本發(fā)明涉及空天地一體化對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種空天地觀測(cè)資源的協(xié)同規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

目前，作為空天地一體化對(duì)地觀測(cè)傳感網(wǎng)的核心，異構(gòu)資源的協(xié)同規(guī)劃技術(shù)是將應(yīng)急災(zāi)害任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為多類觀測(cè)平臺(tái)多傳感器具體觀測(cè)方案的主要手段，是提高異構(gòu)觀測(cè)傳感網(wǎng)工作收益、充分挖掘多類觀測(cè)平臺(tái)多傳感器系統(tǒng)潛在觀測(cè)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在。空天地觀測(cè)資源的協(xié)同規(guī)劃問題的本質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的指派問題，其目標(biāo)是在滿足觀測(cè)資源承載能力和約束規(guī)則、任務(wù)需求等情況的前提下，將觀測(cè)任務(wù)合理地分配給多類觀測(cè)平臺(tái)，以保證為盡可能多的任務(wù)安排觀測(cè)資源，最終實(shí)現(xiàn)多類觀測(cè)平臺(tái)和觀測(cè)任務(wù)的最優(yōu)匹配。

國內(nèi)外開展了大量對(duì)地觀測(cè)資源規(guī)劃調(diào)度的研究，可以從單類觀測(cè)平臺(tái)的內(nèi)部規(guī)劃和多類觀測(cè)平臺(tái)的統(tǒng)一協(xié)同規(guī)劃兩個(gè)角度進(jìn)行分析。由于對(duì)地觀測(cè)各地方單位體制的差異，不同單位擁有的觀測(cè)資源很少統(tǒng)籌規(guī)劃，導(dǎo)致現(xiàn)有的協(xié)同方案大都集中于單類觀測(cè)平臺(tái)的內(nèi)部規(guī)劃。其中，多星的規(guī)劃調(diào)度模型研究最為豐富，通常以啟發(fā)式算法為主，綜合考慮衛(wèi)星特性和任務(wù)的時(shí)空約束關(guān)系建立自動(dòng)匹配機(jī)制。無人機(jī)或飛艇等空天地單類觀測(cè)平臺(tái)的規(guī)劃方法近年來得到了快速發(fā)展，與多星的協(xié)同規(guī)劃問題類似，無人機(jī)的多機(jī)協(xié)同目標(biāo)分配問題是具有復(fù)雜約束條件的np問題，基于分布式的協(xié)同規(guī)劃框架和智能優(yōu)化算法逐漸成為多機(jī)協(xié)同規(guī)劃的有效工具。

衛(wèi)星、無人機(jī)和飛艇等單類觀測(cè)平臺(tái)的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)已經(jīng)趨向成熟，各單類觀測(cè)平臺(tái)孤立規(guī)劃所獲取的觀測(cè)效益已經(jīng)趨向極限。實(shí)際任務(wù)觀測(cè)過程中通常采用按序分配的方式，首先將觀測(cè)任務(wù)按照觀測(cè)收益大小排序，然后根據(jù)收益順序依次將任務(wù)分配給一個(gè)觀測(cè)資源，當(dāng)此觀測(cè)資源滿足觀測(cè)需求時(shí)，將此任務(wù)分配給此觀測(cè)資源，否則嘗試下一個(gè)觀測(cè)資源，直至所有任務(wù)分配完畢或沒有任何觀測(cè)資源能夠滿足剩余任務(wù)為止。

基于單類觀測(cè)平臺(tái)的規(guī)劃方法僅解決了單類觀測(cè)平臺(tái)中多個(gè)同類觀測(cè)資源的協(xié)同問題，顯然不能滿足空天地多類觀測(cè)平臺(tái)之間協(xié)同觀測(cè)的需求。而多類觀測(cè)平臺(tái)協(xié)同規(guī)劃中，傳統(tǒng)的按序分配方法的優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)簡單、計(jì)算快捷高效，不用考慮多類觀測(cè)平臺(tái)的差異性，但對(duì)多類觀測(cè)平臺(tái)中不同類別的觀測(cè)資源的觀測(cè)能力對(duì)任務(wù)分配的影響機(jī)理考慮不足，沒有深入分析約束條件對(duì)任務(wù)分配造成的沖突關(guān)系以及多類觀測(cè)平臺(tái)的合作和競爭機(jī)制，從而導(dǎo)致多類觀測(cè)平臺(tái)之間不能深度的協(xié)同合作，造成任務(wù)觀測(cè)收益的低下，在付出多類觀測(cè)平臺(tái)的情況下沒有取得一加一大于二的協(xié)同效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述問題或者至少部分地解決上述問題，本發(fā)明提供了一種空天地觀測(cè)資源的協(xié)同規(guī)劃方法。

本發(fā)明提供了一種空天地觀測(cè)資源的協(xié)同規(guī)劃方法，包括：s11，根據(jù)待分配任務(wù)集合中各待分配任務(wù)之間的沖突關(guān)系和規(guī)劃中心中觀測(cè)資源的參數(shù)信息，構(gòu)建基于任務(wù)沖突的啟發(fā)式準(zhǔn)則；s12，根據(jù)所述啟發(fā)式準(zhǔn)則，計(jì)算所述規(guī)劃中心中所述觀測(cè)資源觀測(cè)待分配任務(wù)的觀測(cè)收益；s13，根據(jù)所述觀測(cè)收益，構(gòu)建所述規(guī)劃中心的任務(wù)分配模型。

本發(fā)明提供的一種空天地觀測(cè)資源的協(xié)同規(guī)劃方法，在不同子規(guī)劃中心的協(xié)同規(guī)劃中，考慮不同子規(guī)劃中心的差異性、不同類別的觀測(cè)資源的觀測(cè)能力對(duì)任務(wù)分配的影響機(jī)理，使不同子規(guī)劃中心之間達(dá)到深度的協(xié)同合作，提高規(guī)劃中心對(duì)任務(wù)的觀測(cè)收益，在付出多類子規(guī)劃中心的情況下取得一加一大于二的協(xié)同效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1提供的空天地觀測(cè)資源的協(xié)同規(guī)劃方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2提供的判斷待分配任務(wù)集合中各任務(wù)之間的沖突關(guān)系的方法流程圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中無人機(jī)觀測(cè)任務(wù)時(shí)任務(wù)沖突判斷示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中飛艇觀測(cè)任務(wù)時(shí)任務(wù)沖突判斷示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2中車輛觀測(cè)任務(wù)時(shí)任務(wù)沖突判斷示意圖；

圖6a為本發(fā)明實(shí)施例3中本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)中任務(wù)分配方法針對(duì)加權(quán)任務(wù)完成率指標(biāo)的對(duì)比示意圖；

圖6b為本發(fā)明實(shí)施例3中本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)中任務(wù)分配方法針對(duì)任務(wù)完成率指標(biāo)的對(duì)比示意圖；

圖6c為本發(fā)明實(shí)施例3中本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)中任務(wù)分配方法針對(duì)完成任務(wù)數(shù)量比指標(biāo)的對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

目前，空天地多類觀測(cè)資源協(xié)同規(guī)劃問題看作是觀測(cè)資源與任務(wù)的復(fù)合指派問題，其問題的本質(zhì)是在觀測(cè)資源的維度上將空天地觀測(cè)資源進(jìn)行抽象和剝離，在任務(wù)維度上將多個(gè)任務(wù)進(jìn)行分解和再融合，形成多任務(wù)多類觀測(cè)資源的數(shù)學(xué)分配場(chǎng)景，根據(jù)多類觀測(cè)資源的約束條件和沖突判斷實(shí)現(xiàn)多類觀測(cè)資源和任務(wù)的最優(yōu)匹配。

首先，觀測(cè)資源與任務(wù)是多對(duì)多的關(guān)系，任意觀測(cè)資源都可能觀測(cè)多個(gè)不定的任務(wù)，同時(shí)每個(gè)任務(wù)都可能被多個(gè)資源所觀測(cè)。每個(gè)觀測(cè)資源潛在觀測(cè)的任務(wù)之間，在任意兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)同時(shí)觀測(cè)的情況下可能存在沖突，他們之間不定數(shù)量的復(fù)雜沖突關(guān)系是任務(wù)分配的核心。其次，在任務(wù)分配階段具有高度不確定性，任務(wù)之間沖突關(guān)系和空天地觀測(cè)資源的實(shí)時(shí)觀測(cè)能力都會(huì)隨著兩者匹配關(guān)系的變動(dòng)而改變，需要在這種高度不確定的條件下進(jìn)行任務(wù)與規(guī)劃中心中觀測(cè)資源的精確匹配。再次，空天地不同種類的觀測(cè)資源在機(jī)動(dòng)能力、觀測(cè)能力、載荷性能、使用約束和機(jī)動(dòng)形式等方面存在很大差異，需要統(tǒng)一評(píng)估觀測(cè)資源的實(shí)時(shí)觀測(cè)能力以及在任務(wù)發(fā)生沖突的情況下的剩余觀測(cè)能力。最后，觀測(cè)收益不僅取決于任務(wù)的權(quán)重、面積等必要條件，也與任務(wù)沖突度、任務(wù)沖突率、觀測(cè)資源的觀測(cè)能力、觀測(cè)資源的剩余觀測(cè)能力以及觀測(cè)資源負(fù)載度相關(guān)，所以綜合考慮以上因素并統(tǒng)一協(xié)調(diào)觀測(cè)資源和任務(wù)相關(guān)因素計(jì)算觀測(cè)資源觀測(cè)任務(wù)的觀測(cè)收益是解決任務(wù)分配問題的基礎(chǔ)。

本發(fā)明的實(shí)施例1，如圖1所示，提供了一種空天地觀測(cè)資源的協(xié)同規(guī)劃方法，包括：s11，根據(jù)待分配任務(wù)集合中各待分配任務(wù)之間的沖突關(guān)系和規(guī)劃中心中觀測(cè)資源的參數(shù)信息，構(gòu)建基于任務(wù)沖突的啟發(fā)式準(zhǔn)則；s12，根據(jù)所述啟發(fā)式準(zhǔn)則，計(jì)算所述規(guī)劃中心中觀測(cè)資源觀測(cè)待分配任務(wù)的觀測(cè)收益。

具體的，規(guī)劃中心中包括至少一個(gè)子規(guī)劃中心，每個(gè)子規(guī)劃中心對(duì)應(yīng)一類觀測(cè)資源，每類觀測(cè)資源中均具有至少一個(gè)觀測(cè)資源。觀測(cè)資源的種類可包括：對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星(以下簡稱為衛(wèi)星)、無人機(jī)(unmannedaerialvehicle，英文縮寫為uav)、飛艇和地面監(jiān)測(cè)車(以下簡稱為車輛)。對(duì)應(yīng)的子規(guī)劃中心分別為：衛(wèi)星子規(guī)劃中心、無人機(jī)子規(guī)劃中心、飛艇子規(guī)劃中心和車輛子規(guī)劃中心。

在待分配任務(wù)集合中包括至少一個(gè)待分配任務(wù)，待分配任務(wù)是指規(guī)劃中心中的所有觀測(cè)資源可觀測(cè)的范圍內(nèi)未被分配觀測(cè)資源的任務(wù)，以下將待分配任務(wù)集合中的待分配任務(wù)均簡稱為任務(wù)。

s11，根據(jù)待分配任務(wù)集合中各任務(wù)之間的沖突關(guān)系和規(guī)劃中心中觀測(cè)資源的參數(shù)信息，構(gòu)建基于任務(wù)沖突的啟發(fā)式準(zhǔn)則。

具體的，各任務(wù)之間的沖突關(guān)系是指觀測(cè)資源如果觀測(cè)其他任務(wù)而導(dǎo)致沒有足夠的剩余觀測(cè)能力或時(shí)間完成當(dāng)前任務(wù)的觀測(cè)，則造成當(dāng)前任務(wù)與其他任務(wù)沖突。觀測(cè)資源的參數(shù)信息包括觀測(cè)資源的運(yùn)動(dòng)速度、觀測(cè)資源的幅寬和觀測(cè)資源可觀測(cè)的任務(wù)數(shù)量等。

基于任務(wù)沖突的啟發(fā)式準(zhǔn)則具體包括：觀測(cè)資源負(fù)載度、任務(wù)沖突率、任務(wù)沖突度和觀測(cè)資源的剩余觀測(cè)能力。

以下分別給出計(jì)算四種基于任務(wù)沖突的啟發(fā)式準(zhǔn)則的具體方法。設(shè)規(guī)劃中心中有m個(gè)子規(guī)劃中心，待分配任務(wù)集合中有n個(gè)任務(wù)，子規(guī)劃中心b中有g(shù)個(gè)觀測(cè)資源，觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti為例。

(1)觀測(cè)資源負(fù)載度

觀測(cè)資源負(fù)載度是指觀測(cè)資源在當(dāng)前任務(wù)時(shí)間窗口下可觀測(cè)其他任務(wù)的情況，該觀測(cè)資源在當(dāng)前任務(wù)的時(shí)間窗口下的觀測(cè)資源負(fù)載度與可觀測(cè)其他任務(wù)的數(shù)量呈正比，可觀測(cè)其他任務(wù)的數(shù)量越多則觀測(cè)當(dāng)前任務(wù)的概率越小，觀測(cè)資源負(fù)載度則越大。為任務(wù)選擇觀測(cè)資源時(shí)，更傾向于選擇觀測(cè)資源負(fù)載度較小的觀測(cè)資源。觀測(cè)資源負(fù)載度表征了觀測(cè)資源在觀測(cè)當(dāng)前任務(wù)時(shí)的承載情況，從而間接地表征了在發(fā)生大量任務(wù)沖突時(shí)觀測(cè)資源觀測(cè)當(dāng)前任務(wù)的能力。

在觀測(cè)時(shí)間與觀測(cè)面積呈正比的合理假設(shè)前提下，觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti的觀測(cè)資源負(fù)載度可以用如下公式來確定：

其中，為子規(guī)劃中心b中觀測(cè)資源rj的觀測(cè)資源負(fù)載度，為觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti的時(shí)間窗口，為觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)tk的時(shí)間窗口，任務(wù)tk是與任務(wù)ti沖突的任務(wù)，mj為所述待分配任務(wù)集合中與待分配任務(wù)ti沖突的任務(wù)數(shù)量，sk為任務(wù)tk的面積；vj為觀測(cè)資源rj的速度；wj為觀測(cè)資源rj的幅寬；i取值為1～n，k取值為1～mj，j取值為1～g。

(2)任務(wù)沖突率

任務(wù)沖突率是指在觀測(cè)資源在觀測(cè)當(dāng)前任務(wù)過程中，其他任務(wù)與當(dāng)前任務(wù)在時(shí)間、空間和資源能耗等方面發(fā)生沖突的概率，任務(wù)沖突率越大，則觀測(cè)資源觀測(cè)當(dāng)前任務(wù)的可能性越小。為任務(wù)選擇觀測(cè)資源時(shí)，更傾向于選擇對(duì)應(yīng)任務(wù)沖突率較小的觀測(cè)資源。

任務(wù)沖突率的計(jì)算公式如下：

其中，為任務(wù)沖突度，mj為待分配任務(wù)集合中與任務(wù)ti沖突的任務(wù)數(shù)量，nj為子規(guī)劃中心b中觀測(cè)資源rj可觀測(cè)的任務(wù)數(shù)量，i取值為1～n，k取值為1～mj，j取值為1～g。

(3)任務(wù)沖突度

任務(wù)沖突度是指在觀測(cè)資源不能同時(shí)完成兩個(gè)任務(wù)的情況下，兩個(gè)任務(wù)沖突的嚴(yán)重程度，體現(xiàn)了觀測(cè)資源在任務(wù)沖突的情況下，觀測(cè)資源仍然觀測(cè)當(dāng)前任務(wù)的概率。為任務(wù)選擇觀測(cè)資源時(shí)則傾向于選擇任務(wù)沖突度小的觀測(cè)資源。任務(wù)沖突度受到發(fā)生沖突的任務(wù)雙方的權(quán)重、面積和覆蓋度的影響。其中，任務(wù)的權(quán)重與任務(wù)的重要程度成正比，可以作為任務(wù)重要性的指標(biāo)。面積和權(quán)重體現(xiàn)了觀測(cè)資源觀測(cè)一個(gè)任務(wù)的觀測(cè)收益大小，覆蓋度體現(xiàn)了觀測(cè)資源觀測(cè)完成任務(wù)的可能性。對(duì)于任務(wù)ti和與之沖突的任務(wù)tk，任務(wù)ti的面積或權(quán)重越大則觀測(cè)資源rj選擇觀測(cè)任務(wù)ti的概率就越大。任務(wù)ti的覆蓋度越小則說明可用來觀測(cè)ti的觀測(cè)資源越少，當(dāng)前資源rj觀測(cè)任務(wù)ti的概率越大。

任務(wù)沖突度的計(jì)算公式如下：

其中，為任務(wù)沖突率，wi和si分別為任務(wù)ti的權(quán)重和面積，wk和sk分別為任務(wù)tk的權(quán)重和面積，li和lk分別為任務(wù)ti和任務(wù)tk的覆蓋度，mj為待分配任務(wù)集合中與任務(wù)ti沖突的任務(wù)數(shù)量，i取值為1～n，k取值為1～mj，j取值為1～g。

(4)觀測(cè)資源的剩余觀測(cè)能力

觀測(cè)資源的剩余觀測(cè)能力是指觀測(cè)資源在觀測(cè)完成一個(gè)任務(wù)后，該觀測(cè)資源能夠觀測(cè)與該任務(wù)產(chǎn)生沖突的任務(wù)的能力。為任務(wù)選擇觀測(cè)資源時(shí)，通常選擇剩余觀測(cè)能力較大的觀測(cè)資源。

假設(shè)觀測(cè)資源rj在觀測(cè)完成任務(wù)tk后，仍舊能夠觀測(cè)完成與任務(wù)tk沖突的任務(wù)ti的面積為則體現(xiàn)了觀測(cè)資源rj對(duì)任務(wù)ti的剩余觀測(cè)能力，越大表示觀測(cè)資源rj的剩余觀測(cè)能力越強(qiáng)。主要受任務(wù)之間在時(shí)間、空間和資源能耗等方面發(fā)生沖突的影響。

觀測(cè)資源的剩余觀測(cè)能力的計(jì)算公式如下：

其中，為觀測(cè)資源的剩余觀測(cè)能力，為觀測(cè)資源rj完成任務(wù)tk后仍能完成任務(wù)ti的面積，si為任務(wù)ti的面積，mj為待分配任務(wù)集合中與任務(wù)ti沖突的任務(wù)數(shù)量，i取值為1～n，k取值為1～mj，j取值為1～g。

s12，根據(jù)步驟s11得到的啟發(fā)式準(zhǔn)則，計(jì)算規(guī)劃中心中觀測(cè)資源觀測(cè)任務(wù)的觀測(cè)收益。

子規(guī)劃中心b中的觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti的觀測(cè)收益的大小代表著此任務(wù)由此觀測(cè)資源觀測(cè)的希望大小，觀測(cè)收益與當(dāng)前任務(wù)的加權(quán)面積成正比，觀測(cè)資源負(fù)載度、任務(wù)沖突率、任務(wù)沖突度和觀測(cè)資源的剩余觀測(cè)能力則間接地體現(xiàn)了任務(wù)的執(zhí)行概率。根據(jù)如下公式計(jì)算該子規(guī)劃中心中觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti的觀測(cè)收益

其中，j取值為1～g，表示至少三個(gè)任務(wù)之間沖突的情況下觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti的觀測(cè)資源負(fù)載度權(quán)重，表示在至少三個(gè)任務(wù)存在沖突情況下觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti的觀測(cè)收益。表示兩兩任務(wù)之間沖突的情況下觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti的觀測(cè)收益權(quán)重，表示兩兩任務(wù)之間發(fā)生沖突的情況下觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti的觀測(cè)收益。α+β＝1，α表示兩兩任務(wù)之間發(fā)生沖突的概率對(duì)觀測(cè)收益的影響權(quán)重，表示通過對(duì)兩兩任務(wù)之間發(fā)生沖突的概率進(jìn)行估計(jì)后得到的觀測(cè)收益，β表示兩兩任務(wù)之間發(fā)生沖突后觀測(cè)資源rj的剩余觀測(cè)能力對(duì)觀測(cè)收益的影響權(quán)重，表示通過對(duì)兩兩任務(wù)發(fā)生沖突后的剩余觀測(cè)能力進(jìn)行估計(jì)而得到的觀測(cè)收益，wi和si分別為任務(wù)ti的權(quán)重和面積，i取值為1～n，k取值為1～mj。

根據(jù)上式可計(jì)算出子規(guī)劃中心b中所有觀測(cè)資源觀測(cè)任務(wù)ti的觀測(cè)收益為：

選擇觀測(cè)任務(wù)ti的觀測(cè)收益大的子規(guī)劃中心對(duì)任務(wù)進(jìn)行觀測(cè)，使不同子規(guī)劃中心之間達(dá)到協(xié)同合作，使任務(wù)分配更加合理。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，還包括根據(jù)子規(guī)劃中心b中所有觀測(cè)資源觀測(cè)任務(wù)ti的觀測(cè)收益構(gòu)建所述規(guī)劃中心的任務(wù)分配模型。

由于不同類別的觀測(cè)資源完成任務(wù)的能力有限，所以不能單純的考慮將任務(wù)分配給觀測(cè)收益大的子規(guī)劃中心。根據(jù)如下公式構(gòu)建任務(wù)分配模型：

其中，表示一個(gè)任務(wù)只能分給一個(gè)子規(guī)劃中心或不分配給此子規(guī)劃中心。表示一個(gè)子規(guī)劃中心最多能夠觀測(cè)n個(gè)任務(wù)。為包含m個(gè)子規(guī)劃中心的規(guī)劃中心觀測(cè)任務(wù)ti的觀測(cè)收益。通過優(yōu)化算法，對(duì)不同的子規(guī)劃中心選取以使得mod為規(guī)劃中心的觀測(cè)收益最大值。此時(shí)，選取對(duì)應(yīng)的子規(guī)劃中心b作為觀測(cè)任務(wù)ti的子規(guī)劃中心。

整個(gè)任務(wù)分配模型是將任務(wù)分配給能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)規(guī)劃中心的觀測(cè)收益最大的子規(guī)劃中心。同時(shí)要保證，為衛(wèi)星子規(guī)劃中心分配任務(wù)時(shí)，衛(wèi)星一旦開始執(zhí)行該任務(wù)時(shí)便不能中止或衛(wèi)星完全不執(zhí)行該任務(wù)。子規(guī)劃中心對(duì)任務(wù)更大的完成概率意味著對(duì)任務(wù)有更大的觀測(cè)收益，要將高權(quán)重大面積的任務(wù)優(yōu)先分配給使整個(gè)規(guī)劃中心觀測(cè)收益最高的子規(guī)劃中心。

本實(shí)施例中，通過任務(wù)之間的沖突關(guān)系和觀測(cè)資源的參數(shù)信息，構(gòu)建基于任務(wù)沖突的啟發(fā)式準(zhǔn)則；并根據(jù)啟發(fā)式準(zhǔn)則，計(jì)算規(guī)劃中心中觀測(cè)資源觀測(cè)任務(wù)的觀測(cè)收益，根據(jù)觀測(cè)收益，構(gòu)建規(guī)劃中心的任務(wù)分配模型。在不同子規(guī)劃中心的協(xié)同規(guī)劃中，考慮不同子規(guī)劃中心的差異性、不同類別的觀測(cè)資源的觀測(cè)能力對(duì)任務(wù)分配的影響機(jī)理，使不同子規(guī)劃中心之間達(dá)到深度的協(xié)同合作，提高規(guī)劃中心對(duì)任務(wù)的觀測(cè)收益，在付出多類子規(guī)劃中心的情況下取得一加一大于二的協(xié)同效果。

本發(fā)明的實(shí)施例2，與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于，在步驟s11前還包括判斷待分配任務(wù)集合中各任務(wù)之間的沖突關(guān)系，具體方法如圖2所示：s21，判斷待分配任務(wù)集合中一個(gè)任務(wù)與其他任務(wù)是否沖突；s22，若沖突，則記錄與此待分配任務(wù)沖突的任務(wù)數(shù)量和任務(wù)信息。其中，任務(wù)信息包括：與此待分配任務(wù)沖突的任務(wù)的時(shí)間窗口、與此待分配任務(wù)之間的覆蓋級(jí)別等任務(wù)的各類信息。

步驟s21可具體為，判斷觀測(cè)資源觀測(cè)待分配任務(wù)集合中一個(gè)任務(wù)與觀測(cè)待分配任務(wù)集合中其他任務(wù)時(shí)是否滿足約束條件，若不滿足約束條件，則判斷此任務(wù)與其他任務(wù)沖突；所述約束條件包括：時(shí)間窗口約束條件、持續(xù)時(shí)間約束條件、開關(guān)機(jī)次數(shù)約束條件、續(xù)航里程約束條件和存儲(chǔ)容量約束條件中的一種或多種。

設(shè)待分配任務(wù)集合中共有n個(gè)任務(wù)，任務(wù)用ti表示，與ti不同的其他任務(wù)用tu表示，其中，i和u取值均為1～n，此規(guī)劃中心中有g(shù)個(gè)觀測(cè)資源，觀測(cè)資源用rj表示，其中，j取值為1～g。rj觀測(cè)任務(wù)ti的時(shí)間窗口為rj觀測(cè)任務(wù)tu的時(shí)間窗口為rj觀測(cè)任務(wù)ti需要的開關(guān)機(jī)次數(shù)為nstji，rj觀測(cè)任務(wù)tu需要的開關(guān)機(jī)次數(shù)為nstju，rj的開關(guān)機(jī)次數(shù)總量為nrsj；rj觀測(cè)任務(wù)ti需要的存儲(chǔ)容量為volji；rj觀測(cè)任務(wù)ti需要的存儲(chǔ)容量為volju；rj的存儲(chǔ)總量為volj。

(1)衛(wèi)星作為觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti與觀測(cè)其他任務(wù)tu時(shí)任務(wù)沖突關(guān)系的判斷。

當(dāng)時(shí)，即rj先觀測(cè)任務(wù)ti，完成任務(wù)后觀測(cè)任務(wù)tu，時(shí)間窗口約束條件為：

持續(xù)時(shí)間約束條件為：

開關(guān)機(jī)次數(shù)約束條件為：

nrsj≥nstji+nstju

存儲(chǔ)容量約束條件為：

volj≥volji+volju

若不滿足上述約束條件中的一個(gè)或多個(gè)，則判斷任務(wù)ti和tu沖突。

當(dāng)時(shí)，即rj先觀測(cè)任務(wù)tu，完成任務(wù)后觀測(cè)任務(wù)ti，時(shí)間窗口約束條件為：

持續(xù)時(shí)間約束條件為：

開關(guān)機(jī)次數(shù)約束條件為：

nrsj≥nstji+nstju

存儲(chǔ)容量約束條件為：

volj≥volji+volju

若不滿上述足約束條件中的一個(gè)或多個(gè)，則判斷任務(wù)ti和tu沖突。

以上公式中，vθj為衛(wèi)星rj的側(cè)擺速度；為衛(wèi)星rj觀測(cè)任務(wù)ti的側(cè)擺角；為衛(wèi)星rj觀測(cè)任務(wù)tu的側(cè)擺角；in_tj為衛(wèi)星rj開機(jī)需要的時(shí)間；tstaj為衛(wèi)星rj側(cè)擺之后的穩(wěn)定時(shí)間；dsj為衛(wèi)星rj持續(xù)觀測(cè)時(shí)間。

(2)無人機(jī)作為觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti與觀測(cè)其他任務(wù)tu時(shí)任務(wù)沖突關(guān)系的判斷，如圖3所示，圖3中左側(cè)圖表示rj先觀測(cè)任務(wù)ti，完成任務(wù)后觀測(cè)任務(wù)tu；圖3中右側(cè)圖表示rj先觀測(cè)任務(wù)tu，完成任務(wù)后觀測(cè)任務(wù)ti。

時(shí)間窗口約束條件為：

或

續(xù)航里程約束條件為：

開關(guān)機(jī)次數(shù)約束條件為：

nrsj≥nstji+nstju

存儲(chǔ)容量約束條件為：

volj≥volji+volju

若不滿足上述約束條件中的一個(gè)或多個(gè)，則判斷任務(wù)ti和tu沖突。

以上公式中，dti為任務(wù)ti與uav基地的距離；dtu為任務(wù)tu與uav基地的距離；為任務(wù)ti和tu的距離；為無人機(jī)rj觀測(cè)任務(wù)ti的持續(xù)時(shí)間；為無人機(jī)rj觀測(cè)任務(wù)tu的持續(xù)時(shí)間；uvj為無人機(jī)rj的巡航速度；udj為無人機(jī)rj的續(xù)航里程。

無人機(jī)在觀測(cè)任務(wù)過程中從固定基地(uav基地)出發(fā)，完成任務(wù)后返回uav基地，所以任務(wù)之間沖突的影響因素主要是時(shí)空約束，此外任務(wù)的觀測(cè)次序不同也會(huì)對(duì)沖突的結(jié)果造成誤判。特別的，在計(jì)算時(shí)間窗口約束條件時(shí)，要綜合考慮兩種觀測(cè)次序的情況，只有兩種情況下任務(wù)均沖突才認(rèn)為任務(wù)沖突。

(3)飛艇作為觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti與觀測(cè)其他任務(wù)tu時(shí)任務(wù)沖突關(guān)系的判斷，如圖4所示，圖4中左側(cè)圖表示rj先觀測(cè)任務(wù)ti，完成任務(wù)后觀測(cè)任務(wù)tu；圖4中右側(cè)圖表示rj先觀測(cè)任務(wù)tu，完成任務(wù)后觀測(cè)任務(wù)ti。

時(shí)間窗口約束條件為：

或

開關(guān)機(jī)次數(shù)約束條件為：

nrsj≥nstji+nstju

存儲(chǔ)容量約束條件為：

volj≥volji+volju

若不滿足上述約束條件中的一個(gè)或多個(gè)，則判斷任務(wù)ti和tu沖突。

以上公式中，為飛艇rj觀測(cè)任務(wù)ti的持續(xù)時(shí)間；為飛艇rj觀測(cè)任務(wù)tu的持續(xù)時(shí)間；avj為飛艇rj巡航速度；dti為任務(wù)ti與飛艇當(dāng)前位置的距離；dtu為任務(wù)tu與飛艇當(dāng)前位置的距離；為任務(wù)ti和tu的距離。

與無人機(jī)不同，飛艇具有長航時(shí)、低耗能的特征，基于此可將飛艇抽象成可無限續(xù)航的飛行器，而且觀測(cè)任務(wù)時(shí)飛艇沒有固定的起飛基地，同樣任務(wù)結(jié)束也無需返回特定地點(diǎn)。所以，飛艇的沖突判斷中不需考慮續(xù)航里程約束，主要根據(jù)任務(wù)的時(shí)間窗口判斷任務(wù)沖突。特別的，在計(jì)算時(shí)間窗口約束條件時(shí)，要綜合考慮兩種觀測(cè)次序的情況，只有兩種情況下任務(wù)均沖突才認(rèn)為任務(wù)沖突。

(4)車輛作為觀測(cè)資源rj觀測(cè)任務(wù)ti與觀測(cè)其他任務(wù)tu時(shí)任務(wù)沖突關(guān)系的判斷，如圖5所示，以rj先觀測(cè)任務(wù)ti，完成任務(wù)后觀測(cè)任務(wù)tu為例。

時(shí)間窗口約束條件為：

續(xù)航里程約束條件為：

dtji+dtiu≤cdj

開關(guān)機(jī)次數(shù)約束條件為：

nrsj≥nstji+nstju

存儲(chǔ)容量約束條件為：

volj≥volji+volju

若不滿足上述約束條件中的一個(gè)或多個(gè)，則判斷任務(wù)ti和tu沖突。

以上公式中，dtji為車輛rj從當(dāng)前位置到達(dá)任務(wù)ti位置的最短路徑距離；dtiu為車輛rj從任務(wù)ti位置到達(dá)任務(wù)tu位置的最短路徑距離；vcj為車輛rj平均速度；為rj觀測(cè)任務(wù)ti的持續(xù)觀測(cè)時(shí)間；為rj觀測(cè)任務(wù)tu的持續(xù)觀測(cè)時(shí)間；cdj為車輛rj最大續(xù)航里程。

相對(duì)于其他觀測(cè)資源，車輛最明顯的約束是受路網(wǎng)約束，所以主要根據(jù)空間上車輛距離和時(shí)間上任務(wù)時(shí)間窗口判斷任務(wù)沖突。為了解決核心問題，假設(shè)車輛按照路網(wǎng)中歐氏距離最近的路線行駛并且優(yōu)先觀測(cè)距離較近的任務(wù)。

本實(shí)施例中，通過具體公式計(jì)算約束條件，并根據(jù)觀測(cè)資源的類別不同采用不同的公式進(jìn)行計(jì)算，充分考慮了各類觀測(cè)資源的差異性和觀測(cè)能力的不同。為任務(wù)的分配做了充分的準(zhǔn)備，有利于提高子規(guī)劃中心觀測(cè)任務(wù)的觀測(cè)收益。

本發(fā)明的實(shí)施例3，為了驗(yàn)證上述協(xié)同規(guī)劃方法的有效性，在統(tǒng)一分解方法、求解工具的基礎(chǔ)上與傳統(tǒng)的面積優(yōu)先分配、權(quán)重優(yōu)先分配和加權(quán)面積優(yōu)先分配等方法在任務(wù)完成率、可觀測(cè)面積比、任務(wù)執(zhí)行數(shù)量等幾個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比。面積優(yōu)先分配是指優(yōu)先按照面積的大小次序?qū)θ蝿?wù)分配，面積相等的情況下比較各任務(wù)的權(quán)重；權(quán)重優(yōu)先分配是按照任務(wù)的權(quán)重、面積的次序分配任務(wù)；權(quán)重面積優(yōu)先分配是按照加權(quán)面積的順序分配任務(wù)。

仿真場(chǎng)景設(shè)置了2顆衛(wèi)星、6處uav基地(共配置10架無人機(jī))、兩架飛艇以及兩臺(tái)車輛，具體觀測(cè)資源的參數(shù)如表1所示。仿真場(chǎng)景中設(shè)計(jì)了6組超過資源觀測(cè)可觀測(cè)任務(wù)數(shù)量的模擬任務(wù)數(shù)據(jù)，具體任務(wù)指標(biāo)如表2所示。

特別地，任務(wù)分配模型中的α和β的數(shù)值與具體的觀測(cè)資源的分布及任務(wù)相關(guān)，仿真場(chǎng)景中資源越多、任務(wù)分解情況越復(fù)雜則的取值越大。本實(shí)施例共進(jìn)行六組仿真，每組用到的和分別為：第一組：第二組：第三組：第四組：第五組：第六組：仿真場(chǎng)景中各觀測(cè)資源的觀測(cè)能力越強(qiáng)則β取值越大，本仿真取α＝β＝0.5。

表1仿真場(chǎng)景中觀測(cè)資源參數(shù)設(shè)定

表2仿真場(chǎng)景中任務(wù)指標(biāo)設(shè)定

本仿真分別從加權(quán)任務(wù)完成率、任務(wù)完成率和完成任務(wù)數(shù)量比三個(gè)方面對(duì)任務(wù)的分配方法進(jìn)行對(duì)比，任務(wù)分配結(jié)果如表3所示，其中，加權(quán)任務(wù)完成率表示已規(guī)劃任務(wù)的加權(quán)面積與待分配任務(wù)的加權(quán)面積的比值；任務(wù)完成率表示已規(guī)劃任務(wù)的面積與待分配任務(wù)的面積的比值；完成任務(wù)數(shù)量比表示已規(guī)劃任務(wù)與所有待分配任務(wù)的數(shù)量之比。

表3各分配方法的求解結(jié)果

由表3中計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提供的基于任務(wù)沖突啟發(fā)式的任務(wù)分配模型無論是在任務(wù)加權(quán)完成率、任務(wù)完成率以及任務(wù)完成數(shù)量方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。將表3的數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖6a、圖6b和圖6c所示。其中，橫坐標(biāo)均為仿真數(shù)據(jù)的組數(shù)，縱坐標(biāo)分別為加權(quán)任務(wù)完成率、任務(wù)完成率和完成任務(wù)數(shù)量比。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)的幾種分配方案，本發(fā)明基于任務(wù)沖突啟發(fā)式的任務(wù)分配模型考慮了任務(wù)的沖突情況及資源約束條件，綜合分析任務(wù)與資源多對(duì)多的最優(yōu)匹配情況，能夠規(guī)劃更多數(shù)量的任務(wù)，具有較高的任務(wù)規(guī)劃完成率。

表4為本發(fā)明方法相對(duì)傳統(tǒng)方法協(xié)同收益提升的百分比，從任務(wù)完成率來看，相比于面積優(yōu)先、權(quán)重優(yōu)先和加權(quán)面積優(yōu)先等傳統(tǒng)的任務(wù)分配方法，本發(fā)明的協(xié)同規(guī)劃方法的平均效益分別提高了32.90％、54.31％、24.20％；從任務(wù)規(guī)劃加權(quán)面積看，協(xié)同規(guī)劃方法的平均收益分別提高了43.60％、40.96％、21.24％；從觀測(cè)子任務(wù)數(shù)量看，協(xié)同規(guī)劃方法的平均收益分別提高了28.06％、33.94％、43.22％。

表4本發(fā)明方法相對(duì)傳統(tǒng)方法協(xié)同收益提升百分比

以本發(fā)明的協(xié)同規(guī)劃方法在任務(wù)完成率指標(biāo)上相對(duì)于面積優(yōu)先分配方法的平均效益提高率為例，計(jì)算得到平均效益提高率為：(0.4384+0.4489+0.4635+0.4981+0.5392+0.5862)/(0.2944+0.3153+0.3268+0.3576+0.4441+0.4995)-1＝0.329，即32.9％。

在不同任務(wù)需求的情況下，本發(fā)明協(xié)同規(guī)劃方法充分發(fā)揮了各類觀測(cè)資源的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，能夠基于復(fù)雜面狀任務(wù)的各種沖突約束給出合理的規(guī)劃方案，并均表現(xiàn)出良好的協(xié)同效果。本發(fā)明的分配方案具有一定普適性，在天空地協(xié)同規(guī)劃方面具有重要的實(shí)踐價(jià)值。

綜上所述，相對(duì)于單類觀測(cè)資源的內(nèi)部規(guī)劃方法，本發(fā)明面向空天地四類觀測(cè)資源提出了一種基于任務(wù)沖突啟發(fā)式的異構(gòu)資源任務(wù)分配方法，適應(yīng)當(dāng)前空天地一體化的異構(gòu)資源協(xié)同需求。本發(fā)明提供的任務(wù)分配模型綜合考慮了任務(wù)的執(zhí)行面積和完成概率，即異構(gòu)觀測(cè)資源在以完成概率為目標(biāo)的基礎(chǔ)上優(yōu)先執(zhí)行面積較大的任務(wù)目標(biāo)，并通過模型在兩指標(biāo)之間取得平衡。同時(shí)，任務(wù)分配模型深度剖析了任務(wù)的沖突關(guān)系及任務(wù)之間沖突對(duì)任務(wù)分配造成的影響，相對(duì)于傳統(tǒng)方法，極大地提高了任務(wù)分配率和任務(wù)執(zhí)行量，解決了異構(gòu)資源之間高效協(xié)同的問題。

最后，本發(fā)明的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。