基于本体理论的空间站短期任务规划领域建模研究

卜慧蛟,张 进,罗亚中*,周建平

(1.国防科学技术大学航天科学与工程学院,长沙410073；2.中国载人航天工程办公室,北京100720)



基于本体理论的空间站短期任务规划领域建模研究

卜慧蛟1,张 进1,罗亚中1*,周建平2

(1.国防科学技术大学航天科学与工程学院,长沙410073；2.中国载人航天工程办公室,北京100720)

摘要：规划领域建模是解决空间站短期任务规划问题的关键技术之一。通过对比分析空间站短期任务规划问题，梳理了其规划领域特点，归纳总结了领域建模需求；基于本体理论分别建立了规划领域本体模型、对象概念本体模型和方法概念本体模型，进而构建了空间站短期任务规划领域体系，规范化描述了领域内的概念及其关系。最后通过在货运补给与微重力实验两类任务建模上的成功应用验证了所建立模型的有效性。

关键词：空间站；短期任务规划；建模；本体论

1 引言

任务规划是空间站运营的关键技术之一。空间站长期在轨运行,需要执行多种运营任务,例如后勤补给、设备维修、乘员轮换和载荷实验等。这些任务贯穿于空间站全生命周期,数量众多,例如国际空间站在2010年至2012年三年内就执行了575项科学实验任务［1-3］。同时空间站在轨运行时面临多种约束,设备和资源有限,需要对空间站在轨运营的任务进行合理规划,以有效降低空间站运营风险、提高效率与经济性。

目前,针对在轨运行的国际空间站,美国的约翰逊空间中心、马歇尔空间飞行中心［4-5］,欧洲哥伦布控制中心［6］,俄罗斯莫斯科任务中心［7］以及日本筑波空间中心［8-9］等,对各自负责的相关运营任务的规划都有一定研究,并且已经开发了多种规划工具,但是在公开的文献中,很少有相关模型和算法的介绍。

我国空间站工程目前处于起步阶段,在任务规划方面研究尚浅,仅公开发表了一些初步研究。国防科技大学的罗亚中和林鲲鹏对空间站运营任务规划技术进行了分析评述［10］,同时进一步研究了空间站全局任务规划问题、空间站长期任务规划问题和空间站后勤补给优化问题等［11-13］。中国空间技术研究院的田坤黉和侯永青结合国际空间站,分析了空间站运营管理体系构架［14］。然而,目前国内还未见到针对空间站短期任务规划问题的研究。

依据空间站运营需求,短期任务规划用于满足空间站一个月或一周内每天活动的规划需求,是一类在复杂约束条件下,面向多种资源,满足多种类型任务需求的规划问题。如何统一规范地、抽象化地描述空间站短期任务规划领域,同时便于任务信息的数据交互共享,是解决空间站短期任务规划问题的关键技术之一。目前,已经有比较成熟的知识表示语言［15-18］应用于卫星任务规划领域和飞船任务规划领域［19-20］,但是针对空间站短期任务规划领域,这些语言在满足开发的自主性、便利性和数据的交互性需求上还存在一定差距。

本文研究面向空间站任务短期规划需求,分析短期任务规划领域中的任务,活动、资源、设备等概念特征,基于本体建模理论,建立空间站短期任务规划领域模型,给出规范化的概念和概念关系的描述模型。

2 短期任务规划问题分析

空间站任务规划按照规划周期的长短,可分为长期规划和短期规划。长期任务规划面向对象为重大的任务事件,规划结果一般为飞船发射序列和后勤补给策略等。短期任务规划面向的对象是每日完成的主要任务,规划结果一般为任务执行方案、航天员在轨操作计划和资源调度方案等。具体如表1所示［10,21］。

表1 长期规划与短期规划特点对比Table 1 Comparison on the characteristics of the long-term planning and short-term planning

由表1可见,空间站短期任务规划与长期任务规划的关注点不同,短期任务规划中的任务主要为空间站在轨的日常任务,约束条件主要源于空间站在轨的运行状态和任务内活动的逻辑关系,结果方案从任务、航天员和资源角度给出,规划目的是满足空间站日常运营任务安排需求。

当前,针对卫星和飞船任务规划问题的研究已经开展［22-23］,但卫星任务规划和飞船任务规划在难度和规模上都与空间站短期任务规划不同,如表2所示。空间站短期任务规划领域中的任务类型多样且数量多,如运输补给任务有交会对接、在轨加注和舱段组装等；日常维护维修有空间站每日例行任务、设备的维修更换和出舱活动等；载荷实验任务包括生物研究、人体生理研究、新技术开发、天文观测、材料实验和对地观测等。卫星任务则由卫星类型决定,如侦查卫星主要遂行侦查任务。由于飞船飞行时间较短、体积有限,飞船携带的载荷设备有限,所以飞船所能完成的任务类型和数量都较少。同时,由于空间站长期有航天员在轨驻留,所以在任务规划过程中,必须将航天员特征和作息约束考虑进去,增加了规划的难度。由于空间站完成任务的类型和数量多,需要较多的资源和设备进行保障,同时也带来了更复杂的资源设备约束。结合国防科技大学罗亚中等对空间站运营任务规划技术的评述可知,空间站短期任务规划是衔接任务级规划和执行级规划,对空间站在轨活动概要进行规划,而得到的方案为进一步细致的执行规划奠定基础［10］。

表2 空间站短期任务规划、卫星任务规划和飞船任务规划特点对比Table 2 Comparison on the characteristics of space station short-term mission planning，satellite mission planning and spacecraft mission planning

根据上述对比分析,空间站短期任务规划问题是一类任务类型多样、数量多、约束条件复杂的规划问题。

为了便于描述问题,结合短期任务执行过程,对空间站短期任务规划领域建模需求进行了分析归纳,主要有以下几点：

1)短期任务规划问题是一个任务周期内的时间线规划问题,规划的核心元素是时间,在模型中需合理地描述时间需求；

2)涉及任务种类多样,不同任务的执行过程不同,所以需要引入任务的子一级概念,用于描述任务的步骤或过程；

3)任务的执行步骤或过程之间具有一定的逻辑关系,需合理有效地给出关系的定义和描述；

4)任务在执行过程中,需要航天员、多种资源和设备支持；在合理定义描述航天员、资源和设备的同时,需建立航天员、资源和设备对于任务执行的支持关系模型；

5)在解决短期任务规划问题时,会针对不同的规划目标,采用相应的规划方法和策略,满足相应的约束条件,获得满足需求的方案,所以需要对规划目标、规划方法和策略、约束条件和结果方案进行定义描述。

结合短期任务规划特点和建模需求可以看出,需要一种有效的理论方法来建立空间站短期任务规划框架体系,同时统一规范地定义描述短期任务规划领域内各项概念和关系,便于进行合理有效的任务规划和数据信息共享。

3 短期任务规划建模分析

在空间站短期任务规划问题中,需要满足多个系统的任务需求,在交流任务需求时,会形成数据的共享和交互,如果数据的共享和交互不顺畅,会给问题求解造成很大的障碍。本体是一种语义表达和知识建模的工具,在统一形式化描述和共享概念信息方面具有良好的性能［24］,并且本体理论已经在生产调度领域和卫星测控调度领域取得了成功的应用［25-26］。

本文引入本体建模理论,对空间站短期任务规划领域进行框架建模和概念定义描述,为有效解决空间站短期任务问题奠定基础,同时便于与其它系统进行数据信息共享交互。

3.1 问题领域本体建模

建立空间站短期任务规划领域本体模型,定义空间站短期任务规划本体(Space Station Short Term Mission Planning Area Ontology,简称STMPAO)如式(1)：

其中,ConceptSet为概念集合,包含有多个概念本体,RelationSet为概念关系集合。

根据第2节分析,建立空间站短期任务规划问题领域本体的概念集合如式(2)：

式中等号右边概念元素分别为任务、活动、设备、资源、约束、规划策略、规划方法、规划目标和结果方案。

各个概念之间的关系如图1所示,主要包括：

1)一个任务包含一个或若干个活动,活动组成任务；

2)资源支持设备正常工作,同时设备执行具体的活动；

3)任务、活动、设备和资源生成约束条件；

4)约束条件和规划目标限制规划方法的选择；

5)规划策略通过作用于规划方法,进行冲突化解从而满足约束条件；

6)规划方法对任务进行规划,生成结果方案；

7)结果方案满足任务需求、约束条件和规划策略。

图1 空间站短期任务规划领域本体框架图Fig.1 Space station short-term mission planning domain ontology frame

在短期任务规划问题领域本体中,各个概念之间的单个关系的定义采用“主语-谓语-宾语”格式,领域本体中的关系可定义如式(3)：

其中, SubjectID表示关系中概念对象的编号, Predicate表示关系中的谓语,用于表示关系的类型；ObjectID表示关系中的宾语的编号。

在领域本体中,关系的类型有式(4)所示六类：

其中,Contain表示包含关系,Execute表示执行关系,Support为支持关系,Form为生成关系,Restrict为限制关系,Satisfy为满足关系。

根据概念的特征,将空间站短期任务规划领域的概念分为两类,分别是对象类概念和方法类概念。其中,对象类概念包括任务、活动、设备和资源；方法类概念包括规划策略、规划方法、目标、约束条件和结果方案。

3.2 对象概念本体建模

上述对象类概念主要是指对空间站短期任务规划领域中规划对象的抽象描述,针对每个对象的特点,建立对象类概念本体,是解决短期任务规划建模研究的核心部分。

3.2.1 任务本体

任务概念定义：任务是由一系列活动组成的事件,在空间站资源、设备和航天员的支持下完成,保障空间站在轨的正常运行和科学研究。

建立任务本体模型,定义任务本体为式(5)：

其中,MO_AttributeSet为任务本体的属性集合,MO _RelationSet为任务本体的关系集合。

1)属性集合定义

对任务本体的属性定义如式(6)所示。

其中,MID为任务特有的编号,用于与其他任务进行区分；MName为任务的名称,用于表达任务的意义；MType为任务的类型；Priority为任务的优先级,用于表示任务重要程度的指标；Profit为任务的收益性,用于表示任务收益程度大小的指标；StaEarTime和EndLatTime分别表示任务的最早开始时间和最晚结束时间,最早开始时间是指任务的第一个活动的最早时刻,最晚结束时间是指任务的最后一个活动的最晚时刻；MNote是对任务的备注说明。

在任务本体的属性集合中,任务类型MType可以划分为式(7)所示的五类,按照重要性程度依次为未知、载荷、日常维护、运输补给和紧急任务,其中紧急任务最为重要。

其中,Unknown为未知类型,用于表示这类任务没有明确的类型,将其设定为最不重要的类型；Pay⁃load为载荷类型,用于表示这类任务为载荷实验类任务,目的是为了满足空间站上的科学研究需求,这类任务的执行会增加空间站在轨运行的收益性,实现空间站在轨运行的科学研究意义；Dai⁃Main为日常维护任务,用于表示满足空间站长期平稳运行的日常操作需求的一类任务,例如设备的维护维修、出舱活动和航天员的日常作息等；TranSup为运输补给类型,用于表示满足空间站运营补给类型的任务,例如燃料在轨加注任务和交会对接任务；Crisis为紧急任务,用于表示处理空间站紧急情况的任务,例如紧急规避任务和火灾处理任务等。

2)关系集合定义

关系集合存放与本任务相关的所有关系。单个关系的定义采用“主语-谓语-宾语”格式,对任务本体中关系定义如式(8)所示。

其中,SubjectID表示关系中的主语的编号；Predi⁃cate表示关系中的谓语,用于表示关系的类型；ObjectID表示关系中的宾语的编号,表示与主语发生关系的任务。

在任务本体中,任务之间关系的类型有式(9)所示的两类：

其中,Exclusive为互斥关系,表示主语代表的任务与宾语代表的任务不能在同一时间段内执行；Precedence为先验关系,表示主语代表的任务在宾语代表的任务结束后的一段时间内开始。

3.2.2 活动本体

活动概念定义：活动是空间站短期任务规划领域的核心单元,是任务的基本组成,表示任务中的一个行动或是进程。

建立活动本体模型,定义活动本体为式(10)：

其中,ActO_AttributeSet为活动本体的属性集合；ActO_RelationshipSet为活动本体的关系集合。

1)属性集合定义

对活动本体的属性集合定义如式(11)所示。

其中,AID为活动特有的编号,用于与其他活动进行区分；AName为活动名称,用于表达活动的意义；StartTime为活动的开始时间；Dur为活动执行的时间长度；Bandwidth为活动执行所需要的带宽；ANote是对活动的备注说明。

2)关系集合定义

关系集合存放与本任务相关的所有关系。单个关系的定义采用“主语-谓语-宾语”格式,对活动本体中关系集合如式(12)所示。

在活动本体中,活动之间关系的类型只有一类,即先验关系。

3.2.3 设备本体

设备概念定义：设备是一种用于完成活动的工具或航天员,工具可以自动运行或由航天员操作使用。在本文中,将航天员假设为一种特殊的设备,不必单独设立航天员的概念进行描述。

建立设备本体模型,定义任务本体为式(13)：

其中,DO_AttributeSet为设备本体的属性集合,在本文中,不考虑各个设备之间的相互作用关系。

对设备本体的属性定义如式(14)所示。

其中,DID为设备特有的编号,用于与其他设备进行区分；DName为设备的名称,用于表达设备的功能；DType为设备的类型；nAct为设备在同一时刻所能执行活动的个数；Power为设备执行一个活动时所需要的功耗；Thermal为设备执行一个活动的散热；Oxygen为设备执行一个活动所需要的氧气数量；Water为设备执行一个活动所需要水的数量；DNote是对设备的备注说明。

在设备本体的属性集合中,设备类型DType可以划分为三类,分别是未知类型、平台类型和载荷类型。如公式(15)所示。

其中,Unknown表示未知类型,用于表示这类设备没有明确的类型；Platform表示平台类型,这类设备的主要功能是维护空间站平台系统的正常运营；Payload表示载荷类型,这类设备的主要功能是支持空间站在轨科学研究任务和航天员系统任务。

3.2.4 资源本体

资源概念定义：资源是保障空间站在轨正常运营,完成各项科学研究的物质,在空间站短期任务规划领域,本文主要考虑功耗、散热和带宽等,所以资源本体定义为式(16)：

其中,RO_AttributeSet为资源本体属性集合,不考虑各类资源之间的相互作用关系。

对资源本体的属性定义如式(17)所示。

其中,RID为资源特有的编号,用于与其他资源进行区分；RName为资源的名称,用于表达资源的意义；RType为资源的类型,主要分为可再生资源(Renewable)和不可再生资源(Non⁃Renewable)；rValue为资源的额定数量；Value为资源的当前数量；RNote是对资源的备注说明。

3.3 方法概念本体建模

方法类概念主要是指在空间站短期任务规划领域中,求解该规划问题时,所选用方法涉及到的概念,主要包括五类：规划策略、规划方法、规划目标、约束条件和结果方案。针对规划过程中概念特征,建立方法类概念本体。

3.3.1 约束本体

约束概念定义：在任务规划过程中面临一系列约束条件,约束的产生主要来源于两个方面,分别是任务需求和空间站资源约束。每一项约束本体定义为式(18)：

其中,CO_AttributeSet为约束本体属性集合,在建模过程中不考虑各个约束的相互作用关系。

对约束本体的属性定义如式(19)所示。

其中,CID为约束特有的编号,用于与其他约束进行区分；CName为约束的名称,用于表达约束的意义；CType为约束的类型,主要分为时间约束(CTime)、关系约束(CRelation)、资源约束(CRe⁃source)和设备约束(CDevice)；CNote是备注说明。

3.3.2 规划策略本体

规划策略定义：在空间站短期任务规划领域中,规划策略是指冲突化解策略,如果方案中产生违反约束的冲突时,依据冲突类型,采用合适的冲突化解策略进行化解。规划策略本体定义为式(20)：

其中,SO_AttributeSet为规划策略的本体属性集合,在建模过程中不考虑各个策略之间的相互作用关系。

对规划策略本体的属性定义如式(21)所示。

其中,SID为规划策略的编号；SName为规划策略名称；SType为规划策略类型,与约束条件类型相对应；SNote是备注说明。

3.3.3 规划目标本体

规划目标定义：指规划过程中满足规划需求的目标函数,目标函数包括方案优先级之和最大、收益性之和最大以及稳定性最好等。

规划目标本体定义为式(22)：

其中,OO_AttributeSet为规划目标的本体属性集合,在建模过程中不考虑各个规划目标的相互作用关系。

对规划目标本体的属性定义如式(22)所示。

其中,OID为规划目标的编号；OName为规划目标名称；ONote是备注说明。

3.3.4 规划方法本体

规划方法定义：规划方法是采用一定的方法,合理地安排任务活动时间,有效地分配资源和设备,以满足任务需求。针对短期任务规划特点,采用时间迭代,启发式进化算法求解问题。规划方法本体定义为式(24)：

其中,MeO_AttributeSet为规划方法的本体属性集合,不考虑各个方法之间的相互作用关系。

对规划方法本体的属性定义如式(25)所示。

其中,MeID为规划方法的编号；MeName为规划方法名称；MeNote是备注说明。

3.3.5 结果方案本体

结果方案定义：指最终得到满足规划需求的可行规划方案。

结果本体定义为式(26)：

其中,MissionPlan为任务执行方案；DevSchema为设备分配方案；ResSchema为资源分配方案；On⁃BoardPlan为航天员在轨操作计划。

4 描述示例

本节通过实际任务,利用所建立的模型对领域相关的对象概念进行描述,并利用XML描述语言进行描述,验证本文提出的本体模型的有效性。

考虑两个任务,分别是货运补给任务和微重力实验任务。空间站上有三名航天员驻留,空间站用于任务的额定功耗为8000 W,额定散热为5000 W,带宽资源8 Mb。

货运补给任务：货运飞船与空间站进行交会对接,然后进行燃料在轨加注。执行此项任务时,需要三名航天员共同完成。交会对接时间为一个小时,在轨加注时间为两个小时。在货运补给过程中,需要对空间站姿态进行不断地调整。货运补给任务执行的时间范围在周一8时至周一22时之间。任务的执行需要带宽4 Mb。

微重力实验任务：在微重力实验设备中,有一名航天员进行实验,实验时间为两个小时。实验过程中,要有持续稳定的微重力环境。微重力实验任务执行的时间范围在周一8时至周一22时之间。任务的执行需要带宽2 Mb。

4.1 领域本体对象模型描述

根据货运补给任务和微重力任务特点,对领域内相关概念进行分析,主要的对象概念包括两项任务、三项活动、四项设备和三类资源。其中,货运补给任务包含交会对接活动和在轨加注活动,这两项活动的执行由航天员A、航天员B和航天员C完成,活动期间需要带宽资源保障通信；微重力实验任务包含一项活动,即微重力实验活动,该活动由航天员A和微重力设备完成,活动期间需要带宽资源保障通信。具体概念信息如表3所示,各项对象概念的关系如表4所示。

4.2 对象概念本体模型描述

按照本文研究给出的对象概念本体描述各项概念及概念内关系。

4.2.1 任务本体描述

表3 领域本体概念集合Table 3 Domain ontology object concept set

表4 领域本体关系集合Table 4 Domain ontology relationship set

针对任务本体,描述了任务的类型,优先级、收益性和任务执行的时间区间,如表5所示。由于货运补给任务全程需要对姿态进行控制,所以不能与微重力实验任务同时执行,如表6所示。

表5 任务本体属性集合Table 5 Mission ontology attribute set

表6 任务本体关系集合Table 6 Mission ontology relationship set

4.2.2 活动本体描述

针对活动本体,描述了货运补给任务和微重力实验任务中包含的活动属性,主要包括活动时长和带宽资源等,活动的开始时间在规划结束后获得,活动本体属性集合如表7所示。在货运补给任务中,在轨加注任务必须在交会对之后发生,所以交会对接任务为在轨加注活动的先验活动,如表8所示。

表7 活动本体属性集合Table 7 Activity ontology attribute set

表8 活动本体关系集合Table 8 Activity ontology relationship set

4.2.3 设备本体描述

在货运补给任务和微重力实验任务规划领域中,涉及到的设备包括三名航天员和一项微重力设备,航天员作为特殊的设备,其类型为未知,同时航天员的散热、氧气和水的消耗属于驻留必备资源,不在规划考虑范围,所以航天员在执行任务所需的散热、氧气和水的参数值为0,如表9所示。

4.2.4 资源本体描述

为了完成货运补给任务和微重力实验任务,需要三类资源进行支持保障,资源本体属性集合如表10所示。

表9 设备本体属性集合Table 9 Device ontology attribute set

表10 资源本体属性集合Table 10 Resource ontology attribute set

4.3 XML语言描述

4.2节给出了示例任务的对象概念本体模型,这些对象概念本体中的信息需要按照一定的格式进行语言描述,便于对象概念本体模型与方法概念本体模型进行数据交互。

本体的描述语言有多种,例如XML语言和RDF语言等,为了便于数据信息的交互,本文采用XML语言描述领域本体模型和对象概念本体模型。本节利用XML语言示范地描述了货运补给任务,如图2所示。XML示例表明,采用XML语言描述所建立对象概念本体模型是合理可行的。

4.4 方法概念本体模型描述

结合3.3节内容,给出了针对货运补给任务和微重力实验任务的方法概念本体模型描述,并结合4.2节对象概念模型,给出了一种问题的解决方案。

4.4.1 约束本体描述

依据货运补给任务和微重力实验任务特点及规划需求特性,存在的约束包括设备约束和关系约束。设备约束主要是指航天员在同一时刻只能完成一项任务；关系约束是指货运补给任务与微重力实验任务的关系为互斥关系,不能同时发生,示例的约束本体描述如表11所示。

图2 XML语言描述Fig.2 XML Language description

表11 约束本体集合Table 11 Constraint ontology set

4.4.2 规划策略本体描述

在示例任务中,所需的规划策略包括设备策略和关系策略。当产生与设备相关的冲突时,采用设备策略；当产生与关系相关的冲突时,采用关系策略。

根据所建立规划策略本体模型,示例中的规划策略本体描述如表12所示。

表12 规划策略本体集合Table 12 Planning strategy ontology set

4.4.3 规划目标本体描述

在解决示例任务规划问题时,选取优先级之和最大作为规划目标。规划目标的本体描述如表13所示。

表13 规划目标本体Table 13 Planning objective ontology

4.4.4 规划方法本体描述

基于4.3节所建立的XML描述信息,采用时间迭代方法作为规划方法,解决示例任务规划问题,规划方法的本体描述如表14所示。

表14 规划方法本体Table 14 Planning method ontology

4.4.5 规划方案本体描述

根据给出的约束条件、规划策略、规划目标和规划方法,最终得到规划方案,任务执行方案、设备分配方案、资源分配方案和航天员在轨操作计划分别如图3～图6所示。

图3 任务执行方案甘特图Fig.3 Gantt of the mission executable plan

图4 设备分配甘特图Fig.4 Gantt of the device assignment

图5 资源分配曲线Fig.5 Time history of the resource condition

图6 航天员在轨操作计划Fig.6 Astronaut on-board plan

第4节通过示例任务,给出了本体模型描述,利用模型中的信息和方法,解决了示例任务的规划问题。

5 结论

本文通过对空间站短期任务规划问题的分析,梳理了短期任务规划领域特点,归纳总结了领域建模需求。引入本体理论,给出了一种空间站短期任务规划领域概念建模方法,分别建立了规划领域本体模型、对象概念本体模型和方法概念本体模型,最后通过在货运补给与微重力实验两类任务上的成功应用描述示例验证了所建立模型的兼容性和有效性。本文提出的建模方法可以满足空间站短期任务规划领域中的问题描述需求和数据交互共享需求,为进一步解决空间站短期任务规划问题打下基础。

参考文献（References）

［1］ 韩淋,杨帆,王海霞,等.2010年国际空间站科学实验简析［J］.载人航天, 2011, 17 (5)：58-64.Han Lin, Yang Fan, Wang Haixia, et al.Analysis of scientific experiments carried out on International Space Station in 2010［J］.Manned spaceflight, 2011, 17(5)：58-64.(in Chinese)

［2］ 韩淋,杨帆,王海霞,等.2011年国际空间站科学研究与应用进展(上)［J］.载人航天, 2012, 18(2)：90-96.Han Lin, Yang Fan, Wang Haixia, et al.Scientific research and application progress of the International Space Station in 2011［J］.Manned spaceflight, 2012, 5 (2)：58-64.(in Chinese)

［3］ 韩淋,王海名,杨帆,等.2012年国际空间站科学研究与应用进展［J］.载人航天, 2013, 4(19)：90-96.Han Lin, Wang Haimin, Yang Fan, et al.Scientific research and application progress on the International Space Station in 2012［J］.Manned spaceflight, 2013, 19(4)：90-96.(in Chinese)

［4］ Saint R.Lessons Learned in developing an international planning software system［C］/ / Proceedings of the 7thInternational Conference on Space Operations.Houston, Texas, USA.2002.

［5］ Hagopian J, Howell E.Architecture for Payload Planning System(PPS) software distribution［C］/ / AIAA Space Programs and Technologies Conference, Huntsville, AL.1995.

［6］ Zoeschinger G.A., Wickler M., Koehler1 A., et al.A planning system for payload and system planning of the Columbus module on ISS［C］/ / Proceedings of the 8thInternational Conference on Space Operations, Montreal, Canada, 2004.

［7］ Zagreev B, Repchenkov R, Chikirev V.A decision support system for research program scheduling on the Russian segment of the ISS［C］/ / Proceedings of the 64thInternational Astronautical Congress.Beijing, China, 2013.

［8］ Ogo H, Maeda E.Implementation status for JEM logistics and maintenance operations system［C］/ / Proceedings of the 50thInternational Astronautical Congress, Amsterdam, Holland, 1999.

［9］ Kobayashi K, Shimizu M, Satoh Y, et al.JEM operations control system design for utilization of JEM terorbit communication system［C］/ / Proceedings of the 5thInternational Conference on Space Operations, Tokyo, Japan, 1998.

［10］ 罗亚中,林鲲鹏,唐国金.空间站运营任务规划技术评述［J］.载人航天, 2012, 18(2)：7-13.Luo Yazhong, Lin Kunpeng, Tang Guojin.Review on space station operation mission planning technology［J］.Manned spaceflight, 2012, 18(2)：7-13.(in Chinese)

［11］ Lin K P, Luo Y Z, Zhang J, et al.Space station overall mission planning using decomposition approach［J］.Aerospace Science and Technology, 2014, 33(1)：26-39.

［12］ Lin K P, Luo Y Z, Zhang J, et al.Planning for space station long-duration orbital mission under multi-constraints［J］.Science China Technological Sciences, 2013, 56 (5)：1075-1085.

［13］ Lin K P, Luo Y Z, Tang G J.Optimization of logistics strategies for long-duration space-station operation［J］.Journal of Spacecraft and Rockets, 2014, 51(5)：1709-1720.

［14］ 田坤黉,侯永青.国际空间站运营管理体系架构分析［J］.载人航天, 2011, 17(1)：10-15.Tian Kunhong, HouYongqing.Analysis of International Space Station operation architecture［J］.Manned spaceflight, 2011,17(1)：10-15.(in Chinese)

［15］ Ghallab M, Knoblock C, Wilkins D, et al.PDDL-the planning domain definition language Version 1.2［R］.Technical Report CVC TR-98-003/ DCS TR-1165, 1998.

［16］ Barreiro J, Boyce M, Do M, et al.EUROPA：A platform for AI planning, scheduling, constraint programming, and optimization［C］/ / Proceedings of the 22nd International Conference on Automated Planning＆Scheduling (ICAPS-12)–The 4th International Competition on Knowledge Engineering for Planning and Scheduling.Atibaia, Brazil, 2012.

［17］ Smith D, Frank J, Cushing W.The anml language［C］/ / Proceedings of ICAPS-08.2008.Sydney, Australia, 2008.

［18］ Chien S, Rabideau G, Knight R, et al.ASPEN-automating space-mission operations using automated planning and scheduling［C］/ / Proceedings of the 6thInternational Conference on Space Operations.Toulouse, France, 2000.

［19］ Biancho A, Ferreira M, Silva J, et al.Multi-agent architecture for automating satellite control operations planning and execution［C］/ / Proceedings of 10thinternational conference on Knowledge-Based Intelligent Information and Engineering Systems.Bournemouth, UK, October 9-11, 2006.

［20］ Cardoso L, Ferreira M, Orlando V.An intelligent system for generation of automatic flight operation plans for the satellite control activities at INPE［C］/ / Proceedings of the 9thConference on Space Operations(SpaceOps-2006).Rome, Italy, 2006.

［21］ 林鲲鹏.空间站长期运营总体任务规划与仿真方法［D］.国防科学技术大学, 2014.Lin Kunpeng.Overall Mission Planning and Simulation Approaches for Space Station Long-duration Operations［D］.National University of Defense Technology, 2014.(in Chinese)

［22］ Cesta A, Cortellessa G, Fratini S, et al.Developing an Endto-End planning application from a timeline representation framework［C］/ / Proceedings of the twenty-first Conference on innovative Applications of Artificial Intelligence.Pasadena, California, USA.2009.

［23］ Frank J, Jonsson A.Constraint-based Attribute and Interval Planning［J］.J Constraints, 2003, 8(4)：339-364.

［24］ 冯志勇,李文杰,李晓红.本体论工程及其应用［M］.北京：清华大学出版社, 2007：12-30.Feng Zhiyong, Li Wenjie, Li Xiaohong.Ontology engineering and its application［M］.TsingHua University Press, 2007：12-30.(in Chinese)

［25］ Hori M, Nakamur Y, Satoh H, et al.Knowledge-level analysis for eliciting composable scheduling knowledge［J］.Artificial Intelligence in Engineering, 1995, 9(4)：253-264.

［26］ 凌晓冬,刘冰,武小悦,等.基于本体的多星测控调度问题模型研究［J］.计算机与数字工程, 2010, 38 (8)：62-66.Ling Xiaodong, Liu Bin, Wu Xiaoyue, et al.An ontologybased model of multi—satellite TT＆C scheduling problem ［J］.Computer＆Digital Engineering, 2010, 38(8)：62-66.(in Chinese)

Modeling of Space Station Short-Term Mission Planning Domain Based on Ontology Theory

BU Huijiao1，ZHANG Jin1，LUO Yazhong1*，ZHOU Jianping2
（1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.China Manned Space Agency，Beijing 100720，China）

Abstract：The planning domain modeling is a key technology for the space station short-term mission planning（STMP）.According to the analysis of the space station STMP problem by comparison，the characteristics of STMP domain were sorted out，and the demands on domain modeling were summarized.Based on the ontology theory，the planning domain ontology model，object concept ontology model and method concept ontology model for the STMP were developed respectively，and then the domain system of STMP was built and the concepts and their relations were described formally.Finally，the effectiveness of the proposed model was validated through the successful application to the cargo supply mission and microgravity experiment mission.

Key words：space station；short-term mission planning；modeling；ontology theory

*通讯作者：罗亚中(1979-),男,博士,教授,研究方向为载人航天任务规划。E-mail：luoyz＠nudt.edu.cn

作者简介：卜慧蛟(1986-),男,博士研究生,研究方向为空间站短期任务规划研究。E-mail：bu_huijiao＠163.com

基金项目：湖南省自然科学基金(2015JJ3020)；国防科学技术大学科研计划(JC14-01-05)；载人航天预先研究项目(010103)

收稿日期：2015-05-04；修回日期：2016-02-04

中图分类号：V412

文献标识码：A

文章编号：1674-5825（2016）02-0191-11