[发明专利]基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法

摘要

本发明公开了一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法，本发明将单卫星调度问题的自适应大邻域搜索扩展到多卫星调度问题。通过定义四种分配操作，将自适应任务分配机制引入到大邻域搜索框架中。在基于自适应任务分配的大邻域搜索中，移除操作从当前解决方案中移除任务，插入操作将任务插入被移除的解决方案中，如果解决方案经过多次迭代仍未改进，则分配操作将任务重新分配给不同的卫星。本发明优化了动态任务的敏捷地球观测卫星群的任务分配问题，使卫星在运行过程中，可以随时处理动态任务。

主权项

1.一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n(1)初始化多敏捷地球观测卫星模型中的参数；定义分配指示符ξ用来表示是否混合和重新分配来自不同卫星的任务，分配指示符ξ初始化为false。/n(2)将单卫星的初始调度方案定义为初始奖励定义为把赋值给当前调度方案和最佳调度方案把赋值给当前奖励和最佳奖励/n(3)对于单卫星，在当前调度方案中执行移除操作，即把当前调度方案中的部分任务移除到单卫星任务库M^s中；根据任务的优先级，迭代的移除优先级最低的p个任务，得到移除后的调度方案/n(4)当ξ为true时，触发任务分配操作，并且重置ξ为false。分配操作分为四种，每种分配操作分别定义一个分数τ和一个权重定义τ_i和为第i种分配操作的分数和权重，并初始化；使用轮盘赌算法来选择分配操作，选择分配操作的概率计算方法为/n(5)在步骤(4)中选定分配操作后，执行该分配操作。任务分配操作是在所有卫星的总任务库M上进行的。该过程是把单卫星任务库M^s中的任务混合到总任务库M中，再按照以下分配操作的一种，分配到各自的任务库M^s中。任务分配操作由以下四种组成：/na)随机分配/n把总任务库M任务随机分配到单卫星任务库M^s。/nb)冲突分配/n定义W_ij＝{w_ij1，…，w_ijl}为任务t_i在卫星s_j上的l个可见时间窗，定义第k个可见时间窗w_ijk的冲突度C_ijk，当C_ijk＜1时，将任务t_i分配到卫星s_j的任务库中。冲突度的公式为：/n /n其中，lap(w_ijk)是与w_ijk有重叠的可见时间窗的集合，TimeSpan是求重叠时长，b_ijk和e_ijk分别表示时间窗w_ijk的开始时间和结束时间。/n任务t_i在卫星s_j上总冲突度可表示为：/n /nc)卫星位置分配/n遍历总任务库M中的所有任务，如果一个任务与单卫星任务库M^s中的某个任务观测点相同或者相近，则将该任务分配到该卫星任务库M^s中。当总任务库M中没有任务或剩余任务都找不到相邻观测点时，结束分配操作。/nd)经验分配/n该操作根据历史经验将任务分配给卫星。d^e为经验度，F＝{f₁，…，f_|F|}为任务t_i在卫星s_j上的奖励集合。/n /n为了平衡各卫星执行任务的数量，定义由β表示的平衡因子。对于卫星s_j，其平衡因子β_j定义为：/n /n其中，n_j表示分配到卫星s_j上任务的数量，n_j有如下定义：/n /n其中，x_ijk在卫星j的第k个时间窗执行任务i时为1，其他情况为0；T＝{t₁，…，t_n}表示用户请求的任务集，n_max表示允许分配到一个卫星上任务的最大数量，n_max＝max{|T|/|S|，Q}，Q是一个敏捷卫星在一段时间内可以完成的最大任务数，S＝{s₁，…，s_m}表示所有卫星的集合；/n(6)每执行η次分配操作，更新一次分配操作的权重，公式为：/n /n其中，λ∈[0，1]是决定历史信息的参数；初始化分配操作的分数τ_i。/n(7)在单卫星任务库M^s得到更新以后，对移除后的调度方案执行修复操作。根据冲突度C_ijk，从任务库M^s中取出冲突度C_ijk小于阈值的任务，并将它们插入到中，得到新的解决方案如果新方案的奖励优于最佳奖励则接受新的方案，更新以下变量：/n /n否则使用模拟退火标准来决定是否接受新的解决方案。如果接受新的解决方案，则更新当前调度方案和当前方案的奖励如果放弃新的解决方案，则不做任何更新。/n(8)更新分配操作的分数τ_i。/n(9)定义总奖励当总奖励F_C连续ω次没有改善，执行ξ←true，在下一次迭代中触发分配操作。/n(10)如果迭代达到最大迭代次数或所有任务都被分配，则结束分配流程，输出最佳调度方案否则重复执行步骤(3)～(9)。/n