基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术1.本发明涉及一种基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法，属于航空航天技术领域。背景技术：2.航天器与地面通信时延长、任务时间长、空间环境不确知等特点给航天器实时控制以及长期安全运行带来诸多挑战，传统的地面遥测遥控方式越来越无法满足新的航天任务需求。提高航天器系统的自主管理能力是解决这些难题的一种有效途径，而航天器自主任务规划技术是实现航天器系统自主管理的一项关键技术。航天器搭载资源有限，资源约束复杂，任务规划过程需要设计有效的资源约束一致性检测方法来判断规划序列是否满足器上资源约束。3.在已发展的航天器自主任务规划资源约束一致性检测方法中，在先技术[1](lombardi m,milano m.a min-flow algorithm for minimal critical set detection in resource constrained project scheduling[j].artificial intelligence,2012,182-183:58-67.)，将资源使用情况用有向图进行建模，将潜在重叠活动定义为关键集，通过检测最小关键集的方式来检测活动序列中是否存在资源冲突。该方法存在建模过程复杂，且没有充分结合航天器任务中的资源约束特点。[0004]在先技术[2](陈德相,徐瑞,崔平远.航天器资源约束的时间拓扑排序处理方法[j].宇航学报,2014,35(06):669-676.)，采用了网络流模型描述航天器系统的资源约束，通过计算网络流中的最大流值即资源使用量最大值来确定网络是否满足资源约束。该方法需要先搭建资源网络流模型，仍然存在建模过程复杂的问题。技术实现要素：[0005]针对航天器自主任务规划技术中的资源约束一致性检测问题，本发明主要目的是提供一种基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法，能够在航天器进行任务规划生成活动序列的过程中检测当前活动序列是否满足航天器上的资源约束，且能够找到所有不满足资源约束的活动。本发明具有检测效率高、对资源输入数据结构要求低、适用范围广的优点，进而能够提高航天器自主任务规划的效率和实时性。[0006]本发明是通过下述技术方案实现的：[0007]本发明公开的一种基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法，首先根据航天器上资源情况建立每种资源的空时间线，将活动序列中各个活动的资源使用情况按资源种类进行分类，对属性为可重复型的资源，引入虚拟时间节点表示资源使用结束后的恢复情况。将分类后的资源使用情况填充到对应资源时间线中。基于时间顺序对每条资源时间线中填充的资源使用活动进行排序，计算每条资源时间线中的资源使用值，判断每次资源使用活动是否满足资源约束。本发明充分利用航天器任务中资源约束的时间顺序特性，能够高效地找到所有未能满足资源约束的活动，方便航天器自主任务规划进一步求解完善活动序列，提高航天器自主任务规划的效率和实时性。[0008]本发明公开的基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法，包括如下步骤：[0009]步骤1，读取航天器自主规划任务生成的活动序列，搭建资源使用模型。[0010]读取航天器自主规划任务生成的活动序列，所述活动序列包括多个活动，每个活动表示为一个元组a＝《name,ts,te,rl》，元组表示活动序列对输入数据结构要求低、适用范围广。其中，name表示活动名称；ts表示活动的起始时间区间[tsl,tsu]，即活动的起始时刻tsp为起始时间区间[tsl,tsu]中任一时刻，te表示活动的终止时间区间[tel,teu]，即活动的终止时刻tep为终止时间区间[tel,teu]中的任一时刻，时间区间满足关系tsl《tsu《tel《teu；rl表示活动的资源使用队列。[0011]所述活动资源使用队列rl中每个元素都表示为一个元组resourcedata＝《resname,cost,value,property》，其中，resname表示活动使用的资源名称，cost表示活动使用的资源量，value表示当前时刻资源容量，property表示活动使用的资源属性。[0012]所述活动使用资源量cost》0时表示该资源被活动“占用”，活动执行期间资源容量value减少；活动资源使用值cost《0时表示该资源被活动“补充”，活动执行期间资源容量value增多；活动资源使用值cost＝0时表示对应活动不引起该资源量的改变。[0013]所述资源被活动“占用”在资源使用的起始时刻tsp即刻生效，即在资源使用的起始时刻tsp该资源量即刻减少活动资源使用值cost；所述资源被活动“补充”在活动使用资源的终止时刻tep生效，即在活动使用资源的终止时刻tep该资源量即刻增多活动资源使用值cost。[0014]所述当前时刻资源容量value随着活动使用资源而改变，当value《0时，表示该类资源被活动过度使用，当前时刻活动资源使用值大于当前时刻资源容量，即“资源冲突”。需要检测到规划任务生成的活动序列中是否有资源冲突，即资源约束一致性检测，若活动序列中存在资源冲突，则称该序列是不满足约束一致性的，若活动序列不存在资源冲突，则称该序列是满足约束一致性的。[0015]所述活动使用资源属性property分为可重复型和消耗型。可重复型资源如果在活动执行期间被“占用”，当活动完成或者中断时，该类资源被“释放”，活动前后资源容量value没有变化。消耗型资源如果在活动执行过程中被“占用”，当活动完成或者中断时，该类资源不会恢复到活动前资源容量value。[0016]步骤2，根据航天器上资源情况，生成各个资源的空时间线，每条时间线是资源使用的一个记录队列。[0017]根据航天器上资源情况，生成各个资源的空时间线，每条时间线是资源使用的一个记录队列recordlist。recordlist中的每一个元素表示成一个元组recorddata＝《index,starttime,endtime,costr》，其中index用于记录本次使用该资源的活动，starttime和endtime分别用于记录该次资源使用的起始时刻和终止时刻，costr用于记录该次资源使用量。采用时间线队列记录资源使用情况的方式，充分利用航天器任务中资源约束的时间顺序特性，提高资源约束一致性检测效率。[0018]步骤3，遍历所有活动a，将活动的资源使用情况采用虚拟时间节点方法记录到各种资源的时间线记录队列recordlist中。[0019]由于可重复型资源的使用活动相比于消耗型资源使用活动多了“释放”行为，引入虚拟时间节点描述“释放”行为，即在可重复型资源“占用”结束时刻，生成新的时间节点，在该节点上生成新的资源使用活动，所述资源使用活动发生了资源的“释放”行为，实现资源容量变化情况的统一计算从而提高资源约束一致性检测效率。[0020]所述虚拟时间节点方法实现包括如下步骤：[0021]步骤3.1，当活动使用资源量cost《＝0时，执行该步骤，否则执行步骤3.2。该步骤用于记录活动对资源的“补充”或者不改变资源量，将该次资源使用情况recorddata添加到对应资源的时间线记录队列recordlist中。[0022]其中，记录资源容量上限时，recorddata赋值如下：[0023][0024]记录资源容量下限时，recorddata赋值如下：[0025][0026]步骤3.2，当活动使用资源量cost》0时，执行该步骤。该步骤用于记录活动对资源的“占用”，将该次资源使用情况recorddata添加到对应资源的时间线记录队列recordlist中。[0027]其中，记录资源容量上限时，recorddata赋值如下：[0028][0029]记录资源容量下限时，recorddata赋值如下：[0030][0031]步骤3.3，若当前活动使用资源属性property为可重复型，为了描述可重复型资源在活动完成或中断时的资源“释放”情况，需要在活动的终止时刻生成一个虚拟时间节点，在该虚拟时间节点生成一个“释放”资源的活动，将该次虚拟时间节点的资源使用情况再次添加到对应资源的时间线记录队列recordlist中。[0032]其中，记录资源容量上限时，recorddata赋值如下：[0033][0034]记录资源容量下限时，recorddata赋值如下：[0035][0036]步骤4，在步骤3的基础上，遍历每种资源的时间线记录队列recordlist，根据每个recorddata的starttime按由小到大的顺序对recordlist中所有recorddata进行重新排序。[0037]步骤5，遍历步骤4中得到的每种资源的时间线记录队列recordlist，逐步更新当前资源容量value＝value–costr，判断value是否小于0。[0038]若value《0，则说明当前活动序列存在资源冲突，即不满足资源约束一致性，而此时使用该资源的活动即为未能满足资源约束的活动，即基于虚拟时间节点实现对航天器自主规划任务资源约束一致性检测。[0039]还包括步骤6，根据步骤5的资源约束一致性检测结果，针对不满足资源约束一致性的所有活动进行修改，即支撑航天器自主任务规划进一步求解完善活动序列，保障航天器自主任务规划结果的实施性，提高航天器自主任务规划的效率和实时性。[0040]有益效果：[0041]1、本发明公开的基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法，将活动序列表示为多个元组的数据结构，具有建模简洁、对资源输入数据结构要求低、适用范围广的优点。[0042]2、本发明公开的基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法，采用资源时间线队列的方式描述资源使用活动，充分利用航天器任务中资源约束的时间顺序特性，可实时计算资源变化情况，提高资源约束一致性检测效率。[0043]3、本发明公开的基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法，根据资源可否重复利用的特点进行分类，通过引入虚拟时间节点描述资源使用情况，使得不同属性的资源可以采用统一的计算方式进行资源容量变化更新，实现高效的资源约束一致性检测，可快速找到未满足约束的资源使用活动。[0044]4、本发明公开的基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法，可检测得到活动序列中所有不满足资源约束的活动，支撑航天器自主任务规划进一步求解完善活动序列，保障航天器自主任务规划结果的实施性。附图说明[0045]图1是基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法流程图。[0046]图2是活动序列中活动使用资源导致的资源容量变化图。具体实施方式[0047]为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。[0048]为了验证本发明的可行性，下面给出一个具体实施例来说明：[0049]在本例中，规划任务生成的活动序列信息如表1所示：[0050]表1本实施例活动序列信息[0051][0052]在本例中，初始时刻资源信息如表2所示：[0053]表2本实施例初始时刻资源信息[0054][0055][0056]结合表1和表2数据，进行数学仿真验证。[0057]如图1所示，本实施例公开的基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法，具体实现步骤如下：[0058]步骤1，读取航天器自主规划任务生成的活动序列，搭建资源使用模型。[0059]读取航天器自主规划任务生成的活动序列，所述活动序列包括多个活动，每个活动表示为一个四元组a＝《name,ts,te,rl》，元组表示活动序列对输入数据结构要求低、适用范围广。其中，name表示活动名称；ts表示活动的起始时间区间[tsl,tsu]，即活动的起始时刻tsp为起始时间区间[tsl,tsu]中任一时刻，te表示活动的终止时间区间[tel,teu]，即活动的终止时刻tep为终止时间区间[tel,teu]中的任一时刻，时间区间满足关系tsl《tsu《tel《teu；rl表示活动的资源使用队列。[0060]所述活动资源使用队列rl中每个元素都表示为一个四元组resourcedata＝《resname,cost,value,property》，其中，resname表示活动使用的资源名称，cost表示活动使用的资源量，value表示当前时刻资源容量，property表示活动使用的资源属性。[0061]所述活动使用资源量cost》0时表示该资源被活动“占用”，活动执行期间资源容量value减少；活动资源使用值cost《0时表示该资源被活动“补充”，活动执行期间资源容量value增多；活动资源使用值cost＝0时表示对应活动不引起该资源量的改变。[0062]所述资源被活动“占用”在资源使用的起始时刻tsp即刻生效，即在资源使用的起始时刻tsp该资源量即刻减少活动资源使用值cost；所述资源被活动“补充”在活动使用资源的终止时刻tep生效，即在活动使用资源的终止时刻tep该资源量即刻增多活动资源使用值cost。[0063]所述当前时刻资源容量value随着活动使用资源而改变，当value《0时，表示该类资源被活动过度使用，当前时刻活动资源使用值大于当前时刻资源容量，即“资源冲突”。需要检测到规划任务生成的活动序列中是否有资源冲突，即资源约束一致性检测，若活动序列中存在资源冲突，则称该序列是不满足约束一致性的，若活动序列不存在资源冲突，则称该序列是满足约束一致性的。[0064]所述活动使用资源属性property分为可重复型和消耗型。可重复型资源如果在活动执行期间被“占用”，当活动完成或者中断时，该类资源被“释放”，活动前后资源容量value没有变化。消耗型资源如果在活动执行过程中被“占用”，当活动完成或者中断时，该类资源不会恢复到活动前资源容量value。[0065]步骤2，根据航天器上资源情况，生成各个资源的空时间线，每条时间线是资源使用的一个记录队列。[0066]根据航天器上资源情况，生成各个资源的空时间线，每条时间线是资源使用的一个记录队列recordlist。recordlist中的每一个元素表示成一个四元组recorddata＝《index,starttime,endtime,costr》，其中index用于记录本次使用该资源的活动，starttime和endtime分别用于记录该次资源使用的起始时刻和终止时刻，costr用于记录该次资源使用量。采用时间线队列记录资源使用情况的方式，充分利用航天器任务中资源约束的时间顺序特性，提高资源约束一致性检测效率。[0067]步骤3，遍历所有活动a，将活动的资源使用情况采用虚拟时间节点方法记录到各种资源的时间线记录队列recordlist中。[0068]由于可重复型资源的使用活动相比于消耗型资源使用活动多了“释放”行为，引入虚拟时间节点描述“释放”行为，即在可重复型资源“占用”结束时刻，生成新的时间节点，在该节点上生成新的资源使用活动，所述资源使用活动发生了资源的“释放”行为，实现资源容量变化情况的统一计算从而提高资源约束一致性检测效率。[0069]所述虚拟时间节点方法实现包括如下步骤：[0070]步骤3.1，当活动使用资源量cost《＝0时，执行该步骤，否则执行步骤3.2。该步骤用于记录活动对资源的“补充”或者不改变资源量，将该次资源使用情况recorddata添加到对应资源的时间线记录队列recordlist中。[0071]其中，记录资源容量上限时，recorddata赋值如下：[0072][0073]记录资源容量下限时，recorddata赋值如下：[0074][0075]步骤3.2，当活动使用资源量cost》0时，执行该步骤。该步骤用于记录活动对资源的“占用”，将该次资源使用情况recorddata添加到对应资源的时间线记录队列recordlist中。[0076]其中，记录资源容量上限时，recorddata赋值如下：[0077][0078]记录资源容量下限时，recorddata赋值如下：[0079][0080]步骤3.3，若当前活动使用资源属性property为可重复型，为了描述可重复型资源在活动完成或中断时的资源“释放”情况，需要在活动的终止时刻生成一个虚拟时间节点，在该虚拟时间节点生成一个“释放”资源的活动，将该次虚拟时间节点的资源使用情况再次添加到对应资源的时间线记录队列recordlist中。[0081]其中，记录资源容量上限时，recorddata赋值如下：[0082][0083]记录资源容量下限时，recorddata赋值如下：[0084][0085]步骤4，在步骤3的基础上，遍历每种资源的时间线记录队列recordlist，根据starttime按由小到大的顺序对recordlist中所有recorddata进行重新排序。[0086]重新排序后的得到的recordlist中的资源使用情况记录如下：[0087]表3计算资源容量上限时的资源使用情况记录[0088][0089]表4计算资源容量下限时的资源使用情况记录[0090][0091]步骤5，遍历步骤4中得到的每种资源的时间线记录队列recordlist，逐步更新当前资源容量value＝value–costr，判断value是否小于0。[0092]若value《0，则说明当前活动序列存在资源冲突，即不满足资源约束一致性，而此时使用该资源的活动即为未能满足资源约束的活动，即基于虚拟时间节点实现对航天器自主规划任务资源约束一致性检测。[0093]通过基于虚拟时间节点的航天器资源约束一致性检测方法，可以得到本实施例的资源冲突检测结果如表5所示：[0094]表5资源冲突检测结果[0095]资源名称冲突活动名称冲突时间区间冲突资源使用值存储资源14[35,75]20热源4[35,75]10热源4[45,55]10存储资源25[55,80]70[0096]活动序列中活动使用资源导致的存储资源1、热源、存储资源2容量变化如图2所示，图2横轴为时间，纵轴为资源容量，图中资源容量小于0部分表示发生资源冲突。[0097]步骤6：根据步骤5的资源约束一致性检测结果，针对不满足资源约束一致性的所有活动进行修改，即支撑航天器自主任务规划进一步求解完善活动序列，保障航天器自主任务规划结果的实施性，提高航天器自主任务规划的效率和实时性。[0098]以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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