新后的初始温度作为当前温度，将所述初始等温步长作为当前等温步长，令g＝0；
[0016]S32、判断当前温度是否大于所述终止温度，若是，则令r＝1，转S33；否则，转S37；
[0017]S33、判断r是否不大于当前等温步长，若是，则转入S34；否则，转入S36；
[0018]S34、将当前全局最优解中的应急任务加入封锁域，在不改变所述封锁域内已规划的应急任务的前提下，执行邻域解生成策略获取邻域解；
[0019]S35、执行多准则决策判断是否接受当前邻域解，若接受，则将该当前邻域解中的新规划应急任务放入所述封锁域中，更新所述封锁域，并使用当前邻域解更新当前全局最优解，令r＝r+1，转S33；否则，令r＝r+1，直接转S33；
[0020]S36、令g＝g+1，执行动态等温步长策略更新当前等温步长，并更新当前温度，转S32；
[0021]S37、模拟退火结束，输出当前全局最优解对应的多星任务调度方案。
[0022]优选的，所述S2中多目标任务的多项任务调度模型包括，
[0023]表示最大化观测收益的第一目标函数：
[0024][0025]其中，S＝{s1,
…
,s
i
,
…
,s
m
}表示卫星集合，共包括m个卫星；T＝{t1,
…
,t
j
,
…
,t
n
}表示待观测任务集合，共包括n个任务；表示观测任务t
j
在卫星s
i
上的第w个可见时间窗，共包括k个可见时间窗；P
j
表示任务t
j
的观测收益；X
ijw
表示决策变量；
[0026][0027]公式(2)表示任务t
j
是否在卫星s
i
的第w个时间窗进行观测的0
‑
1二元变量；
[0028]表示最小化扰动的第二目标函数：
[0029][0030]其中，f
d
表示不同类型扰动的权重，共包括D种类型扰动；disturb
d
(t
j
)表示任务t
j
对卫星集合中原任务序列产生的第d种扰动类型；
[0031]约束条件:
[0032][0033][0034]OTS
ij
+dur
ij
＝OTE
ij
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0035]OTE
ij
+tr
ij,i(j+1)
≤OTS
i(j+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0036][0037][0038][0039]其中，公式(4)表示一个任务最多被观测一次；
[0040]公式(5)表示任务观测所要满足的时间窗要求，表示任务t
j
在卫星s
i
上的第w个可见时间窗的开始时间，表示任务t
j
在卫星s
i
上的第w个可见时间窗的结束时间，OTS
ij
、OTS
i(j+1)
分别表示任务t
j
、t
j+1
在卫星s
i
上的实际观测开始时间，OTE
ij
表示任务t
j
在卫星s
i
上的实际观测结束时间；
[0041]公式(6)表示任务的观测时间窗和任务观测持续时间的关系，dur
ij
表示任务t
j
在卫星s
i
上的观测持续时间；
[0042]公式(7)表示任务序列中两个连续观测任务之间需要满足时间转换要求，tr
ij,i(j+1)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模拟退火算法的多星任务调度方法，其特征在于，包括：S1、获取卫星集合和待观测任务集合，所述待观测任务集合包括常规任务和应急任务；S2、根据所述卫星集合和待观测任务集合，构建多目标任务的多项任务调度模型，获取多星任务调度的全局最优解；S3、将当前全局最优解中的应急任务加入封锁域，在不改变封锁域内已规划的应急任务的前提下，采用模拟退火算法更新当前全局最优解，并在模拟退火结束后输出最终的多星任务调度方案。2.如权利要求1所述的多星任务调度方法，其特征在于，所述S3具体包括：S31、设定初始温度、初始等温步长和终止温度，采用自调节策略更新初始温度，将更新后的初始温度作为当前温度，将所述初始等温步长作为当前等温步长，令g＝0；S32、判断当前温度是否大于所述终止温度，若是，则令r＝1，转S33；否则，转S37；S33、判断r是否不大于当前等温步长，若是，则转入S34；否则，转入S36；S34、将当前全局最优解中的应急任务加入封锁域，在不改变所述封锁域内已规划的应急任务的前提下，执行邻域解生成策略获取邻域解；S35、执行多准则决策判断是否接受当前邻域解，若接受，则将该当前邻域解中的新规划应急任务放入所述封锁域中，更新所述封锁域，并使用当前邻域解更新当前全局最优解，令r＝r+1，转S33；否则，令r＝r+1，直接转S33；S36、令g＝g+1，执行动态等温步长策略更新当前等温步长，并更新当前温度，转S32；S37、模拟退火结束，输出当前全局最优解对应的多星任务调度方案。3.如权利要求1～2任一项所述的多星任务调度方法，其特征在于，所述S2中多目标任务的多项任务调度模型包括，表示最大化观测收益的第一目标函数：其中，S＝{s1,
…
,s
i
,
…
,s
m
}表示卫星集合，共包括m个卫星；T＝{t1,
…
,t
j
,
…
,t
n
}表示待观测任务集合，共包括n个任务；表示观测任务t
j
在卫星s
i
上的第w个可见时间窗，共包括k个可见时间窗；P
j
表示任务t
j
的观测收益；X
ijw
表示决策变量；公式(2)表示任务t
j
是否在卫星s
i
的第w个时间窗进行观测的0
‑
1二元变量；表示最小化扰动的第二目标函数：其中，f
d
表示不同类型扰动的权重，共包括D种类型扰动；disturb
d
(t
j
)表示任务t
j
对卫星集合中原任务序列产生的第d种扰动类型；约束条件:
OTS
ij
+dur
ij
＝OTE
ij
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)OTE
ij
+tr
ij,i(j+1)
≤OTS
i(j+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)(7)(7)其中，公式(4)表示一个任务最多被观测一次；公式(5)表示任务观测所要满足的时间窗要求，表示任务t
j
在卫星s
i
上的第w个可见时间窗的开始时间，表示任务t
j
在卫星s
i
上的第w个可见时间窗的结束时间，OTS
ij
、OTS
i(j+1)
分别表示任务t
j
、t
j+1
在卫星s
i
上的实际观测开始时间，OTE
ij
表示任务t
j
在卫星s
i
上的实际观测结束时间；公式(6)表示任务的观测时间窗和任务观测持续时间的关系，dur
ij
表示任务t
j
在卫星s
i
上的观测持续时间；公式(7)表示任务序列中两个连续观测任务之间需要满足时间转换要求，tr
ij,i(j+1)
表示卫星s
i
上相邻两个观测任务t
j
与t
j+1
之间的姿态转换时间；公式(8)表示任务t
j
、t
j+1
之间转换时间的计算方式，θ
i(j+1)
、θ
ij
分别表示卫星s
i
上观测任务t
j
、t
j+1
的观测角度，v
i
表示卫星s
i
进行姿态转换时的转换速度；公式(9)、(10)分别表示任务观测的容量约束和能量约束，c
j
表示观测任务t
j
消耗的存储，e
j
表示观测任务t
j
消耗的能量，C
i
表示卫星s
i
的最大存储，E
i
表示卫星s
i
的最大能量。4.如权利要求3所述的多星任务调度方法，其特征在于，所述S31中采用自调节策略更新初始温度，具体包括：S10、定义当前全局最优解为X，设定初始温度T
*
、初始等温步长N
*
，将初始等温步长N
*
作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳鹏，李康，胡笑旋，马华伟，夏维，唐奕城，张萍，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：