基于規(guī)則推理的空間站太陽翼機(jī)構(gòu)控制方案研究

劉 博，金 燕，嚴(yán)云紅，程云龍，彭立章

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201108）

基于規(guī)則推理的空間站太陽翼機(jī)構(gòu)控制方案研究

劉 博，金 燕，嚴(yán)云紅，程云龍，彭立章

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201108）

針對空間站上使用的太陽翼展開流程復(fù)雜的問題，提出一種基于規(guī)則推理技術(shù)的太陽翼展開流程控制方案：運(yùn)用Rete算法設(shè)計了太陽翼展收控制推理系統(tǒng)，給出了空間站太陽翼按程序展開流程策略庫設(shè)計方法，并根據(jù)按程序展開工況構(gòu)造模擬事實(shí)序列來驗(yàn)證規(guī)則推理系統(tǒng)對于展收流程控制的正確性。仿真結(jié)果表明，規(guī)則推理技術(shù)可以有效的完成空間站太陽翼機(jī)構(gòu)展收流程控制工作。

空間站；太陽翼；機(jī)構(gòu)控制；規(guī)則推理；Rete

1 引言

隨著我國載人航天“三步走”戰(zhàn)略的順利推進(jìn)，我國載人航天工程目前已經(jīng)進(jìn)入空間站的建設(shè)階段［1］。空間站太陽翼作為一種典型大型展開部件，相較衛(wèi)星和飛船的太陽翼，展開流程更復(fù)雜，且要求具備重復(fù)展收功能［2］。太陽翼展收過程需按照一定的時序邏輯同時操控多臺電機(jī)聯(lián)動，傳統(tǒng)的展開流程控制方法是嚴(yán)格按照太陽翼展收流程的順序發(fā)送相關(guān)命令［3］，相對簡單，但很難覆蓋控制過程中所有可能發(fā)生的情況，也難以滿足空間站太陽翼重復(fù)展收和可更換要求的在軌變更展開流程的需求。

基于規(guī)則的智能推理技術(shù)是人工智能領(lǐng)域的重要分支［4］，使用規(guī)則推理技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)對太陽翼機(jī)構(gòu)展收進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的流程控制，還可以通過更新策略庫的方式實(shí)現(xiàn)在軌更改機(jī)構(gòu)控制流程［5］。常見的規(guī)則推理算法有貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理算法、ECA算法、Rete算法等［5-6］。其中，Rete算法作為CLIPS（C Language Integrated Production System）規(guī)則推理系統(tǒng)的核心算法，憑借其模式靈活、匹配速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類專家系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)等［6］。本文在Rete算法的基礎(chǔ)上設(shè)計一種規(guī)則推理系統(tǒng)，并結(jié)合空間站太陽翼展收控制需求，探索將規(guī)則推理技術(shù)應(yīng)用在太陽翼機(jī)構(gòu)控制的可行性。

2 控制推理系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的空間站太陽翼展收控制系統(tǒng)由1臺綜合驅(qū)動控制器負(fù)責(zé)采集機(jī)構(gòu)狀態(tài)并發(fā)送控制指令，整個控制流程由綜合驅(qū)動控制器實(shí)施，總體架構(gòu)如圖1所示。

其中推理系統(tǒng)是一種模式匹配系統(tǒng)，從大量機(jī)構(gòu)狀態(tài)和軟件狀態(tài)數(shù)據(jù)中根據(jù)規(guī)則進(jìn)行快速匹配，從而識別出太陽翼當(dāng)前所處的狀態(tài)或發(fā)生的事件，繼而按照既定策略發(fā)送相應(yīng)的控制指令或相應(yīng)動作，實(shí)現(xiàn)展收流程控制［7］。系統(tǒng)由三部分組成：事實(shí)隊列、執(zhí)行器和推理引擎，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

事實(shí)隊列是推理系統(tǒng)的輸入部件，將太陽翼各個傳感器數(shù)據(jù)抽象成事實(shí)后進(jìn)行統(tǒng)一管理；執(zhí)行器是推理系統(tǒng)的輸出部件，根據(jù)推理系統(tǒng)模式匹配的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的動作。推理引擎基于Rete算法實(shí)現(xiàn)，是推理系統(tǒng)最核心的部件，根據(jù)策略庫編譯生成推理網(wǎng)絡(luò)。

策略庫是一種支持動態(tài)增刪改查操作的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由事實(shí)庫、事件庫和規(guī)則庫組成，通過動態(tài)操作策略庫可以完成推理策略的在軌編輯功能，從而實(shí)現(xiàn)控制流程的動態(tài)變更。

在綜合驅(qū)動控制器中，各種不同類型的傳感器采集到的數(shù)據(jù)類型存在差異，數(shù)據(jù)解讀方法也各不相同。為了消除這種數(shù)據(jù)差異，在策略庫中通過定義事實(shí)、事件、表達(dá)式和規(guī)則來規(guī)定推理系統(tǒng)中流通數(shù)據(jù)的類型和抽象方法［8］。

定義1事實(shí)：表示系統(tǒng)某個屬性的當(dāng)前狀態(tài)。可以用如下二元組表示：

＜事實(shí)類型，數(shù)值＞

定義2事件：表征系統(tǒng)當(dāng)前的情況，以及當(dāng)前狀態(tài)下系統(tǒng)需要執(zhí)行的動作集合。事件由如下二元組表示：

＜事件類型，｛動作集合｝＞

定義3表達(dá)式：規(guī)則中的一個條件。由如下四元組表示：

＜表達(dá)式編號，事實(shí)類型，比較符，數(shù)值＞

其中比較符包括大于、等于和小于。

定義4規(guī)則：一組表達(dá)式的集合，標(biāo)明了對應(yīng)事件發(fā)生的判別條件。規(guī)則定義了事件與事實(shí)之間的某種邏輯或條件關(guān)系，具有復(fù)合性。規(guī)則由如下三元組表示：

＜規(guī)則編號，事件類型，｛表達(dá)式集合｝＞

3 控制策略庫設(shè)計

在太陽翼機(jī)構(gòu)控制過程中，影響控制流程的因素包括多種到位信號、電機(jī)電流、運(yùn)行時間等，系統(tǒng)輸入較多，同時需考慮的故障情況和故障策略比較繁瑣，控制邏輯十分復(fù)雜［9］。為了更直觀的展示如何使用規(guī)則推理技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽翼展開流程控制，本文在不失合理性的前提下對系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕瑢⒚颗_機(jī)構(gòu)的多個到位信號簡化成1個到位信號，并忽略電流異常、到位信號故障等對展收流程的影響，僅通過指令、到位信號及運(yùn)行時間來控制太陽翼展收流程。

空間站太陽翼包含6臺機(jī)構(gòu)（簡稱機(jī)構(gòu)1～機(jī)構(gòu)6），收到展開指令后的展開步驟可簡化為4步：1）控制機(jī)構(gòu)1展開；2）機(jī)構(gòu)1展開到位后，同時控制機(jī)構(gòu)2和機(jī)構(gòu)3展開；3）機(jī)構(gòu)2和機(jī)構(gòu)3都展開到位后，同時控制機(jī)構(gòu)4和機(jī)構(gòu)5展開；4）機(jī)構(gòu)4和機(jī)構(gòu)5都展開到位后，控制機(jī)構(gòu)6展開；當(dāng)?shù)谒牟綑C(jī)構(gòu)6展開到位后，太陽翼展開流程結(jié)束，如圖3所示。

該展開流程需要靠外部指令觸發(fā)，對于每臺機(jī)構(gòu)的獨(dú)立控制過程，還需要考慮指令執(zhí)行時間和到位信號。因此，太陽翼機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的狀態(tài)輸入包括指令、執(zhí)行時間和到位信號，其中指令來自總線指令接口，當(dāng)指令碼為55時認(rèn)為接收到來自地面的太陽翼按程序展開指令；指令執(zhí)行時間屬于系統(tǒng)狀態(tài)，由軟件自主完成計時功能，當(dāng)接收到太陽翼按程序展開指令后開始計時，指令執(zhí)行時間作為各機(jī)構(gòu)動作的輸入條件參與流程控制。機(jī)構(gòu)1到位信號由微動開關(guān)發(fā)出，當(dāng)微動開關(guān)觸發(fā)時到位信號值為1，否則值為0；機(jī)構(gòu)2和機(jī)構(gòu)3為相同類型的機(jī)構(gòu)，以機(jī)械限位造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)作為機(jī)構(gòu)到位的依據(jù)，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時電機(jī)電流會持續(xù)上升，當(dāng)評估值（1～20）大于10時，認(rèn)為機(jī)構(gòu)展開到位；機(jī)構(gòu)4和機(jī)構(gòu)5為相同類型的機(jī)構(gòu)，其到位信號也由微動開關(guān)發(fā)出，到位信號觸發(fā)機(jī)制和機(jī)構(gòu)1相同；機(jī)構(gòu)6的到位信號為電機(jī)轉(zhuǎn)動圈數(shù)，當(dāng)圈數(shù)大于5000時認(rèn)為機(jī)構(gòu)展開到位。將狀態(tài)輸入按照事實(shí)的格式進(jìn)行抽象后得到表1所示的事實(shí)庫。

按照圖3展開流程可知，整個流程中共有5個重要的事件：

1）啟動展開流程：當(dāng)系統(tǒng)收到按程序展開指令，且指令執(zhí)行時間為0時開始流程，此時系統(tǒng)需要啟動指令執(zhí)行時間計時功能，并發(fā)送機(jī)構(gòu)1展開指令；

2）第一步完成：當(dāng)機(jī)構(gòu)1展開完成并且指令執(zhí)行時間為100 s時，系統(tǒng)認(rèn)為展開流程的第一步執(zhí)行完成，此時系統(tǒng)發(fā)送機(jī)構(gòu)1停轉(zhuǎn)指令，并發(fā)送機(jī)構(gòu)2展開指令、機(jī)構(gòu)3展開指令，開始展開流程的第二步動作；

表1 事實(shí)庫Table 1 Fact library

3）第二步完成：當(dāng)機(jī)構(gòu)2和機(jī)構(gòu)3均展開完成，并且指令執(zhí)行時間為200 s時，系統(tǒng)認(rèn)為展開流程的第二步執(zhí)行完成，此時系統(tǒng)發(fā)送機(jī)構(gòu)2停轉(zhuǎn)指令、機(jī)構(gòu)3停轉(zhuǎn)指令，并發(fā)送機(jī)構(gòu)4展開指令、機(jī)構(gòu)5展開指令，開始展開流程的第三步動作；

4）第三步完成：當(dāng)機(jī)構(gòu)4和機(jī)構(gòu)5均展開完成，并且指令執(zhí)行時間為300 s時，系統(tǒng)認(rèn)為展開流程的第三步執(zhí)行完成，此時系統(tǒng)發(fā)送機(jī)構(gòu)4停轉(zhuǎn)指令、機(jī)構(gòu)5停轉(zhuǎn)指令，并發(fā)送機(jī)構(gòu)6展開指令，開始展開流程的第四步動作；

5）完成展開流程：當(dāng)機(jī)構(gòu)6展開到位并且指令執(zhí)行時間為500 s秒時，系統(tǒng)認(rèn)為展開流程的第四步展開完成，此時太陽翼展開流程全部完成。

將上述過程按照定義2～4的格式進(jìn)行抽象，得到表2～表4的事件庫、表達(dá)式庫和規(guī)則庫。

表2 事件庫Table 2 Event library

表3 表達(dá)式庫Table 3 Expression library

表4 規(guī)則庫Table 4 Rule library

推理引擎將表1～表4中的策略庫進(jìn)行編譯，得到圖4所示控制推理網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

4 仿真驗(yàn)證

太陽翼的展開過程通常如下：1）當(dāng)收到展開指令（事實(shí)類型F1，指令碼為0x55）后，啟動按程序展開流程，機(jī)構(gòu)1開始動作，軟件開始記錄指令執(zhí)行時間（事實(shí)類型F2），指令執(zhí)行時間數(shù)值不斷增加；2）當(dāng)機(jī)構(gòu)1展開到位后，機(jī)構(gòu)1到位信號（事實(shí)類型F3）采集狀態(tài)從0變?yōu)?，機(jī)構(gòu)1到位后，機(jī)構(gòu)2和機(jī)構(gòu)3同時開始展開；3）當(dāng)機(jī)構(gòu)2或機(jī)構(gòu)3展開到位后，由于電機(jī)堵轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致采集到的電流值（事實(shí)類型F4和F5）逐漸上升，機(jī)構(gòu)2和機(jī)構(gòu)3都到位后，機(jī)構(gòu)4和機(jī)構(gòu)5同時開始展開；4）當(dāng)機(jī)構(gòu)4或機(jī)構(gòu)5展開到位后，到位信號采集狀態(tài)（事實(shí)類型F6和F7）從0變?yōu)?，機(jī)構(gòu)4和機(jī)構(gòu)5都到位后，機(jī)構(gòu)6開始展開；（5）在機(jī)構(gòu)6展開過程中，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動圈數(shù)（事實(shí)類型F8）不斷增加。

因此可假設(shè)太陽翼展開過程中產(chǎn)生的事實(shí)如表5所示，事實(shí)隊列中的事實(shí)變化描述了各機(jī)構(gòu)動作情況，例如序號1、5、12、19、24、29、33、35、37、40和42的事實(shí)描述了指令執(zhí)行時間的變化（從0增長到550）。

表5 事實(shí)隊列Table 5 Fact sequence

對上述事實(shí)進(jìn)行分析，序號為1和2的兩個事實(shí)說明指令執(zhí)行時間為0時接收到指令55，根據(jù)規(guī)則R1推理出事件E1“啟動展開流程”；事實(shí)5和9說明指令執(zhí)行時間到達(dá)100 s時收到機(jī)構(gòu)1到位信號，按照規(guī)則R2推理出事件E2“第一步完成”；事實(shí)19、20、21說明指令執(zhí)行時間為200 s時，機(jī)構(gòu)2和機(jī)構(gòu)3的電流評估值都到達(dá)11，說明都已到位，按照規(guī)則R3推理出事件E3“第二步完成”；事實(shí)29、30、31說明指令執(zhí)行時間為300時，收到機(jī)構(gòu)4和機(jī)構(gòu)5的到位信號，按照規(guī)則R4推理出事件E4“第三步完成”；序號為40和41的事實(shí)說明指令執(zhí)行時間為500 s時，機(jī)構(gòu)6展開圈數(shù)為5100，按照規(guī)則R5推理出事件E5“完成展開流程”。

推理系統(tǒng)推理結(jié)果如圖5和圖6所示，從圖中推理結(jié)果可以看出推理引擎實(shí)現(xiàn)了根據(jù)策略庫和事實(shí)序列完成事件推理的功能。

5 結(jié)論

本文基于Rete算法設(shè)計了空間站太陽翼控制推理系統(tǒng)，按照太陽翼按程序展開指令流程設(shè)計了策略庫。對太陽翼按程序展開工況的模擬仿真表明，規(guī)則推理技術(shù)用于太陽翼按程序展開流程控制具有可行性。

（References）

［1］ 趙志萍，趙陽東.大面積太陽翼國外發(fā)展研究［J］.沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報，2014，31（3）：39-44.Zhao Zhiping，Zhao Yangdong.Research on development of large solar wing［J］.Journal of Shenyang Aerospace University，2014，31（3）：39-44.（in Chinese）

［2］ 陳昌足.太陽翼重復(fù)折展鎖解機(jī)構(gòu)設(shè)計與仿真研究［D］.杭州：浙江理工大學(xué)，2011.Chen Changzu.Simulation Research and Design On Repeated Fold-unfold and Lock-unlock Mechanism of Solar Wing［D］.Hangzhou：Zhejiang Sci-Tech University，2011.（in Chinese）

［3］ 郭其威，吳松，劉芳.空間站太陽翼伸展機(jī)構(gòu)屈曲載荷分析與試驗(yàn)研究［J］.載人航天，2015，21（4）：341-348.Guo Qiwei，Wu Song，Liu Fang.Research on buckling load analysis and test of solar array deployable mechanism in space station［J］.Manned Spaceflight，2015，21（4）：341-348.（in Chinese）

［4］ Xiao Ding，Zhong Xiaoan.Improving rete algorithm to enhance performance of rule engine systems［C］／／Proceedings of the International Conference on Computer Design and Applications，Qinhuangdao，China，2010：572-575.

［5］ Li Quanlong，Jin Yan.Smart home service based on event matching［C］／／Proceedings of the 10th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery，Dalian，China，2013.

［6］ Yang Pingle.IRETE：an improved rete multi-entity match algorithm［C］／／Proceedings of the International Conference on Electronics，Communications and Control，Ningbo，China，2011：4363-4366.

［7］ 代樹武，孫輝先.衛(wèi)星運(yùn)行中的自主控制技術(shù)［J］.空間科學(xué)學(xué)報，2002，22（2）：147-153.Dai Shuwu，Sun Huixian.Autonomous control technology in satellite operation［J］.Chinese Journal of Space Science，2002，22（2）：147-153.（in Chinese）

［8］ Sherwood R，Chien S A，Tran D.Next generation autonomous operations on a current generation satellite［C］／／Proceedings of Reducing the Cost of Spacecraft Ground Systems and Operations，Pasadena，2003.

［9］ 張雷.航天器分布展開式太陽翼設(shè)計與研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2012.Zhang Lei.Study on Solar Array Wing of Spacecraft with Deployment by Step［D］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2012.（in Chinese）

Study on Mechanism Control of Solar Wing in Space Station Base on Ruled Inference

LIU Bo，JIN Yan，YAN Yunhong，CHENG Yunlong，PENG Lizhang
（Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201108，China）

To deal with the problem that the deployment process of the solar wing of the space station is too complicated，a process control method based on ruled inference technology was proposed.A solar wing control inference system using Rete algorithm was designed and implemented，its structure and operation principles were introduced，and the data type of Fact，Event，Expression and Rule were defined.Then a design schema of solar wing deployment program strategy library for space station was introduced and a simulation fact sequence according to the programmed-deployment condition was constructed to verify the correctness of the deployment process control using the rule inference system.The results verified the effectiveness of the process control method for the solar wing of the space station.

space station；solar wing；mechanism control；rule inference；rete

TP271

A

1674-5825（2017）06-0765-05

2016-05-12；

2017-10-19

劉博，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。E-mail：liub927＠163.com

（責(zé)任編輯：龍晉偉）