基于規則推理的空間站太陽翼機構控制方案研究

劉 博，金 燕，嚴云紅，程云龍，彭立章

（上海宇航系統工程研究所，上海 201108）

基于規則推理的空間站太陽翼機構控制方案研究

劉 博，金 燕，嚴云紅，程云龍，彭立章

（上海宇航系統工程研究所，上海 201108）

針對空間站上使用的太陽翼展開流程復雜的問題，提出一種基于規則推理技術的太陽翼展開流程控制方案：運用Rete算法設計了太陽翼展收控制推理系統，給出了空間站太陽翼按程序展開流程策略庫設計方法，并根據按程序展開工況構造模擬事實序列來驗證規則推理系統對于展收流程控制的正確性。仿真結果表明，規則推理技術可以有效的完成空間站太陽翼機構展收流程控制工作。

空間站；太陽翼；機構控制；規則推理；Rete

1 引言

隨著我國載人航天“三步走”戰略的順利推進，我國載人航天工程目前已經進入空間站的建設階段［1］。空間站太陽翼作為一種典型大型展開部件，相較衛星和飛船的太陽翼，展開流程更復雜，且要求具備重復展收功能［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聯動，傳統的展開流程控制方法是嚴格按照太陽翼展收流程的順序發送相關命令［3］，相對簡單，但很難覆蓋控制過程中所有可能發生的情況，也難以滿足空間站太陽翼重復展收和可更換要求的在軌變更展開流程的需求。

基于規則的智能推理技術是人工智能領域的重要分支［4］，使用規則推理技術不僅可以實現對太陽翼機構展收進行準確、可靠的流程控制，還可以通過更新策略庫的方式實現在軌更改機構控制流程［5］。常見的規則推理算法有貝葉斯網絡推理算法、ECA算法、Rete算法等［5-6］。其中，Rete算法作為CLIPS（C Language Integrated Production System）規則推理系統的核心算法，憑借其模式靈活、匹配速度快等優點，被廣泛應用于各類專家系統、故障診斷系統等［6］。本文在Rete算法的基礎上設計一種規則推理系統，并結合空間站太陽翼展收控制需求，探索將規則推理技術應用在太陽翼機構控制的可行性。

2 控制推理系統設計

本文設計的空間站太陽翼展收控制系統由1臺綜合驅動控制器負責采集機構狀態并發送控制指令，整個控制流程由綜合驅動控制器實施，總體架構如圖1所示。

其中推理系統是一種模式匹配系統，從大量機構狀態和軟件狀態數據中根據規則進行快速匹配，從而識別出太陽翼當前所處的狀態或發生的事件，繼而按照既定策略發送相應的控制指令或相應動作，實現展收流程控制［7］。系統由三部分組成：事實隊列、執行器和推理引擎，結構如圖2所示。

事實隊列是推理系統的輸入部件，將太陽翼各個傳感器數據抽象成事實后進行統一管理；執行器是推理系統的輸出部件，根據推理系統模式匹配的結果執行相應的動作。推理引擎基于Rete算法實現，是推理系統最核心的部件，根據策略庫編譯生成推理網絡。

策略庫是一種支持動態增刪改查操作的數據結構，由事實庫、事件庫和規則庫組成，通過動態操作策略庫可以完成推理策略的在軌編輯功能，從而實現控制流程的動態變更。

在綜合驅動控制器中，各種不同類型的傳感器采集到的數據類型存在差異，數據解讀方法也各不相同。為了消除這種數據差異，在策略庫中通過定義事實、事件、表達式和規則來規定推理系統中流通數據的類型和抽象方法［8］。

定義1事實：表示系統某個屬性的當前狀態。可以用如下二元組表示：

＜事實類型，數值＞

定義2事件：表征系統當前的情況，以及當前狀態下系統需要執行的動作集合。事件由如下二元組表示：

＜事件類型，｛動作集合｝＞

定義3表達式：規則中的一個條件。由如下四元組表示：

＜表達式編號，事實類型，比較符，數值＞

其中比較符包括大于、等于和小于。

定義4規則：一組表達式的集合，標明了對應事件發生的判別條件。規則定義了事件與事實之間的某種邏輯或條件關系，具有復合性。規則由如下三元組表示：

＜規則編號，事件類型，｛表達式集合｝＞

3 控制策略庫設計

在太陽翼機構控制過程中，影響控制流程的因素包括多種到位信號、電機電流、運行時間等，系統輸入較多，同時需考慮的故障情況和故障策略比較繁瑣，控制邏輯十分復雜［9］。為了更直觀的展示如何使用規則推理技術實現太陽翼展開流程控制，本文在不失合理性的前提下對系統進行了適當的簡化，將每臺機構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、到位信號及運行時間來控制太陽翼展收流程。

空間站太陽翼包含6臺機構（簡稱機構1～機構6），收到展開指令后的展開步驟可簡化為4步：1）控制機構1展開；2）機構1展開到位后，同時控制機構2和機構3展開；3）機構2和機構3都展開到位后，同時控制機構4和機構5展開；4）機構4和機構5都展開到位后，控制機構6展開；當第四步機構6展開到位后，太陽翼展開流程結束，如圖3所示。

該展開流程需要靠外部指令觸發，對于每臺機構的獨立控制過程，還需要考慮指令執行時間和到位信號。因此，太陽翼機構控制系統的狀態輸入包括指令、執行時間和到位信號，其中指令來自總線指令接口，當指令碼為55時認為接收到來自地面的太陽翼按程序展開指令；指令執行時間屬于系統狀態，由軟件自主完成計時功能，當接收到太陽翼按程序展開指令后開始計時，指令執行時間作為各機構動作的輸入條件參與流程控制。機構1到位信號由微動開關發出，當微動開關觸發時到位信號值為1，否則值為0；機構2和機構3為相同類型的機構，以機械限位造成電機堵轉作為機構到位的依據，當電機堵轉時電機電流會持續上升，當評估值（1～20）大于10時，認為機構展開到位；機構4和機構5為相同類型的機構，其到位信號也由微動開關發出，到位信號觸發機制和機構1相同；機構6的到位信號為電機轉動圈數，當圈數大于5000時認為機構展開到位。將狀態輸入按照事實的格式進行抽象后得到表1所示的事實庫。

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：當系統收到按程序展開指令，且指令執行時間為0時開始流程，此時系統需要啟動指令執行時間計時功能，并發送機構1展開指令；

2）第一步完成：當機構1展開完成并且指令執行時間為100 s時，系統認為展開流程的第一步執行完成，此時系統發送機構1停轉指令，并發送機構2展開指令、機構3展開指令，開始展開流程的第二步動作；

表1 事實庫Table 1 Fact library

3）第二步完成：當機構2和機構3均展開完成，并且指令執行時間為200 s時，系統認為展開流程的第二步執行完成，此時系統發送機構2停轉指令、機構3停轉指令，并發送機構4展開指令、機構5展開指令，開始展開流程的第三步動作；

4）第三步完成：當機構4和機構5均展開完成，并且指令執行時間為300 s時，系統認為展開流程的第三步執行完成，此時系統發送機構4停轉指令、機構5停轉指令，并發送機構6展開指令，開始展開流程的第四步動作；

5）完成展開流程：當機構6展開到位并且指令執行時間為500 s秒時，系統認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的格式進行抽象，得到表2～表4的事件庫、表達式庫和規則庫。

表2 事件庫Table 2 Event library

表3 表達式庫Table 3 Expression library

表4 規則庫Table 4 Rule library

推理引擎將表1～表4中的策略庫進行編譯，得到圖4所示控制推理網絡，如圖4所示。

4 仿真驗證

太陽翼的展開過程通常如下：1）當收到展開指令（事實類型F1，指令碼為0x55）后，啟動按程序展開流程，機構1開始動作，軟件開始記錄指令執行時間（事實類型F2），指令執行時間數值不斷增加；2）當機構1展開到位后，機構1到位信號（事實類型F3）采集狀態從0變為1，機構1到位后，機構2和機構3同時開始展開；3）當機構2或機構3展開到位后，由于電機堵轉，將導致采集到的電流值（事實類型F4和F5）逐漸上升，機構2和機構3都到位后，機構4和機構5同時開始展開；4）當機構4或機構5展開到位后，到位信號采集狀態（事實類型F6和F7）從0變為1，機構4和機構5都到位后，機構6開始展開；（5）在機構6展開過程中，機構轉動圈數（事實類型F8）不斷增加。

因此可假設太陽翼展開過程中產生的事實如表5所示，事實隊列中的事實變化描述了各機構動作情況，例如序號1、5、12、19、24、29、33、35、37、40和42的事實描述了指令執行時間的變化（從0增長到550）。

表5 事實隊列Table 5 Fact sequence

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

推理系統推理結果如圖5和圖6所示，從圖中推理結果可以看出推理引擎實現了根據策略庫和事實序列完成事件推理的功能。

5 結論

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

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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，研究方向為嵌入式系統。E-mail：liub927＠163.com

（責任編輯：龍晉偉）