[发明专利]一种空天协同观测复杂任务调度方法

说明书

本发明提供了一种空天协同观测复杂任务调度方法及系统，包括将搜索区域按照网格进行划分，将复杂任务按照任务所覆盖的网格划分成子任务集，根据“分配‑规划‑调整‑分配”的任务规划框架，将子任务集分配到各平台，各平台分别进行任务规划，之后按照启发式规则调整规划结果，得到此次分配的规划方案，根据得到的规划方案重新形成分配方案，循环迭代，最终找到满意的分配方案。本发明通过设计多层嵌套遗传算法，能够高效、灵活的求解空天协同观测复杂任务规划问题，使得对于空天协同的复杂观测任务来说，其规划速度和规划质量远大于传统的规划方法。

技术领域

本发明属于任务规划调度领域，尤其是涉及一种空天协同观测复杂任务调度方法及系统。

背景技术

复杂任务主要是指在一定时间内将用户下达所有不同类型任务汇总的集合统称为复杂任务，对复杂任务进行统一预处理、规划、协调和执行观测，如表1所示。空天协同观测复杂任务规划问题是指利用卫星和无人机观测资源，根据卫星和无人机观测平台的载荷特点、机动能力、运行方式等，通过协同规划的相关方法对复杂任务进行处理，规划目标是在满足约束的情况下，合理分配观测资源，确定各任务的执行时间，尽可能使被安排任务的优先级之和最大化。

表1空天协同观测任务类型

目前，随着各平台技术的快速发展，用户下达的观测任务类型逐渐多样化，形成了以点目标、区域目标和协同目标任务为主的复杂任务，同时用户下达的任务数量日益增多，任务处理中心难以将各类型任务单独安排观测计划，各平台需要对在一个观测周期内的复杂任务集合中各类型任务同时进行观测。虽然单一类型的观测平台在灾区搜救、勘探测绘等领域能够很好的满足用户的观测需求，但各类观测平台的独立执行复杂任务时，由于运作模式和储能特点等限制，其观测效率和图片质量无法保证满足用户要求，同时由于各平台之间缺乏协同交互，也可能发生重复观测，浪费现有资源的情况。所以如何根据卫星和无人机平台的特点及用户需求，结合多平台协同的相关技术，充分利用各平台资源，发挥平台协同的优势，实现整体资源的协同应用，达到“1+12”的目标，是一个亟待解决的问题。

对于上述问题，Morris和Herold等人通过构建一个协同任务分配模型，并提出了分布式框架，将多平台协同任务规划问题划分成多个单平台任务规划问题，之后形成多个子规划中心，各子规划中心按照一定规则处理分配的任务，虽然该任务规划框架受到了较多的认可，但这种方法不适合用于大规模复杂任务。梁星星等人构建了针对海上移动目标的空天协同连续观测模型,提出了空天协同连续观测策略对UAV飞机计划进行求解。余婧等人根据卫星和飞艇平台的资源特性与用户需求特点，设计了空天对地观测资源协同任务规划框架，提出了基于合同网思想的任务分配方法。李军等人为解决现有空天资源规划调度问题，分析总结了SWE标准，并在此基础上提出了空天资源对地观测协同任务规划服务模型。李夏苗设计了一种两阶段迭代规划框架,根据对地观测机会和冲突度构造适应度函数，设计结合禁忌表策略的任务分配方法,提高空天对地观测系统的任务收益率。

在对模型进行求解时，侯科文采用集中式与分级式的方法来处理空天协同任务规划问题，但应用的任务类型较为单一，对于复杂任务难以处理。白国庆等人分析了卫星和无人机的资源调度和执行观测的特征差异性，建立了多平台联合对地观测调度问题的数学模型，在顶层采用遗传算法进行求解，在底层应用分治-合作策略进行任务规划。伍国华等人使用总效用值作为任务分配方法的评价函数，并设计了高权重优先分配算法以及结合禁忌表的模拟退火的规划算法。杜永浩等人针对天临空协同任务规划问题，构建了统一化的观测路径决策模型,并提出了一种并行竞争的模因算法。另外，在异构机器调度问题中，研究者们提出了与空天协同调度问题相关的模型和方法，Nattaf针对并行机器上不同工件族的调度问题构建了约束规划模型，设计了一个启发式算法，并通过实验验证这种建模方式的可行性。Shahvari将MILP模型发展为两个集成的批处理和调度阶段。提出了一种基于禁忌搜索的高效元启发式算法，该算法具有多层次的多样化和多禁忌结构，在批处理和调度阶段之间来回移动。