基于智能計劃管理的測控自動化運行系統設計

(西昌衛星發射中心，四川 西昌 615000)

0 引言

隨著航天業務網IP網絡化改造的完成和航天發射相關信息系統建設的不斷深入，在建設過程中提出了很多新的理念，如自動化聯調、自動化運行、運行管理、遠程化操作、自動化測試、智能故障診斷[1]、智能任務輔助支持等。為解決未來航天發射任務高要求、高密度、高強度與組織指揮、技術管理、人力資源之間的突出矛盾，提高航天測控自動化運行水平，提出了基于智能計劃管理的測控系統自動化運行管理理念，分析了航天測控自動化運行管理需求，運行模式、系統實現等關鍵技術。

1 測控系統運行管理現狀

目前，因航天發射場大部分測控裝備服役時間相對較長，對信息化支持能力相對欠缺，雖然已完成了IP網絡化改造，實現了測控信息的網絡化傳輸，但能夠傳輸的信息依然比較局限，仍停留在業務信息和少量狀態信息，只滿足基本業務應用需求，無法實現更高層次的信息綜合應用，裝備運行管理仍較大程度依賴于人工操作[2]，僅少部分裝備實現了遠程操控，距真正意義上的自動化運行仍有很大差距。

究其原因，主要集中在兩個方面。一是部分測控裝備相對服役年限較長，其研制時所采用的技術相對陳舊；二是新研裝備設計理念沒跟上時代要求或技術不成熟，導致裝備自動化運行支持能力不足。這就要求各測控裝備在自動化運行方面進行必要的技術革新和改造，以具備自動化運行支持能力。

2 測控系統自動化運行需求

顧名思義，自動化運行就是在不需要人為干預的情況下，裝備能夠完成一系列操作或處理。測控裝備的自動化運行就是在不需要崗位人員干預的情況下，能夠實現自動開關機、狀態準備、系統自檢(故障診斷)、指標測試、參與聯調、數據上報等一系列功能。

航天測控的自動化運行，需要一個自動化運行管理控制中心，對所屬的所有測控裝備進行集中高效的管控。同時，各測控裝備需具備接收管理、自主完成上述裝備操作的能力。

2.1 自動化運行管理控制中心功能需求

自動化運行通常采用計劃或指令方式實現，對各裝備進行集中有效的管理與控制。自動化運行管理控制中心(以下簡稱管控中心)向各測控裝備下達自動化運行的計劃或指令，各測控裝備接收計劃或指令，自動執行相應計劃，實現裝備自動化運行。

因此，智能計劃生成與管理是測控系統自動化運行的核心，應構建一個統一的自動化運行與管理控制中心，由其來實現智能計劃生成與管理功能。

圖1 自動化運行管控中心對外連接關系圖

2.1.1 計劃接收

測控裝備的自動化運行與管理不能孤立于其它航天業務信息系統，管控中心應具備計劃接收功能，接收綜合運行管理系統、任務指揮系統、以及其他任務中心指揮系統等在內的工作計劃，工作計劃包括日常計劃、任務階段計劃、節點計劃(聯調、空間目標監視、衛星長管等)等。

2.1.2 人工計劃編制與調整

管控中心應具備人工計劃編制功能，用戶可通過友好的用戶界面快速實現工作計劃的擬制，也可通過格式文件導入，實現計劃的快速錄入，完成計劃初步編制工作。人工計劃調整功能，是為人工干預系統計劃預留的接口，當自動生成的計劃在某些方面不能滿足實際工作需要時，可通過人工方式對計劃做局部調整。

2.1.3 計劃管理

管控中心應具備對所有計劃進行有效管理的功能，能夠完成所有計劃的實時存儲與管理功能[3]。

2.1.4 計劃智能調整與生成

管控中心應具備計劃沖突的判斷與消解功能，實現所有工作計劃的時間、資源沖突性判斷，利用計劃規則庫，采用基于規則判斷的計劃調整模式，對工作計劃進行動態智能調整，并生成最優工作計劃。

2.1.5 計劃上報與下達

管控中心應具備將最優工作計劃實時向目標系統進行上報或下達的功能。目標系統主要包括綜合運管系統、指揮系統以及測控裝備端。

2.2 測控裝備端自主運行功能需求

航天測控自動化運行僅僅依靠管控中心是無法實現的，主要依賴于測控裝備自動化運行的支持能力。

2.2.1 計劃接收

測控裝備須具備接收管控中心發來的各類計劃或指令的能力，并將工作計劃實時轉發給裝備管理計算機。

2.2.2 計劃解析與分解

測控裝備端應具備對各類計劃解析和分解的能力，實現計劃的可操作性分解，將具體計劃轉換成一系列裝備操作指令，形成操作指令集。

2.2.3 狀態判斷

裝備管理計算機在接收到解析和分解后的裝備操作指令集后，對裝備自身狀態進行綜合判斷，全程實時完成裝備自檢和故障診斷，對指令集的指令逐一判斷，并對執行每一條指令應具備的充要條件進行全面判斷，實時記錄判斷結果。

2.2.4 自動執行

在完成狀態判斷的基礎上，若具備自動執行條件，裝備則自動逐條執行操作指令集，并實時記錄自動執行情況。

2.2.5 自主上報

測控裝備應具備將狀態判斷結果、自動執行情況進行實時上報的功能，無論是完成、未執行、或是中止執行等情況，實時反饋給管控中心，供決策和管理使用。

3 測控系統自動化運行模式

本文提出了智能計劃管理的自動化運行模式，其系統信息流如圖2所示。

圖2 測控系統自動化運行信息流圖

其中，其他系統(含綜合運管系統、任務指揮系統、其他指揮系統等)在具有權限的情況下，可向管控中心發送工作計劃，管控中心在接收到計劃后，自動觸發計劃時間、資源沖突性判斷，采用規則判斷的資源調配方法進行計劃智能動態調整，自動生成最優工作計劃，并完成工作計劃的上報和下達。

測控裝備作為執行端，在接收到下達的計劃后，自動調用計劃解析與分解功能，對計劃進行分解和細化，實現計劃向裝備具體操作指令的轉化，生成裝備操作指令集并下達給裝備管理模塊。裝備管理模塊首先對裝備進行自檢和故障診斷，判斷裝備當前狀態是否滿足執行相關裝備操作指令集的條件，若滿足則順序執行；若不滿足則中止并上報相關情況，方便通過人工操作干預裝備，實現裝備的自動化運行。

3.1 系統硬件組成

航天測控自動化運行硬件部分主要由管控中心服務器、自動化運行管理終端、測控裝備及其交互計算機、管理計算機、以及其它指揮應用系統等。

管控中心服務器主要完成計劃接收、計劃沖突判斷、計劃智能調整與生成[4-6]以及計劃下達等功能。

監控管理終端主要為用戶提供計劃創建、編輯和調整的交互環境，實時展現計劃執行情況，方便各級用戶指揮與決策。

圖3 航天測控自動化運行硬件系統體系結構

3.2 軟件體系結構

自動化運行軟件體系結構主要包括管控中心軟件和裝備端軟件兩部分。

管控中心軟件主要包括數據支撐層、數據處理層和數據應用層，其體系架構如圖4所示。

1)數據支持層主要包括計劃數據庫和計劃調整規則庫。數據庫主要用于存放接收到的工作計劃或管理員錄入的計劃。計劃調整規則庫主要用于存放計劃調整和生成的知識規則。

2)數據處理層主要實現計劃的接收、管理、處理和生成，實現計劃的沖突判斷，完成計劃的智能調整與生成，主要包括數據通信接口、計劃管理、智能計劃處理、計劃生成等功能模塊。

3)數據應用層主要實現數據的編輯和展示，實現計劃的人工錄入、計劃執行情況展示等，包括計劃編輯和計劃展示兩個模塊。

圖4 航天測控管控中心軟件體系結構

航天測控裝備端軟件主要實現計劃的接收(數據通信接口)、計劃解析、計劃分析、裝備綜合管理、裝備狀態判斷、計劃執行、狀態上報等功能，其體系結構如圖5所示。

圖5 航天測控裝備端軟件體系結構

1)數據通信接口模塊需要部署在測控裝備交互計算機上，完成計劃的接收并向裝備管理計算機(主控微機)進行轉發。

2)計劃解析、計劃分解功能既可部署在交互計算機上，也可部署在裝備主控計算機上，實現接收計劃的解析和分解工作，形成最終裝備可識別、可執行的操作指令(指令集)。為減輕裝備管理計算機的計算負擔，可將此功能部署在交互計算機上。

3)裝備管理計算機(主控微機)在接收到可執行裝備操作指令后，對裝備是否滿足執行操作指令的條件進行判斷，根據判斷結果確定是否執行指令并進行狀態上報，主要包括裝備綜合管理、狀態判斷、計劃執行和情況上報等功能。

4 關鍵技術

目前，在航天發射場通過運行管理系統建設，初步儲備了基于計劃的裝備管理經驗。管控中心的功能在運管系統中得到了一定的體現，運管系統中的任務輔助支持軟件承擔了管控中心的角色，在系統實現時已在一定程度上考慮了計劃的描述、計劃沖突判斷以及自動消解算法等功能，在運管信息轉發策略控制上進行了體現。本文重點介紹運行管理控制中心的計劃描述模型和計劃智能調整算法等關鍵技術。

4.1 計劃描述模型

計劃描述模型的建立過程是：首先，建立計劃的分類體系和計劃要素的分類體系；然后，抽象出計劃要素元數據的描述模型和計劃的描述模型，形成計劃模板；最后，基于模板生成計劃，具體如圖6所示。

圖6 計劃描述模型建立過程

計劃要素主要包括要素的標識、名稱、分類以及要素說明等標識性屬性[7]。航天測控計劃的要素主要包括：計劃編號(ID)、計劃名稱、所屬系統、所屬任務、計劃中心(本單位、外單位)、計劃類型(階段計劃、節點計劃)、所屬階段、計劃優先級、開始時間、結束時間、目標對象(參加裝備資源)、工作內容、計劃說明、父計劃、下達或上報對象(目標對象、計劃中心、指揮系統)。

考慮到計劃要能夠被專用系統或軟件自動識別和處理，考慮可擴展性和通用性，通常計劃交換格式采用XML格式表示。例如某航天發射任務的一次聯調計劃為例，其描述格式如下所示。

<計劃要素>

//ID唯一

//01表示階段計劃、02表示節點計劃

//01表示準備階段、02表示實施階段，03表示總結階段

//01表示實戰，02表示長管任務，03表示空間目標探測任務，04表示合練，05表示外單位聯調，06表示本單位聯調，07表示部站聯調，08表示日常工作。

<目標對象>

……

<工作內容>//01表示A檢查，02表示B檢查，03表示C檢查，04表示D檢查，05表示E檢查，06表示F信息，07表示G檢查，08表示H檢查，09表示I檢查，10表示實時飛行。

……

//0X-XX任務XX階段

4.2 計劃智能調整算法

通過調用一個完備沖突消解規則庫的方式，實現測控計劃沖突的智能調整[8-11]。這種智能調整計劃的沖突處理方式可以有效提高計劃生成效率，減少由人工操作帶來的安全隱患。

針對航天測控實際情況，建立了基于沖突檢測與消解的計劃任務人工智能管理數學模型。

S=[s1s2…sl]T為任務計劃的狀態轉移向量，表示任務計劃的狀態演變情況，Φ=(φij)l×l為任務計劃集的狀態轉移矩陣，表示任務計劃集的變化規律，R={r1,r2,…,rm}為預先制定的任務計劃分解規則，m為任務計劃分解規則數。

假設任務計劃的初始狀態為S(0)，第一次任務計劃分解規則集R(1)=R，則基于沖突檢測與消解的任務管理模型可表述為：

其中，?稱為分解算子，表示在給定狀態S(k)的前提下，將任務計劃分解規則集R(k)作用于原始種子集P而分解產生可執行事件集P(k)的某種推理方法，例如搜索匹配法、規則演繹法等。

Sequence(·)為排序算子。它根據排序規則集RS，并按照某種算法將所有事件在時間軸上進行排列。E*為中間變量，它表示由推理分解產生的可執行事件集經排序處理后的事件集。

Validate(·)為沖突檢測與消解算子。它依據沖突檢測與消解規則集RV，并按照某種智能算法對事件之間的矛盾沖突進行檢查并予以排除，其基本的算法框架結構如圖7。

圖7 計劃智能調整算法

首先，系統自動檢測有無新的計劃錄入，錄入途徑有人工錄入的方式和其他系統向本系統發送的方式。當系統發現數據庫中接收到新的計劃后，自動將當前數據庫中的未完成的計劃取出作為初始計劃，使用沖突檢測規則庫對其進行沖突檢測，看有無沖突情況出現。若發現數據庫中的計劃存在沖突，則對當前的沖突進行簡單分類，初步判定其是否屬于可消解的沖突。通常沖突都是體現在一個時間區間內，存在測控裝備資源的矛盾和計劃時間的沖突性。

系統在識別出沖突區間后，在該區間內根據計劃調整規則庫中的規則進行智能匹配，使用最優規則對當前計劃進行一系列智能調整，消除當前計劃中存在的沖突。

對于每種沖突，計劃調整規則庫中可以有多種計劃調整策略，同時，對于一種計劃調整策略也可能解決多種沖突問題。一個經過沖突檢測消除沖突的計劃往往帶來新的狀態，如事件時間或相互關系的變化，這種改變有可能導致新的沖突，所以有必要重新進行沖突檢測。因此,在計劃優化過程中往往需要反復進行計劃修正和沖突檢測，直到沖突消解或者迭代循環超限而終止。多數情況迭代是一個收斂的過程，但是為防止在特殊情況下循環條件始終滿足而使程序無休止的運行，設置一個迭代次數n(設計中將進行中及未開始計劃的數量總和作為迭代次數)，該值的選取可根據實際情況進行調整，使之既能保證沖突消解所需的必要條件又能有效地控制運行時間。

計劃智能調整就是在一定約束條件下，按照某一目標函數對計劃進行合理調整，使目標函數達到最優。約束條件包括測控能力約束、有效時間約束、測控任務約束和測控資源約束。

測控能力約束主要包括：

1)測控頻段約束。測控目標與測控資源的頻段相匹配才能進行測控。

2)目標飛行階段約束。考慮到測控資源可測控弧段，對于目標的不同飛行階段，應使用不同的測控資源。

3)測控資源功能約束。測控資源分為能夠同時完成所有測控事件類型的全功能站(統一測控系統)以及能提供部分測控服務的單功能站，如遙測單收站、遙測遙控站等。

有效時間約束主要是為了合理調配人力資源，主要包括：

1)任務時間約束：各項計劃盡量安排在8小時工作時間內(實戰任務、空間目標探測、長管任務除外)。

2)狀態切換時間約束。同一性質的聯調盡量不能安排在24小時內，參加任務的裝備在射后12小時內盡可能不安排計劃。

3)均勻分布約束。計劃在階段劃分中均勻分布。

在計劃安排上，盡量避免沖突，有沖突時，進行微調(目標時間向前或向后取最小時間間隔。

沖突調整的規則主要包括：

1)指揮系統發送的計劃指令優于任何計劃，優先執行。

2)在無指揮系統更改計劃指令的情況下，實戰任務計劃優先級最高，不可更改。

3)在無指揮系統更改計劃指令的情況下，外單位長管任務、空間目標探測任務優先級次之。

4)在無指揮系統更改計劃指令的情況下，合練任務優先級高于聯調(本單位、外單位)。

5)在無指揮系統更改計劃指令的情況下，外單位聯調高于本單位聯調。

沖突調整的目的是確保對高優先級任務的影響最小。為此，定義了任務重要性優化目標函數：

其中:ξij為決策變量，若任務i在時間段j上被完成，其值為1，否則為0；JPi為任務的優先級。

5 應用初探

在航天測控運管系統設計中，努力向自動化管控中心的功能靠近，其中任務輔助支持軟件承擔了一定的自動化運行管理角色，是運管系統的計劃管理中心，它有一項功能為運管信息轉發策略控制，主要根據現有活動任務子網組成及工作計劃(依托任務計劃信息數據庫)，生成未來一段時間段內運管信息轉發策略。

在任務輔助支持軟件中，任務計劃定義如圖8所示。

圖8 運管系統數據庫中計劃定義表

當用戶錄入的計劃與現有計劃沖突時，系統自動對沖突進行判斷并提醒，當用戶確認允許沖突的情況下，系統自動對轉發策略進行調整，形成最終轉發策略。計劃沖突如圖9所示，優化后的轉發策略如圖10所示。

圖9 運管系統計劃編輯(沖突)

圖10 運管系統中生成的轉發策略

6 結束語

本文從測控系統運行管理現狀出發，梳理了測控系統自動化運行的相關需求，探討了測控系統自動化運行模式，設計了系統的軟硬件體系，論述了系統實現中的關鍵技術，并在發射場運行管理系統建設中進行了初步應用。