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旃槌时
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1 第三届全国演化计算与学习研讨会, , 上海基于进化计算的载人航天任务规划研究进展罗亚中国防科技大学航天科学与工程学院 2016 年 5 月 28 日 1

2 个人基本情况研究方向飞行动力学与控制研究方向飞行动力学与控制航天任务规划支撑学科力学支撑学科力学航空宇航航空宇航进化计算 2011 首次无人交会对接预计预计首次载人交会对接空间站运营任务 2

3 汇报内容 1 载人航天任务规划概述 2 交会对接任务规划 EA 应用 3 空间站运营任务规划 EA 应用 4 总结与展望 2016/6/1 3

4 汇报内容 1 载人航天任务规划概述 2 交会对接任务规划 EA 应用 3 空间站运营任务规划 EA 应用 4 总结与展望 2016/6/1 4

5 一载人航天任务规划概述航天任务规划设计并制定相关空间技术活动在任务运营阶段的实施方案 (deciding g when to do and what to do) 典型问题 1: 卫星观测任务规划涉及的理论 : 整数规划图模型约束满足模型 5

6 一载人航天任务规划概述航天任务规划设计并制定相关空间技术活动在任务运营阶段的实施方案 (deciding g when to do and what to do) 典型问题 2: 轨道设计与机动规划涉及的理论 : 轨道动力学最优控制数值优化 6

7 一载人航天任务规划概述航天任务规划设计并制定相关空间技术活动在任务运营阶段的实施方案 (deciding g when to do and what to do) 典型问题 3: 航天员在轨活动规划涉及的理论 : 调度理论动态规划 7

8 一载人航天任务规划概述航天任务规划设计并制定相关空间技术活动在任务运营阶段的实施方案 (deciding g when to do and what to do) 典型问题 4: 空间组装与后勤补给任务规划涉及的理论 : 整数规划非线性规划多目标优化 8

9 一载人航天任务规划概述载人航天人类驾驶或乘坐载人航天器在太空中从事各种探测研究试验生产和军事应用等往返飞行活动 9

10 一载人航天任务规划概述中国载人航天工程 (921) 三步走战略将航天员安全送入近地轨道, 进行适量的对地观测及科学实验, 并使航天员安全返回地面第一步交会对接任务规划重点完成出舱活动实验交会对接和发射长期自主飞行短期有人照料的空间实验室第二步关键技术空间站运营任务规划建造空间站, 解决有较大规模的长期有人照料的空间应用问题第三步 10

11 一载人航天任务规划概述中国载人航天工程发展历程完全建成空间站发射空间站核心舱神舟十号与天宫一号载人交会对接神舟九号与天宫一号载人交会对接号载人交会对接神舟八号与天宫一号无人交会对接神舟七号成功实现航天员出舱神舟六号多人多天成功神舟五号首次载人飞行成功第一艘无人试验飞船发射成功开始实施载人航天工程 2022 年 2018 年 2013 年 2012 年 2011 年 2008 年 2005 年 2003 年 1999 年 1992 年 11

12 一载人航天任务规划概述基本研究思想规划模型构建规划策略设计问题优化求解模型算法 12

13 一载人航天任务规划概述主要工具优化算法 1960s 1970s 1980s 1990s 2000s 牛顿法拟牛顿法共轭梯度法 GA SA TB DE PSO AC 经典优化方法依赖梯度信息局部收敛算法固定不易改进多目标优化求解困难进化算法不需要梯度信息较好的全局最优性算法易实现易改进多目标优化求解方便 13

14 一载人航天任务规划概述 EA 在航天任务规划 ( 轨道问题 ) 较早研究 Genetic Algorithm ( ) Simulated Annealing Gage et al.(1995): interplanetary impulsive transfer Rauwolf et al.(1996):low-thrust transfer Lu et al.(1994): nonsmooth trajectory optimization Tekinalp et al.(2000):missle trajectory Particle Swarm Opti. Zhu et al.(2009):low-thrust transfer Bessette et al.(2007): transfer with gravity assistant Zhu et al (2009):low thrust transfer Ant Colony Radice et al.(2005): Earth-Mars transfer Algorithm Ceriotti et al.(2010):muti-asteriod gravity assistant Differeential Sentinella et al.(2005): Saturn fly-by y mission Zhu et al.(2015):space station logistics strategies Evolution 14

15 汇报内容 1 载人航天任务规划概述 2 交会对接任务规划 EA 应用 3 空间站运营任务规划 EA 应用 4 总结与展望 2016/6/1 15

16 二交会对接任务规划EA 二交会对接任务规划 EA应用应用 1 交会对接基本概念交会对接技术是指两个飞行器于同一时间在轨道同一位交会对接技术是指两个飞行器于同时间在轨道同位置以相同速度会合并在结构上连成一个整体的技术广泛应用于广泛应用于空间站补给轮换空间平台组装飞行器在轨服务载人深空探测 16

17 二交会对接任务规划 EA 应用迄今为止, 美俄欧洲和日本共计进行了 300 多次交会对接飞行任务, 在空间站和载人登月任务中发挥了重要作用 1966 年 3 月 16 日, 美国双子星座 8 号飞船与阿金纳火箭末级首次交会对接 1967 年 10 月, 苏联宇宙 188 号飞船与宇宙 186 号飞船实现了世界上首次无人自动交会对接 1969 年 7 月, 美国阿波罗登月舱与指令服务舱实现了首次月球轨道人控交会对接欧洲和日本分别于 2008 和 2009 年实现了 ATV 和 HTV 与国际空间站的交会对接 SpaxeX 公司龙飞船和天鹅座飞船分别于 2012 年 2013 年与国际空间站实现对接 17

18 二交会对接任务规划 EA 应用交会对接包括远距离导引和近距离导引两个阶段 18

19 二交会对接任务规划 EA 应用经典理论发展于 20 世纪 50 年代, 理论研究高潮于 20 世纪 60 年代 ( 太空竞赛 ), 轨道理论 + 梯度算法 Lawden,1963,Optimal Trajectories for Space Navigation Jezewski et al.,1968, AIAA Journal Prussing,1969,AIAA Journal 19

20 二交会对接任务规划 EA 应用 Science? 20

21 二交会对接任务规划 EA 应用混合整数非线性规划问题多阶段编排多脉冲调相交会多峰全局优化问题深空引力辅助设计同圆交会多航天器交会多目标优化问题交会对接任务规划中的优化问题安全交会轨迹规划鲁棒交会轨迹规划 21

22 二交会对接任务规划 EA 应用 (2) 多峰问题 1: : 同圆交会 (Benchmark) 问题描述 : 追踪器以最小燃料消耗通过 4 次机动追上目标器问题难度 : 无穷组解, 两个局部最优解, 高精度解满足必要条件并行模拟退火单纯形算法多圈 Lambert 算法序列二次规划算法 J 2 解析轨道序列二次规划算法积分 Cowell 方程利用单纯形算法提升模拟退火算法, 使得具有稳定全局收敛性 Luo et al, AIAA J.,

23 二交会对接任务规划 EA 应用满足最优性条件解 : m/s Prussing, J. Guid. Control Dyn., 1986 另外一个更好解 : m/s Luo et al, J. Guid. Control Dyn., /6/1 23

24 二交会对接任务规划 EA 应用 (2) 多峰问题 2: : 深空引力辅助轨道设计问题特点 : 搜索空间大, 数十年的时间区间行星引力辅助序列不易确定存在很多局部最优解本质上是一个多峰全局优化问题 24

25 二交会对接任务规划 EA 应用 CEC 2011 竞赛测试问题信使号水星探测器卡西尼号土星探测器 ESA 官网上实时更新基于不同 EA 的最好解基于 DE 混合变异策略迄今为止最优解 : km/s 25

26 二交会对接任务规划 EA 应用 2009 年起全国空间轨道设计竞赛

27 二交会对接任务规划 EA 应用 (2) 混合整数问题 : 多脉冲调相交会实际工程问题 : 除了机动冲量外, 飞行圈数 ( 整数 ) 也作为变量 ( 地面测控网约束 ) 严格等式约束的混合整数非线性规划问题约束条件 : 终端瞄准点 f ( 1 x ) i ( ) ( ) 0 tar tf icha tf f ( ) ( ) ( ) 0 2 x tar tf cha tf f ( 3 x ) u ( ) ( ) 0 tar tf ucha tf uf 27

28 二交会对接任务规划 EA 应用解决方法 : GA+ 牛顿迭代混合策略优化策略 : GA+ 牛顿法 x ( N, N, N, N, H, i, ) T p 整数变量用 GA 实数变量用牛顿法 GA: 处理离散变量全局搜索能力牛顿迭代算法 : 高效处理等式约束能力 Luo et al, J. Guid. Control Dyn.,

29 二交会对接任务规划 EA 应用 W. Song, Y. Wang*, H.-X. Li, and Z. Cai, Locating multiple optimal solutions of nonlinear equation systems based on multiobjective optimization, IEEE Transactions on Evolutionary Computation, vol. 19, no. 3, pp, , 非线性方程组求解是工程中非常重要的问题, 轨道和控制核心数学问题作为问题求解的中间环节, 提高计算效率 ( 目标函数计算次数小于 100) 精度高是应用的关键 29

30 二交会对接任务规划 EA 应用 (3) 多目标交会轨迹规划问题传统交会轨迹设计以燃料消耗或者飞行时间作为单一目标函数自主交会对接技术发展使得安全性鲁棒性等问题日益突出 DART 碰撞目标星 30

31 二交会对接任务规划 EA 应用 (3) 多目标交会轨迹规划问题提出了新型交会轨迹定量评价指标体系 : 安全性 + 鲁棒性利用 MOEA 开展多目标优化, 选择了 NSGA-II 算法 (citation>50): 源程序算子性能好图省事优化结果有效揭示交会轨道整体性能特性关系 Arias-Monta A, Coello C A C. Multiobjective evolutionary algorithms in aeronautical and aerospace engineering. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 2012, 16(5):

32 汇报内容 1 载人航天任务规划概述 2 交会对接任务规划 EA 应用 3 空间站运营任务规划 EA 应用 4 总结与展望 2016/6/1 32

33 三空间站运营任务规划 EA 应用 (1) 空间站运营任务规划开始建造在轨组装持续运营报废坠毁长达数十年 33

34 载人发射时间载飞货运飞在轨任三空间站运营任务规划 EA 应用 (1) 空间站运营任务规划开始建造在轨组装持续运营报废坠毁空间站运营任务规划长达数十年轮换人数发射时间货在飞上行物资执行时间人员安排船轮换人数船下行废弃物务人员安排保障好航天员的一日生活基础保证站上各项设备正常运行关键保证各类空间应用项目有序开展目的 34

35 三空间站运营任务规划 EA 应用 (1) 空间站运营任务规划开始建造在轨组装持续运营报废坠毁空间站运营任务规划长达数十年多样的运营任务多变的需求和约束工程性强内容复杂航天员乘组轮换 VS 空间站物资补给十余年的战略需求 VS 每时每刻的实时需求工程总体的指导思想 VS 实际运营的实施状态难以一步规划到位 35

36 三空间站运营任务规划 EA 应用国际上研究主要围绕国际空间站, 研究高峰在 20 世纪 90 年代初, 公开的实质性内容有限借助于进化计算系统科学人工智能领域的最新成果, 围绕我国空间站需求, 开展任务规划技术研究 36

37 三空间站运营任务规划 EA 应用空间站运营任务规划问题多目标决策问题后勤补给策略规划问题大规模变量优化问题航天员在轨活动编排问题 37

38 三空间站运营任务规划 EA 应用 (2) 典型问题 1: : 后勤补给策略规划 38

39 三空间站运营任务规划 EA 应用 (2) 典型问题 1: : 后勤补给策略规划设计变量 : 货船发射时间, 每艘货船中各单位物资载货质量从应用效益任务可靠性等角度提出了四类目标函数, 包括总试验能力平均试验能力补给鲁棒性和补给独立性如何设计目标函数是个难题 2016/6/1 39

40 三空间站运营任务规划 EA 应用超过 3 个目标的多目标优化问题很难获得好的 Pareto 前沿工程问题关注整个 Pareto 前沿解集, 但一个或几个偏好解更为迫切 p i 物理规划 (Physical Programming): 利用偏好函数转化为单目标优化问题 n 1 sc J p i ( f i ( X )) n sc i 1 fi1 fi2 fi3 fi4 f i 5 p i f i 偏好区间不好确定! f i5 f i4 f i3 f i2 f i1 f i Messac, A. (1996), Physical Programming: Effective Optimization for Design, AIAA Journal, 34, /6/1 40

41 三空间站运营任务规划 EC 应用利用 NSGA-II 快速获得物理规划的偏好区间 U [ u, u,, u npar ] Strategy A Strategy B u, u,, u n par 1( ) 2 u, u,, u npar f mean ( V ), j 1, 2,3, 4,5 1j 1j

42 三空间站运营任务规划 EA 应用空间站 5 年运营 12 艘船规划结果确保每个目标函数至少位于 range of desirable 42

43 三空间站运营任务规划 EA 应用与 NSGA-II 获得的解集对比, 偏好解更接近真实的 Pareto 前沿 Zhu et al., Int. J. Sys. Sci,

44 三空间站运营任务规划 EA 应用 (3) 典型问题 2: : 空间站在轨任务活动编排 44

45 三空间站运营任务规划 EA 应用 (3) 典型问题 2: : 空间站在轨任务活动编排上千个设计变量 : 每个任务开始时间优化目标 : 最大化任务执行数特点 : 任务种类多样约束关系复杂复杂约束大规模优化问题 45

46 三空间站运营任务规划 EA 应用如何化解冲突, 在保证约束条件满足的情况下实现优化? GA+ 迭代修复方法 : t=t+step 开始释放 t 时刻结束活动的相关设备和资源占用 t 时刻结束活动的相关设备和资源 t 时刻是否存在约束冲突是否方案回溯是 t<tend 否获得的方案满足约束条件 46

47 三空间站运营任务规划 EA 应用进化算法优于其它固定策略的启发式算法 GA+ 迭代修复算法时间迭代解冲突算法时间松弛度贪婪算法任务优先级贪婪算法算例 : 航天员一月内 2134 项任务统筹安排 Bu et al., Engi. Opti.,

48 三空间站运营任务规划 EA 应用算法稳定性稍差, 算法参数选择与影响 48

49 汇报内容 1 载人航天任务规划概述 2 交会对接飞行任务规划 EC 应用 3 空间站运营任务规划 EC 应用 4 总结与展望 2016/6/1 49

50 四总结与展望 (1)EA 为航天任务规划理论研究注入活力 EA 对于多峰全局优化问题, 具备在更大的搜索空间内搜索全局最优解的能力 EC 算法使得整数和实数变量可以同时作为设计变量被优化, 问题构建更灵位, 设计搜索域进一步扩大 50

51 四总结与展望 (1)EA 为航天任务规划理论研究注入活力 EA 使得多目标优化变得简单快捷, 只能设计成单目标优化模型的问题可以进一步发展成多目标问题, 进行更深入地研究 EA 的开放性使得算法能够在原有的框架下融入更多的航天领域知识信息, 在解决复杂约束冲突化解的同时, 进一步提高了算法的优化性能步提高了算法的优化性能 51

52 四总结与展望出版学术专著 3 部, 其中空间交会对接任务规划空间交会对接任务规划得到王永志院士的高度评价 SCI 收录 38 篇 ( 他引 275) Google 学术引用 900 余次 2014 年和 2015 年 Elsevier 公布的中国高被引学者榜单 Elsevier2014 年中国高被引学者榜单 ( 航天工程 : 共 8 人 ) 国内首部系统论述空间交会对接任务规划专著王永志院士 ( 国家最高科技奖获得者 ) 52

53 四总结与展望 (2)EA 在载人航天任务规划中的真正应用 EA 在其中的真正贡献? 是否不可替代? 2011 首次无人交会对接 2012 首次载人交会对接 2014 环月交会技术验证 53 53

54 四总结与展望 (2)EA 在载人航天任务规划中的真正应用自 2004 年起, 为神舟飞船嫦娥 5 号等型号任务研制了 10 余套交会对接任务规划系统 54

55 四总结与展望主要是连续函数优化问题交会对接飞行任务规划轨道领域知识 + 经典优化方法为主,EA 是有益补充以轨道为核心的商业软件, 成熟有用的算法还是梯度算法空间站运营任务规划主要是多目标决策和离散大规模问题经典方法无能为力,EA 是必不可少的工具 55

56 四总结与展望 (2)EA 在载人航天任务规划中的真正应用 2007 年起, 持续开展了空间站运营任务规划技术研究, 2016 年研制成功了我国首套任务规划系统 ( 原型系统 ) 56

57 四总结与展望预计 2018 年发射核心舱,2022 完成建造, 预计运营时间不少于 15 年, 任务规划系统在其中发挥着核心作用中国空间站构型图 57

58 四总结与展望围绕实际应用尚待研究的问题面向实际问题,EA 的可行性和时间成本如何快速估计? 一定理论支撑让用户认可非专业用户, 如何保证 EA 的稳定性可靠性? 算法参数选择指导原则等进一步提高效率 : 与领域知识更好地结合,GPU 并行计算 EA 多目标决策方法, 通过 EA 指导目标函数选择, 快速有效地获得偏好解 58

59 谢谢! 罗亚中国防科技大学航天科学与工程学院教授 Tel: /6/1 59

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