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| 編輯推薦： |
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针对我国航天资源“一星一系统”的管控现状、常规管控与应急响应的需求矛盾以及西方国家的技术封锁，结合相关模型、算法与通用求解技术的研究与发展现状，本书开展了航天资源通用化调度引擎研究，为从事航天资源调度、任务规划相关研究与应用工作的企业、高校与科研院所的研究人员提供了一定的参考。
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| 內容簡介： |
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针对我国航天资源“一星一系统”的管控现状、常规管控与应急响应的需求矛盾以及西方国家的技术封锁，结合相关模型、算法与通用求解技术的研究与发展现状，本书开展了航天资源通用化调度引擎研究，主要内容包括： 第一章开展了文献综述。 第二章设计了航天资源调度引擎顶层框架。 第三章提出了航天资源调度通用化建模方法。 第四章提出了面向航天资源常规调度的自适应并行模因演化算法。 第五章设计了面向航天资源应急调度的分布式动态滚动优化算法。 第六章完成了航天资源引擎实践应用。 第七章总结了全文。 主要特色和创新点： 1. 设计了一种“模型－常规算法－应急算法”解耦的航天资源调度建模与求解新框架。 2. 提出了一种“决策－约束－收益”解耦的航天资源调度通用化、精细化建模新方法。 3. 提出了一种“并行－竞争－演化”策略协同、自适应的航天资源常规调度新算法。 4. 探索了一种“协商－滚动－插入”机制融合、动态响应的航天资源应急调度新算法。 读者对象： 从事航天资源调度、任务规划相关研究与应用工作的企业、高校与科研院所的研究人员。
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| 關於作者： |
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杜永浩，国防科技大学博士研究生，主要研究方向为智能优化、资源调度及任务规划等，相关成果应用于我国卫星运控、测控部门。在IEEE TEVC、自动化学报等发表论文10余篇；曾获全军军事建模竞赛一等奖、全国研究生数模竞赛二等奖、湖南省优秀硕士学位论文；获湖南省研究生创新项目和国防科技大学“学术创新之星”项目资助。
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| 目錄：
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第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究目的与意义 3
1.2 卫星任务调度模型研究现状 4
1.2.1 遥感卫星任务调度模型 5
1.2.2 中继通信卫星任务调度模型 10
1.2.3 导航卫星任务调度模型 11
1.2.4 卫星测控任务调度模型 13
1.3 卫星任务调度算法研究现状 17
1.3.1 启发式算法 18
1.3.2 精确求解算法 19
1.3.3 元启发式算法 20
1.4 卫星任务调度通用求解技术发展现状 27
1.4.1 数学规划求解器CPLEX 27
1.4.2 通用卫星调度软件STK/Scheduler 28
1.4.3 卫星任务规划软件Europa 2 31
1.4.4 “高景一号”任务调度分系统 32
1.5 本书主要工作 34
1.5.1 研究内容与组织结构 34
1.5.2 技术路线 36
1.5.3 创新点 36
第2章 卫星任务调度引擎顶层设计 39
2.1 卫星任务调度问题界定 39
2.1.1 任务界定 39
2.1.2 资源界定 44
2.1.3 问题特征 45
2.2 卫星任务调度引擎功能定位 47
2.2.1 基本定义 47
2.2.2 功能需求 48
2.3 卫星任务调度引擎框架设计 50
2.3.1 设计思路 50
2.3.2 引擎框架 51
2.3.3 优势分析 53
2.4 本章小结 54
第3章 卫星任务调度通用化建模方法 55
3.1 卫星任务调度通用化建模流程 55
3.1.1 需求分析 55
3.1.2 流程设计 57
3.2 卫星任务调度问题精细化描述 59
3.2.1 四元组 59
3.2.2 任务集 60
3.2.3 资源集 62
3.2.4 评分集 67
3.3 卫星任务调度通用0-1混合整数决策模型 70
3.3.1 决策变量与决策矩阵 70
3.3.2 优势分析 74
3.4 卫星任务调度约束模型与约束网络 75
3.4.1 约束分析与分类 75
3.4.2 约束模板与示例 77
3.4.3 约束网络与约束值计算 84
3.4.4 优势分析 86
3.5 卫星任务调度收益模型 87
3.5.1 遥感卫星任务调度收益函数 87
3.5.2 中继通信卫星任务调度收益函数 89
3.5.3 导航卫星任务调度收益函数 89
3.5.4 卫星测控任务调度收益函数 91
3.6 本章小结 92
第4章 面向卫星常规任务调度的通用化求解方法 93
4.1 自适应并行模因演化的通用算法框架 93
4.1.1 需求分析 93
4.1.2 算法框架 95
4.1.3 优势分析 97
4.2 基于启发式的快速初始解构造策略 98
4.2.1 通用流程 99
4.2.2 启发式算法 100
4.2.3 时间复杂度 101
4.3 基于并行搜索的通用局部优化策略 102
4.3.1 通用流程 102
4.3.2 算法池 103
4.3.3 算子池 109
4.3.4 增量式约束计算算法 111
4.4 基于竞争的算法算子自适应选择策略 112
4.4.1 通用流程 112
4.4.2 当前最优解集 114
4.4.3 竞争与使用概率更新 114
4.4.4 淘汰机制 115
4.5 基于种群演化的全局优化策略 116
4.5.1 通用流程 116
4.5.2 交叉算子 118
4.5.3 修复算子 119
4.6 算法在benchmark问题中的性能检验 119
4.6.1 定向问题 120
4.6.2 带时间窗口的定向问题 121
4.6.3 时间依赖的带时间窗口的定向问题 122
4.6.4 简化版遥感卫星常规任务调度问题 123
4.7 本章小结 124
第5章 面向卫星应急任务调度的通用化求解方法 126
5.1 分布式动态滚动的通用算法框架 126
5.1.1 需求分析 126
5.1.2 算法框架 128
5.1.3 优势分析 130
5.2 基于动态合同网的任务协商与分配策略 131
5.2.1 通用流程 131
5.2.2 标书制定 133
5.2.3 评标算法 135
5.3 基于滚动时域的单平台任务重调度策略 137
5.3.1 通用流程 137
5.3.2 窗口与滚动方式定义 138
5.3.3 重调度算法 139
5.4 基于可调度性预测的任务快速插入策略 141
5.4.1 通用流程 141
5.4.2 可调度性预测模型 142
5.5 基于约束网络的实时冲突消解策略 146
5.5.1 通用流程 147
5.5.2 任务冲突度计算算法 148
5.5.3 冲突消解启发式算法 149
5.6 本章小结 150
第6章 卫星任务调度引擎应用实验 151
6.1 实验准备 151
6.1.1 实验目的 151
6.1.2 引擎部署 152
6.1.3 算法及参数设置 154
6.2 遥感卫星任务调度实验 159
6.2.1 实验场景 159
6.2.2 常规调度实验 161
6.2.3 应急调度实验 168
6.3 中继通信卫星任务调度实验 170
6.3.1 实验场景 171
6.3.2 常规调度实验 172
6.3.3 应急调度实验 176
6.4 导航卫星任务调度实验 179
6.4.1 实验场景 179
6.4.2 常规调度实验 181
6.4.3 应急调度实验 187
6.5 卫星测控任务调度实验 188
6.5.1 实验场景 188
6.5.2 常规调度实验 189
6.5.3 应急调度实验 193
6.6 卫星任务调度引擎推广应用 196
6.7 本章小结 198
第7章 总结与展望 199
7.1 总结 199
7.2 未来工作展望 200
参考文献 204
附录A 卫星任务调度通用化模型数学符号及说明 221
附录B 卫星任务调度引擎Java程序架构及说明 223
附录C 缩写词列表 226
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| 內容試閱：
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21 世纪以来，我国航天事业步入快速发展时期，卫星规模呈“爆炸式”增长。为统筹在轨卫星及管控资源，满足卫星应用需求，最大限度发挥卫星系统社会、经济和军事效益，卫星任务调度至关重要。随着我国卫星管控与应用方式的不断变化，跨部门、跨型号成为卫星管控的新常态，一体化、快速响应成为卫星应用的新要求。在此背景下，当前“一星一系统”的卫星任务调度系统研发与应用弊端日益突出，各部门、各型号、各类卫星任务调度系统难以互容，相关模型与算法的通用性亟须提升。鉴于此，为打破“一星一系统”的卫星管控壁垒，支撑各类卫星联合机动管控与灵活高效应用，同时突破美国STK/Scheduler 在相关软件技术领域的垄断地位，本书开展了卫星任务调度引擎研究，重点研究了通用化的卫星任务调度建模与求解方法。主要内容如下：
（1）设计了卫星任务调度引擎顶层框架。针对卫星任务调度引擎的应用背景，界定了遥感卫星、中继通信卫星、导航卫星和卫星测控等四类主要的卫星任务调度问题，明确了研究范畴和“立足实际、面向应用”的研究原则，给出了卫星任务调度引擎的基本定义，指明了卫星任务调度引擎的功能需求。在此基础上，设计了一种“模型—常规算法—应急算法”解耦的卫星任务调度引擎顶层框架，阐释了框架优势，为各类卫星任务调度问题提供了一种通用化、模块化的建模与求解新思路，为本书模型、算法研究工作指明了具体方向。
（2）提出了卫星任务调度通用化建模方法。针对卫星任务调度模型通用性问题和“一星一系统”管控现状，首先将卫星任务调度问题统一描述为一个包含任务集、资源集、评分集和决策矩阵的四元组，系统地、层次化地描述了卫星任务调度问题。其次，创造性地阐释了“任务集—资源集”之间，即“卫星事件—事件执行时机”之间存在的决策关系，构建了通用的0-1 混合整数决策模型，给出了遥感卫星、中继通信卫星、导航卫星和卫星测控等四类卫星任务调度问题的决策模型示例，为松耦合的卫星任务调度引擎框架提供了“关键耦合点”。基于此，分析、总结了卫星任务调度主要约束条件，通过约束对象、约束阈值和约束关系设计了统一的约束模板，以及基于约束网络的约束计算方法。最后，给出了四类卫星任务调度问题的收益函数模型。以上，通过“决策—约束—收益”松耦合的卫星任务调度通用化建模方法，成功将遥感卫星、中继通信卫星、导航卫星和卫星测控等四类主要的卫星任务调度问题纳入一套统一的建模体系，开辟了一条卫星任务调度问题通用化、精细化建模的新思路，为卫星任务调度引擎提供重要的通用模型支撑。
（3）提出了一种面向卫星常规任务调度的自适应并行模因演化算法。面向卫星管控部门每日、每周的常规任务调度需求，围绕初始解质量、局部寻优能力、全局寻优能力、自适应性、通用性和时间复杂性等算法设计需求，提出了一种通用的自适应并行模因演化算法（adaptive parallel memetic algorithm，APMA），依次集成了基于启发式的快速初始解构造策略、基于并行搜索的通用局部优化策略、基于竞争的算法算子自适应选择策略和基于种群演化的全局优化策略，形成了相互协同、优势互补的策略优势。在此基础上，通过定向问题、简化版遥感卫星任务调度问题等标准问题（benchmark）测试了APMA，阐明了其求解标准问题的通用性和有效性，为卫星常规任务调度问题提供了通用、高效的求解手段，为卫星任务调度引擎提供了核心算法支撑。
（4）设计了一种面向卫星应急任务调度的分布式动态滚动优化算法。针对增减任务、卫星故障等现实管控环境中卫星应急任务调度需求迫切、常规调度算法时效性不足的实际情况，围绕应急任务调度算法设计需求，设计了一种通用的分布式动态滚动优化（distributed dynamic rolling optimization，DDRO）算法，依次集成了基于动态合同网的任务协商与分配策略、基于滚动时域的单平台任务重调度策略、基于可调度预测的任务快速插入策略和基于约束网络的实时冲突消解策略，在卫星常规任务调度结果的基础上实施动态、实时、有效的优化，为卫星应急任务调度问题提供了通用、灵活的求解手段，为卫星任务调度引擎提供了又一算法支撑。
（5）完成了卫星任务调度引擎实践应用。基于以上卫星任务调度通用化建模与优化方法，以“高景一号”商业遥感卫星、“天链一号”中继通信卫星、“北斗三号”导航卫星和美国空军卫星测控任务等四类实际卫星任务调度问题为例，完成了卫星任务调度引擎应用实验，实践了卫星任务调度通用化建模方法，检验了卫星常规、应急任务调度算法APMA 和DDRO，介绍了相关应用系统，说明了卫星任务调度引擎的可行性和应用前景，为卫星任务调度引擎的工程化应用提供了实践依据。
本书是作者在国防科技大学系统工程学院求学与工作期间完成的。本书的完成离不开作者导师邢立宁研究员的悉心指导，以及团队陈英武、贺仁杰、姚锋、刘晓路、陈盈果、张忠山、陈宇宁、吕济民、王涛、沈大勇、何磊老师的大力支持和指导。本书在撰写过程中参考了许多参考文献，本书的完成也离不开这些学者的贡献和启发。在此，向所有给予我们指导、帮助与启发的各位老师与学者表示衷心感谢。同时，由于作者水平有限，本书难免存在不妥与待完善之处，欢迎专家学者和读者朋友批评指正，提出宝贵意见，我们将不胜感激。
作者
2022 年6 月于长沙
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