CN114281509A - 一种基于场景描述的航天器多用户协同任务规划系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于场景描述的航天器多用户协同任务规划系统，属于航天器任务规划技术领域。本发明通过场景的概念实现，不仅能够完全契合航天器任务规划中的层级划分，还能解决航天器任务规划中模型跨层级复用的问题，去除冗余的建模工作，让用户将把更多的精力投入到规划业务中。本发明基于B/S的系统架构架构设计，也解决了OpenSPIFe单一用户规划问题，多用户之间能够快速建模有效协同规划，大大提高了工作效率。

Description

一种基于场景描述的航天器多用户协同任务规划系统

技术领域

本发明属于航天器任务规划技术领域，具体涉及一种基于场景描述的航天器多用户协同任务规划系统。

背景技术

航天器任务规划是将航天器任务、物资资源、载荷设备、航天器和人系统映射到统一的数学空间，运用数据工具和现代计算机技术，在航天器环境约束和资源约束下，按照任务目的对航天器任务的安排进行筹划，使各种任务资源以统一的计划，有序、协调行动的一门综合学科。

OpenSPIFe(全称Open Scheduling and Planning Interface Exploration，缩写为OpenSPIFe)是一款任务规划调度系统。OpenSPIFe是由NASA(美国国家航空航天局)所开源的综合规划和调度工具包。它经过专家们数百小时的测试和观察，并且在NASA内部中已经被应用于勇气号和机遇号的火星探测任务，凤凰号火星着陆器任务和好奇号火星科学实验任务。同时还被应用于国际空间站(ISS)的飞行前规划和实时分析。

OpenSPIFe任务规划调度系统可以分为字典模型和规划界面两大核心功能。

1.字典建模分为活动和资源两种模型，并很好的支持模型的属性和动态类扩展。活动和资源是对现实世界的抽象类型，作为后期任务规划阶段的输入，进入规划中。

a)活动模型主要是高频活动的模型抽象，在规划中可以通过活动模型快速创建一个活动实例。活动模型包括影响对象、约束对象和属性对象。

i.影响对象是事件对于资源的影响，对于不同类型的资源对象会有不同的影响对象，影响对象主要在活动的开始和结束的一个相对时间点各对资源的值产生一个增量或赋值的影响；

ii.约束对象是活动开始时或发生的自始至终对某个值或资源状态的约束；

iii.属性对象是活动的一个自定义变量，也可以使用自定义变量替代活动中的某些值，例如活动的持续时间。

b)资源模型共分为四类，包括数值类型建模、状态类型建模、独占类型建模和共享类型建模。

i.数值类型资源可以量化，主要包含数值上限和数值下线两个参数；

ii.状态类型资源需要制定一个枚举数组作为可能存在的状态；

iii.独占类型资源和共享类型资源可以作为数值类型资源的特例，主要包含一个布尔数值参数。

2.规划界面中，左边为字典活动，中上为规划界面，中下为规划建议，右侧为表格编辑器。

a)“字典活动”是活动模型的抽象画，资源模型和活动模型都在该部分展示

b)“规划界面”提供传统的基于时间的计划表示。界面上的每个条形都代表活动，活动的宽度根据计划时间的长短做出相应的变化。

c)“规划建议”会显示系统约束和资源冲突的原因和消解冲突的建议，每一次改变活动的位置都会自动检测冲突信息，用户可根据需要选择自动消解或手动消解冲突。

d)“规划编辑”对于现实大量活动的时候非常有用，可以配置活动信息，包括基本的开始时间和持续时间以及资源需求和每个活动资源消耗预测的详细信息。

规划可以理解为将一段时间内所要发生的活动和资源通过一定的规则按照执行的时间顺序进行编排。该系统通过活动对要编排的任务进行抽象，将任务的属性和动作抽象为统一的模型。读取模型数据在“规划界面”中展示，通过移动图形化模型和修改“规划编辑”中模型的属性，消解“规划建议”中的冲突，形成一个时间上合理且无冲突的规划方案。

21世纪以来，我国航天事业步入快速发展时期，当前航天器平台与载荷能力也经历了深刻变革，航天器任务的复杂程度和规模量级都有着显著的提升。

OpenSPIFe的工作方式为单人工作模式，只能有一个用户在线编辑模型，效率低下；数据模型简单，不能够全面的表达模型的特征和属性；系统不具备版本控制，模型数据和规划结果不能够复用，增加用户工作量且效率低下；规划界面交互性差，表现形式不够丰富且不美观。不具备应对复杂和大型规模的航天任务规划能力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何实现航天器任务规划中的层级划分，并解决航天器任务规划中模型跨层级复用的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于场景描述的航天器多用户协同任务规划系统，包括场景创建模块、需求采集模块、协同任务规划模块；

所述场景创建模块用于执行创建场景阶段的动作，其中划定规划时间边界，为规划提供数据参数和初始条件，场景创建完毕后，将包含约束、资源类型和资源供应量的场景下发给各用户进行需求采集；所述资源供应量是任务规划事件所能够消耗的资源最大总量；所述约束包含任务规划事件的逻辑约束和资源约束，逻辑约束表示事件可以互斥、并行或同时执行，资源约束受限于航天器运载能力和有限的航天员工作时长；

所述需求采集模块用于执行需求采集阶段的动作，其中通过场景获取任务信息，同时根据场景中提供的约束和资源类型，提报任务规划事件的需求数据：首先，创建任务事件名称，选择事件的规划阶段、选择特征点配置事件的规划时间、填写事件的持续时长；然后，配置事件执行过程中所需要的资源消耗；其次，判断选择事件是否为航天员例行工作，如果是，则配置所需要的航天员人时消耗数据，否则，无需额外处理；最后，配置事件的逻辑约束，包括与其他事件的与、或、互斥、不同时，这些逻辑约束；所述特征点为任务规划事件提供相对时间参考点；

所述协同任务规划模块用于执行任务规划阶段的动作，其中读取需求采集模块提报的数据，对数据进行校验，分析场景数据是否正确；在检验通过后，协同任务规划模块开始组装数据，根据场景ID获取场景中当前所有事件，通过读取事件等级、事件持续时长和逻辑关系决定事件在协同任务规划模块展示的颜色、长度和形式。

优选地，所述协同任务规划模块还用于执行如下动作：多个从服务在登录后，通过心跳机制，使从服务每秒向主服务发送一个请求，主服务接收到请求后给出应答，与主服务器保持长连接，在主服务器主动推送的支持下，保证主服务器与从服务能够实现双向通信；当任意从服务进行了规划或者编辑操作时，将修改的数据增量钝化到缓存的RDB文件中，将变动的增量文件通过长连接发送到主服务器的缓存中，并修改主服务的RDB文件，使主服务器接收数据，将数据处理并转发给其他参与该场景协同规划的从服务，并标记本次变更涉及到的数据为只读，只能由变更发起方才能修改，只读标记的颗粒度为事件、物资等场景内的对象；当变更发起方保存了己方的修改时，使变更发起方将保存数据的请求发送到主服务器，主服务器通过长连接通知其他从服务，解除对修改数据的只读限制，其它从服务可继续编排该数据。

优选地，所述需求采集模块提报任务规划事件的需求数据的方式具体为：首先，创建任务事件名称，选择事件的规划阶段、选择特征点配置事件的规划时间、填写事件的持续时长；然后，配置事件执行过程中所需要的资源消耗；其次，判断选择事件是否为航天员例行工作，如果是，则配置所需要的航天员人时消耗数据，否则，无需额外处理；最后，配置事件的逻辑约束，包括与其他事件的与、或、互斥、不同时，这些逻辑约束；所述特征点为任务规划事件提供相对时间参考点。

优选地，所述协同任务规划模块还用于执行如下动作：事件在未被修改时，该事件的分服务ID为0；在编辑事件时，通过将分服务信息设置到从服务ID字段当中，然后将事件ID、从服务ID和编辑事件时间戳发送到主服务器缓存中，当一个事件ID同一时间出现多次时，会按照时间顺序进入到一个双向队列中，同时主服务器在对于最先进入队列中的事件，判断从服务ID是否为0，如果不为0则对该事件施加对象锁，设定数据所有者，保证其编辑权限；主服务器通过获取最先进入队列的事件ID，会向非该ID的分服务分配只读权限，并做出提示并冻结编辑效果，以此保障协同规划数据编辑的安全性。

优选地，所述协同任务规划模块的规划界面支持搜索、精度调整、拖动、移动、定位和对齐这些操作方式。

优选地，所述协同任务规划模块的规划界面具备表格化展示、图形化展示、按系统展示、扁平化展示和分组展示这些展示形式。

优选地，所述协同任务规划模块采用WebSocket传输技术实现。

优选地，所述协同任务规划模块还采用Redis缓存技术实现。

本发明还提供了一种利用所述系统实现的航天器多用户协同任务规划方法。

本发明还提供了一种所述系统在航天器任务规划技术领域中的应用。

(三)有益效果

本发明通过场景的概念实现，不仅能够完全契合航天器任务规划中的层级划分，还能解决航天器任务规划中模型跨层级复用的问题，去除冗余的建模工作，让用户将把更多的精力投入到规划业务中。本发明基于B/S的系统架构架构设计，也解决了OpenSPIFe单一用户规划问题，多用户之间能够快速建模有效协同规划，大大提高了工作效率。

附图说明

图1为OpenSPIFe工作流程图；

图2为本发明的系统工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供了一种基于场景的多用户需求建模与协同规划系统。任务发起者根据场景能够划定规划层级、确定规划目的、选择参与用户；任务接收者通过场景填报资源和约束模型，支持多用户同时在线操作和版本管理；场景之间相互独立，能够拉取其他场景中的数据模型到当前场景中，实现数据模型的复用，去除模型的重复构建；本发明基于当前场景的数据开启图形化规划，支持多用户协同规划，提高工作效率。该系统能够实现需求模型的实时更新，短时间内规划结果的快速更新与迭代，具备良好的应对和处理复杂的大规模航天任务规划的能力。

本发明提供的一种基于场景描述的航天器多用户协同任务规划系统，围绕场景的概念进行设计，由场景作为任务的发起点并对任务目标和任务约束进行；该系统包括场景创建模块、需求采集模块、协同任务规划模块；

所述场景创建模块描述规划的任务目标和约束信息，将场景下发到相应的职能部门，由该职能部门的人员进行模型的录入，并将提报信息返回场景创建部门，场景创建部门开启规划，读取模型数据，在规划界面上展示。系统工作流程如图1所示，根据设计产生以下名词：

场景：场景是一个划定规划任务时间界限、基本信息，囊括资源模型、约束模型以及规划参数的数据集合；

规划界面：用于展示任务模型的可视化界面，在场景划定的时间范围内可自由移动任务位置；

开启新规划：在同一个场景中，每开启一次新规划，就会读取最新的需求数据进行任务规划演算，各规划之间相互独立，能够自由选择需求版本进行规划。

(1)场景创建模块执行创建场景阶段的动作，场景的作用主要是划定规划时间边界，为规划提供数据参数和初始条件，场景创建完毕后，将包含着约束、资源类型和资源供应量的场景下发给各用户进行需求采集。在本发明中，创建了以下数据结构：

开始和结束时间：作为场景中所有任务的时间边界，任务调整的范围只能在该区间内；

运行阶段：为任务规划事件进一步细化用于规划的时间区间，只允许事件在该区间内进行时间编排；

特征点：为任务规划事件提供相对时间参考点；

资源供应量：用于提供任务规划事件所能够消耗的资源最大总量；

约束：提供任务规划事件的逻辑约束和资源约束，逻辑约束表示事件可以互斥、并行或同时执行，资源约束受限于现有的航天器运载能力和有限的航天员工作时长等；

(2)需求采集模块执行需求采集阶段的动作，各中心通过下发的场景了解任务信息，同时根据场景中提供的约束和资源类型，提报任务规划事件的需求数据：首先，创建任务事件名称，选择事件的规划阶段、选择特征点配置事件的规划时间、填写事件的持续时长；然后，配置事件执行过程中所需要的资源消耗；其次，判断选择事件是否为航天员例行工作，如果是，则配置所需要的航天员人时消耗数据，否则，无需额外处理；最后，配置事件的逻辑约束，包括与其他事件的与(都执行或者都不执行)、或(至少一个被执行)、互斥(只有一个可执行)、不同时(不可以同时发生)，这些逻辑约束；

(3)在上述需求采集阶段，数据编辑完成，提交到任务总体，任务总体综合考虑各方需求对提报的信息进行整理，每一次修改模型数据，都会将数据版本加一，并通过版本号完成对数据的追溯；

(4)协同任务规划模块执行任务规划阶段的动作，“开启新规划”读取需求采集模块提报的数据，首先对数据进行校验，分析场景数据是否正确；然后初始化协同规划数据；最后初始化算法配置；

(5)在检验通过后，协同任务规划模块开始组装数据，根据场景ID获取场景中当前所有事件，通过读取事件等级、事件持续时长和逻辑关系决定事件在规划界面上展示的颜色、长度和形式；

(6)为保证多个用户登录统一场景能够进行协同规划，协同任务规划模块接下来执行如下动作：多个从服务在登录协同规划界面后，通过心跳机制，使从服务每秒向主服务发送一个请求，主服务接收到请求后给出应答，与主服务器保持长连接，在主服务器主动推送的支持下，保证主服务器与从服务能够实现双向通信；当任意从服务进行了规划或者编辑操作时，将修改的数据增量钝化到缓存的RDB文件中，将变动的增量文件通过长连接发送到主服务器的缓存中，并修改主服务的RDB文件，使主服务器接收数据，将数据处理并转发给其他参与该场景协同规划的从服务，并标记本次变更涉及到的数据为只读，只能由变更发起方才能修改，只读标记的颗粒度为事件、物资等场景内的对象；当变更发起方保存了己方的修改时，使变更发起方将保存数据的请求发送到主服务器，主服务器通过长连接通知其他从服务，解除对修改数据的只读限制，其它从服务可继续编排该数据。

进一步地，为了解决可能存在的同一事件同一时间可能被多个分服务进行修改的情况。事件在未被修改时，该事件的分服务ID为0；在编辑事件时，通过将分服务信息设置到从服务ID字段当中，然后将事件ID、从服务ID和编辑事件时间戳发送到主服务器缓存中，当一个事件ID同一时间出现多次时，会按照时间顺序进入到一个双向队列中，同时主服务器在对于最先进入队列中的事件，判断从服务ID是否为0，如果不为0则对该事件施加对象锁，设定数据所有者，保证其编辑权限；主服务器通过获取最先进入队列的事件ID，会向非该ID的分服务分配只读权限，并通过界面做出提示并冻结编辑效果，以此保障协同规划数据编辑的安全性。规划界面支持搜索、精度调整、拖动、移动、定位和对齐等多种操作方式。具备表格化展示、图形化展示、按系统展示、扁平化展示和分组展示等多种展示形式。

可以看出，本发明提出场景概念，将每一次任务规划作为独立的数据集合，场景与场景之间彼此独立，又可相互建立联系。彼此独立体现在不同层级的场景可以共存，能够支持用户并行开展工作，大大提高规划频次和规划效率；建立联系体现在当前场景可以通过选择，复制历史场景中的任务到当前场景中，不同的场景中可以出现相同的任务数据，不仅实现了模型复用，能够快速构建规划数据而且为单个场景中任务版本管理提供了环境。场景中包含任务目标、需求数据、规划模型、规划参数等关键信息，使规划模块对数据能够做到随取随用，无需担心跨层级的数据噪点。

协同规划主要采用了WebSocket传输技术和Redis缓存技术。通过WebSocket传输技术实现了前台规划页面与后台之间的规划数据同步，后台将规划数据缓存到Redis数据库中，不同用户在不同时进入规划页面时都读取Redis数据库中同一规划的数据，解决协同规划时数据不一致的问题；同时对于websocket发送给后台的增量数据，后台处理后将增量信息进行缓存，用于规划数据的持久化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于场景描述的航天器多用户协同任务规划系统，其特征在于，包括场景创建模块、需求采集模块、协同任务规划模块；

所述场景创建模块用于执行创建场景阶段的动作，其中划定规划时间边界，为规划提供数据参数和初始条件，场景创建完毕后，将包含约束、资源类型和资源供应量的场景下发给各用户进行需求采集；所述资源供应量是任务规划事件所能够消耗的资源最大总量；所述约束包含任务规划事件的逻辑约束和资源约束，逻辑约束表示事件可以互斥、并行或同时执行，资源约束受限于航天器运载能力和有限的航天员工作时长；

所述需求采集模块用于执行需求采集阶段的动作，其中通过场景获取任务信息，同时根据场景中提供的约束和资源类型，提报任务规划事件的需求数据：首先，创建任务事件名称，选择事件的规划阶段、选择特征点配置事件的规划时间、填写事件的持续时长；然后，配置事件执行过程中所需要的资源消耗；其次，判断选择事件是否为航天员例行工作，如果是，则配置所需要的航天员人时消耗数据，否则，无需额外处理；最后，配置事件的逻辑约束，包括与其他事件的与、或、互斥、不同时，这些逻辑约束；所述特征点为任务规划事件提供相对时间参考点；

所述协同任务规划模块用于执行任务规划阶段的动作，其中读取需求采集模块提报的数据，对数据进行校验，分析场景数据是否正确；在检验通过后，协同任务规划模块开始组装数据，根据场景ID获取场景中当前所有事件，通过读取事件等级、事件持续时长和逻辑关系决定事件在协同任务规划模块展示的颜色、长度和形式。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述协同任务规划模块还用于执行如下动作：多个从服务在登录后，通过心跳机制，使从服务每秒向主服务发送一个请求，主服务接收到请求后给出应答，与主服务器保持长连接，在主服务器主动推送的支持下，保证主服务器与从服务能够实现双向通信；当任意从服务进行了规划或者编辑操作时，将修改的数据增量钝化到缓存的RDB文件中，将变动的增量文件通过长连接发送到主服务器的缓存中，并修改主服务的RDB文件，使主服务器接收数据，将数据处理并转发给其他参与该场景协同规划的从服务，并标记本次变更涉及到的数据为只读，只能由变更发起方才能修改，只读标记的颗粒度为事件、物资等场景内的对象；当变更发起方保存了己方的修改时，使变更发起方将保存数据的请求发送到主服务器，主服务器通过长连接通知其他从服务，解除对修改数据的只读限制，其它从服务可继续编排该数据。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述需求采集模块提报任务规划事件的需求数据的方式具体为：首先，创建任务事件名称，选择事件的规划阶段、选择特征点配置事件的规划时间、填写事件的持续时长；然后，配置事件执行过程中所需要的资源消耗；其次，判断选择事件是否为航天员例行工作，如果是，则配置所需要的航天员人时消耗数据，否则，无需额外处理；最后，配置事件的逻辑约束，包括与其他事件的与、或、互斥、不同时，这些逻辑约束；所述特征点为任务规划事件提供相对时间参考点。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述协同任务规划模块还用于执行如下动作：事件在未被修改时，该事件的分服务ID为0；在编辑事件时，通过将分服务信息设置到从服务ID字段当中，然后将事件ID、从服务ID和编辑事件时间戳发送到主服务器缓存中，当一个事件ID同一时间出现多次时，会按照时间顺序进入到一个双向队列中，同时主服务器在对于最先进入队列中的事件，判断从服务ID是否为0，如果不为0则对该事件施加对象锁，设定数据所有者，保证其编辑权限；主服务器通过获取最先进入队列的事件ID，会向非该ID的分服务分配只读权限，并做出提示并冻结编辑效果，以此保障协同规划数据编辑的安全性。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述协同任务规划模块的规划界面支持搜索、精度调整、拖动、移动、定位和对齐这些操作方式。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述协同任务规划模块的规划界面具备表格化展示、图形化展示、按系统展示、扁平化展示和分组展示这些展示形式。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述协同任务规划模块采用WebSocket传输技术实现。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述协同任务规划模块还采用Redis缓存技术实现。

9.一种利用权利要求1至8中任一项所述系统实现的航天器多用户协同任务规划方法。

10.一种如权利要求1至8中任一项所述系统在航天器任务规划技术领域中的应用。

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