史璐莎，耿 瑩

(中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京100094)

1 引言

載人航天空間站階段將開展多領(lǐng)域的空間科學(xué)研究、空間應(yīng)用和技術(shù)試驗(yàn)[1]。 依托禮炮號(hào)空間站、和平號(hào)空間站和國(guó)際空間站，蘇聯(lián)、俄羅斯、美國(guó)、日本和歐洲航天國(guó)家已開展大量的空間應(yīng)用任務(wù)研究[2]，中國(guó)也在天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上完成了部分應(yīng)用任務(wù)試驗(yàn)[3]。 相對(duì)于天宮二號(hào)，中國(guó)空間站的應(yīng)用任務(wù)領(lǐng)域更多、體量更大。

空間站任務(wù)規(guī)劃以美國(guó)最為系統(tǒng)化，已形成了較為完善的任務(wù)規(guī)劃概念體系，成功應(yīng)用于國(guó)際空間站[4]。 國(guó)內(nèi)林鯤鵬[5]提出了空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)方案離散事件仿真方法；羅曉燕[6]提出了以松耦合架構(gòu)構(gòu)建多任務(wù)集成能力的有效載荷任務(wù)仿真系統(tǒng)；邱冬陽等[7]提出了啟發(fā)式規(guī)劃方法和基于并行計(jì)算的問題求解方法；卜慧蛟[8]系統(tǒng)地研究了空間站在軌任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，除此以外，牟帥[9]、李劍等[10]都針對(duì)中國(guó)空間站開展了任務(wù)規(guī)劃研究。 但目前國(guó)內(nèi)的研究均未應(yīng)用于中國(guó)空間站的實(shí)際運(yùn)營(yíng)，規(guī)劃結(jié)果的可行性未得到驗(yàn)證。 本文的目的是對(duì)任務(wù)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行逆向驗(yàn)證，以任務(wù)規(guī)劃結(jié)果作為輸入，研制基于高層體系架構(gòu)的空間站應(yīng)用任務(wù)分布式仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)用任務(wù)過程進(jìn)行仿真，從而支持應(yīng)用任務(wù)規(guī)劃結(jié)果的驗(yàn)證評(píng)估。 同時(shí)，空間站應(yīng)用任務(wù)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)也是空間站地面虛擬鏡像系統(tǒng)的重要組成部分。

2 空間站應(yīng)用任務(wù)分析

空間站應(yīng)用任務(wù)之一是進(jìn)行多學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)和空間應(yīng)用試驗(yàn)。 應(yīng)用任務(wù)涉及空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力流體物理和燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、空間地球科學(xué)及應(yīng)用和空間應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)等8 個(gè)領(lǐng)域[1]。 不同領(lǐng)域應(yīng)用任務(wù)差異較大，即使相同領(lǐng)域應(yīng)用任務(wù)在項(xiàng)目申報(bào)中描述顆粒度也各不相同。 在已確定應(yīng)用任務(wù)必要性的基礎(chǔ)上，忽略其本身的科學(xué)意義和任務(wù)過程細(xì)節(jié)，對(duì)各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用任務(wù)統(tǒng)一分析與建模，有利于應(yīng)用任務(wù)的規(guī)劃和仿真。

空間站應(yīng)用任務(wù)的影響因素如圖1 所示，主要包括空間環(huán)境因素影響、發(fā)射任務(wù)、可用資源、有效載荷、航天員、任務(wù)規(guī)劃結(jié)果序列等條件的影響。

圖1 空間站應(yīng)用任務(wù)的影響因素Fig.1 Influencing factors of the space utilization mission

空間環(huán)境因素的影響為應(yīng)用任務(wù)成功實(shí)施所需的環(huán)境條件，包括空間站軌道、姿態(tài)、大氣、微重力、輻射、磁場(chǎng)等；發(fā)射任務(wù)包括空間站艙段、載人飛船和貨運(yùn)飛船的發(fā)射，為應(yīng)用任務(wù)實(shí)施提供場(chǎng)所、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、所需資源、有效載荷等；可用資源包括艙段可用資源和實(shí)驗(yàn)柜可用資源，指應(yīng)用任務(wù)實(shí)施過程中需消耗的水、電、散熱、氣體供應(yīng)等，受應(yīng)用任務(wù)執(zhí)行情況的影響和發(fā)射任務(wù)影響；有效載荷是應(yīng)用任務(wù)實(shí)施的關(guān)鍵，分為實(shí)驗(yàn)樣品、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、返回樣品、廢棄物等，具有一種或多種工作模式，運(yùn)行時(shí)消耗資源；航天員影響執(zhí)行過程中需要航天員操作配合的應(yīng)用任務(wù)，航天員上下行計(jì)劃、作息計(jì)劃和工作類型預(yù)先指定，應(yīng)用任務(wù)需根據(jù)航天員進(jìn)行調(diào)整；任務(wù)規(guī)劃結(jié)果序列作為整個(gè)仿真系統(tǒng)的運(yùn)控輸入，包括任務(wù)運(yùn)行計(jì)劃和載荷上下行計(jì)劃，為仿真系統(tǒng)的運(yùn)行大綱。

綜上，空間站應(yīng)用任務(wù)的仿真涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域，復(fù)雜度高，采用常規(guī)仿真方法通常難以實(shí)現(xiàn)，而基于高層體系架構(gòu)(High Level Architecture，HLA)的分布式仿真已成為解決這類問題的主要方案之一[11]。 同時(shí)，基于HLA 的分布式仿真還具有可重用、可擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。

3 仿真框架設(shè)計(jì)

3.1 FEDEP 簡(jiǎn)介

HLA 是美國(guó)國(guó)防部于1995 年提出的實(shí)現(xiàn)分布式仿真的中間件。 根據(jù)IEEE1516.X 標(biāo)準(zhǔn)，HLA包括HLA 規(guī)則、對(duì)象模型模板、HLA 接口規(guī)范、聯(lián)邦開發(fā)和運(yùn)行過程(Federation Development and Execution Process，F(xiàn)EDEP)4 部分。 其中FEDEP為美國(guó)國(guó)防建模與仿真辦公室公布的用于開發(fā)分布交互式仿真系統(tǒng)的軟件工程方法。 根據(jù)IEEE1516.3 標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)EDEP 的基本內(nèi)容包括7 個(gè)步驟，這些步驟將需要解決的問題從抽象的邏輯概念初步轉(zhuǎn)化為具體的物理實(shí)現(xiàn)[12]，對(duì)于確定在聯(lián)邦開發(fā)過程中的關(guān)鍵任務(wù)具有重要的指導(dǎo)意義，其基本內(nèi)容如表1 所示。

表1 FEDEP 模型的基本內(nèi)容Table 1 The basic content of FEDEP

3.2 仿真聯(lián)邦框架

依據(jù)空間站應(yīng)用任務(wù)分析結(jié)果與實(shí)際任務(wù)運(yùn)行場(chǎng)景，設(shè)計(jì)仿真想定，識(shí)別其中參與者與關(guān)鍵變量，開發(fā)聯(lián)邦概念模型。 仿真場(chǎng)景想定如圖2 所示，場(chǎng)景中主體包括運(yùn)控、載荷、航天員、飛船、艙段、資源持有者、環(huán)境、監(jiān)控、應(yīng)用任務(wù)。 其中，載荷、航天員、飛船、艙段和應(yīng)用任務(wù)均對(duì)應(yīng)相應(yīng)的實(shí)體；環(huán)境包括空間站軌道、姿態(tài)、大氣、微重力、輻射、磁場(chǎng)等；資源提供者包括艙段和實(shí)驗(yàn)柜；運(yùn)控對(duì)應(yīng)任務(wù)規(guī)劃結(jié)果；監(jiān)控對(duì)應(yīng)仿真過程的觀察者和記錄者。

分析聯(lián)邦仿真劇情中的角色，可分為：長(zhǎng)期運(yùn)控、短期運(yùn)控、運(yùn)輸、任務(wù)、載荷、資源、航天員、環(huán)境和監(jiān)控9 種。 基于HLA 的設(shè)計(jì)仿真框架如圖3所示，包括應(yīng)用任務(wù)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)和仿真聯(lián)邦兩部分。 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)應(yīng)用任務(wù)數(shù)據(jù)及聯(lián)邦初始化數(shù)據(jù)，仿真聯(lián)邦包括長(zhǎng)期運(yùn)控成員、短期運(yùn)控成員、運(yùn)輸類成員、任務(wù)類成員、載荷類成員、資源類成員、航天員類成員、環(huán)境類成員和監(jiān)控類成員9 大類，對(duì)應(yīng)仿真劇情中的9 類角色。

圖2 仿真場(chǎng)景想定Fig.2 Simulation scenario

圖3 空間應(yīng)用任務(wù)分布式仿真框架Fig.3 Distributed simulation framework of space utilization mission

仿真系統(tǒng)以運(yùn)控成員為推動(dòng)方，控制整個(gè)時(shí)間軸上的事件。 其中長(zhǎng)期運(yùn)控成員解析任務(wù)規(guī)劃結(jié)果中的載荷上下行規(guī)劃，控制仿真時(shí)間軸上的載荷、飛船、艙段上下行；短期運(yùn)控成員解析任務(wù)執(zhí)行計(jì)劃，控制任務(wù)的開始；運(yùn)輸成員仿真飛船和艙段的發(fā)射和回收過程；任務(wù)成員仿真任務(wù)運(yùn)行過程，包括運(yùn)行過程中所需要使用的載荷、航天員，主動(dòng)占用載荷、航天員；載荷成員是一個(gè)被動(dòng)的成員，響應(yīng)運(yùn)輸成員的狀態(tài)、任務(wù)狀態(tài)，修改自身屬性；資源成員也是一個(gè)被動(dòng)的成員，響應(yīng)載荷對(duì)資源的占用情況，修改自身屬性；航天員成員根據(jù)自身作息規(guī)律作息，并根據(jù)運(yùn)輸成員狀態(tài)和任務(wù)狀態(tài)修改自身屬性；監(jiān)控記錄仿真過程中載荷、資源、航天員超限的情況及環(huán)境不滿足的情況；環(huán)境成員仿真空間站運(yùn)行環(huán)境，實(shí)時(shí)計(jì)算空間站的位姿、大氣、微重力條件、太陽輻射、日月位置、磁場(chǎng)等。

3.3 應(yīng)用任務(wù)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)

應(yīng)用任務(wù)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)如圖4 所示，應(yīng)用任務(wù)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)聯(lián)邦配置參數(shù)、應(yīng)用任務(wù)參數(shù)和仿真過程參數(shù)，按應(yīng)用任務(wù)仿真的顆粒度需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。 聯(lián)邦成員從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取聯(lián)邦配置參數(shù)和應(yīng)用任務(wù)參數(shù)，完成聯(lián)邦成員初始化；存儲(chǔ)聯(lián)邦運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，用于結(jié)果分析和仿真過程重現(xiàn)。以上設(shè)計(jì)保證規(guī)劃和仿真數(shù)據(jù)的一致性。

4 聯(lián)邦成員建模

4.1 應(yīng)用任務(wù)分解

空間站應(yīng)用任務(wù)規(guī)劃和仿真建模時(shí)，需要忽略任務(wù)本身的科學(xué)意義，集中關(guān)注任務(wù)的頻次、持續(xù)時(shí)間以及過程中可能受到的影響，如此可將各領(lǐng)域應(yīng)用任務(wù)抽象為統(tǒng)一的任務(wù)過程模型。

應(yīng)用任務(wù)分解模型如圖5 所示。 為了適應(yīng)離散仿真系統(tǒng)的需求，將應(yīng)用任務(wù)分解為子任務(wù)，同一個(gè)主題的應(yīng)用任務(wù)按子項(xiàng)或頻次劃分子任務(wù)；子任務(wù)再進(jìn)一步分解為階段，子任務(wù)按過程中所需載荷、資源、航天員、環(huán)境要求劃分階段。

應(yīng)用任務(wù)按上述方式進(jìn)行分解后，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，供仿真時(shí)聯(lián)邦的初始化。

4.2 聯(lián)邦成員建模

圖4 應(yīng)用任務(wù)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)Fig.4 Database of utilization mission simulation

圖5 任務(wù)分解模型Fig.5 The model of mission decomposition

圖6 聯(lián)邦成員靜態(tài)模型Fig.6 The static model of federate

聯(lián)邦成員的靜態(tài)模型如圖6 所示，表明了聯(lián)邦成員模板、基礎(chǔ)類和聯(lián)邦成員間的依賴和繼承關(guān)系。 其中，聯(lián)邦成員模板XXFedTemplate 依賴讀數(shù)據(jù)庫(kù)類XXDataReader、寫數(shù)據(jù)庫(kù)類XXDataWriter和工具類XXUtils，按RTI 編程規(guī)范編寫，完成基于HLA 的集成，實(shí)現(xiàn)各類聯(lián)邦成員的框架功能。 基礎(chǔ)類XXDataReader 讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的聯(lián)邦成員配置參數(shù)和任務(wù)參數(shù)； XXDataWriter 將仿真過程中的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中； XXUtils 為核心算法和其它支撐功能。 聯(lián)邦成員模板XXFedTemplate 滿足聯(lián)邦成員的可重用性，聯(lián)邦成員XXFed1、XXFed2 和XXFedN 繼承XXFedTemplate，實(shí)現(xiàn)具體的功能。各類成員詳細(xì)建模說明如下：

1)任務(wù)成員繼承模板MisFedTemplate，模擬任務(wù)開始、中斷、繼續(xù)、結(jié)束的運(yùn)行過程。 任務(wù)運(yùn)行流程如圖7 所示。 任務(wù)成員從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取指定的任務(wù)信息，包括任務(wù)代號(hào)、任務(wù)分解的子任務(wù)、子任務(wù)的各階段持續(xù)時(shí)間、各階段所需的載荷及工作模式、航天員、環(huán)境需求等，完成聯(lián)邦成員的初始化；任務(wù)聯(lián)邦成員在接收到子任務(wù)開始信號(hào)后，與自身信息進(jìn)行匹配，若匹配成功，則按子任務(wù)所需的階段提出載荷、航天員、環(huán)境需求，并根據(jù)自身階段信息進(jìn)行計(jì)時(shí)，若在計(jì)時(shí)結(jié)束前未收到中斷信號(hào)，則該階段成功，進(jìn)入下一階段，收回上一階段的載荷、航天員、環(huán)境需求，發(fā)布新的需求并計(jì)時(shí)，直到整個(gè)子任務(wù)完成；若在計(jì)時(shí)過程中收到中斷信號(hào)，則判斷能否中斷，可以中斷的保存當(dāng)前狀態(tài)并進(jìn)入中斷，停止計(jì)時(shí)，不能中斷則判定任務(wù)失??；接收到任務(wù)繼續(xù)信號(hào)時(shí)，從保存的狀態(tài)開始繼續(xù)計(jì)時(shí)，直到子任務(wù)完成。 聯(lián)邦成員運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)往數(shù)據(jù)庫(kù)中寫入當(dāng)前運(yùn)行情況，供后續(xù)分析和回放。

圖7 任務(wù)成員運(yùn)行流程Fig.7 The running process of MisFed

2)運(yùn)輸成員分為艙段、載人飛船和貨運(yùn)飛船3 類，繼承TransFedTemplate，模擬艙段、載人飛船、貨運(yùn)飛船的上行以及載人飛船和貨運(yùn)飛船的下行。 運(yùn)輸成員從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取艙段/飛船的上下行計(jì)劃和運(yùn)輸能力參數(shù)，完成自身的初始化設(shè)置。 隨著仿真時(shí)間推進(jìn)，運(yùn)輸成員在計(jì)劃的時(shí)間節(jié)點(diǎn)處發(fā)出上行/下行信號(hào)以及上行/下行完成信號(hào)，以便搭乘該艙段/飛船的載荷、航天員、資源成員修改自身狀態(tài)。 同時(shí)，運(yùn)輸成員對(duì)外發(fā)布自身運(yùn)輸能力，以便監(jiān)控成員判斷是否超出質(zhì)量或體積限制。

3)載荷成員繼承模板PayFedTemplate，模擬一組載荷的狀態(tài)變化。 載荷成員運(yùn)行流程如圖8所示。 載荷成員從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取指定的載荷數(shù)據(jù)，包括載荷代號(hào)、名稱、上下行信息、工作模式、各工作模式消耗的資源情況等，完成載荷成員的初始化；接收到待上行信號(hào)后，與載荷代號(hào)進(jìn)行匹配，若匹配成功，則修改載荷狀態(tài)為正在上行，待接收到上行成功信號(hào)后，修改狀態(tài)為已上行；接收到載荷占用需求信號(hào)時(shí)，若載荷為空閑狀態(tài)，則修改載荷狀態(tài)為占用，并根據(jù)所需的工作模式，發(fā)布載荷的資源需求；接收到載荷釋放信號(hào)時(shí)，修改載荷狀態(tài)為空閑，并停止發(fā)布資源需求；接收到載荷待下行信號(hào)時(shí)，與載荷代號(hào)進(jìn)行匹配，匹配成功則修改載荷狀態(tài)為下行中。

4)資源成員繼承模板ResFedTemplate，模擬實(shí)驗(yàn)柜和艙段2 類實(shí)體資源變化情況。 初始化時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取各自擁有的資源總量。 運(yùn)行時(shí)根據(jù)運(yùn)輸成員的上下行、載荷所需資源調(diào)整資源剩余狀態(tài)。

圖8 載荷成員運(yùn)行流程Fig.8 The running process of payFed

5)航天員成員繼承模板AstroFedTemplate，模擬航天員乘組狀態(tài)。 初始化時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取各自上下行計(jì)劃、作息計(jì)劃和技能信息。 運(yùn)行時(shí)根據(jù)運(yùn)輸成員的上下行和應(yīng)用任務(wù)的需求，調(diào)整乘組內(nèi)航天員的狀態(tài)。

6)運(yùn)控成員分為長(zhǎng)期運(yùn)控和短期運(yùn)控。 長(zhǎng)期運(yùn)控成員LOCFed 解析任務(wù)規(guī)劃結(jié)果中的載荷上下行規(guī)劃并發(fā)布。 短期運(yùn)控成員OCFed 解析任務(wù)規(guī)劃結(jié)果中的任務(wù)運(yùn)行序列，發(fā)布子任務(wù)開始、中斷、繼續(xù)、結(jié)束信號(hào)。

7)環(huán)境成員EnvFed 模擬空間環(huán)境。

8)監(jiān)控成員MonitorFed 監(jiān)控載荷、資源、航天員的情況，作為判斷任務(wù)規(guī)劃結(jié)果是否可行的依據(jù)。

4.3 對(duì)象模型模板

對(duì)象模型模板(Federation Object Model，F(xiàn)OM)包括對(duì)象類和交互類，兩者沒有明確的界限，即用對(duì)象類表示的交互信息也可用交互類來表示，反之亦然。 但通常狀態(tài)下，對(duì)象類用于表示對(duì)象的屬性或狀態(tài)的信息，交互類用于表示成員間相互通信的信號(hào)。 聯(lián)邦成員建模完成后，根據(jù)聯(lián)邦成員間的交互信息，建立FOM 表，并用程序語言開發(fā)FomUtils 包作為公用類，便于后續(xù)聯(lián)邦開發(fā)。 FomUtils 包對(duì)應(yīng)于FOM 表中的對(duì)象類和交互類，如圖9 所示。

圖9 FomUtils 包Fig.9 FomUtils package

4.4 仿真時(shí)序

在時(shí)間推進(jìn)的分布式仿真系統(tǒng)中，為保證計(jì)算結(jié)果的正確性，需確保各節(jié)點(diǎn)按正確的時(shí)序執(zhí)行。 本系統(tǒng)采用的策略是保證在一個(gè)仿真周期內(nèi)無閉環(huán)，即在同一個(gè)周期內(nèi)，某一個(gè)聯(lián)邦成員發(fā)布的消息經(jīng)過其它聯(lián)邦成員處理后生成反饋消息，該成員不會(huì)在該周期內(nèi)對(duì)其進(jìn)行處理。 為了達(dá)到該目的，對(duì)聯(lián)邦成員加入聯(lián)邦的時(shí)序進(jìn)行控制，如圖10 所示。

圖10 仿真時(shí)序圖Fig.10 Simulation timing

5 原型系統(tǒng)開發(fā)與運(yùn)行

選取空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力流體物理、空間材料科學(xué)領(lǐng)域的10 個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)作為原型系統(tǒng)的對(duì)象，開發(fā)原型系統(tǒng)。 要求選定的10 個(gè)應(yīng)用任務(wù)存在時(shí)間、載荷、資源、航天員等方面的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系及載荷上下行需求，以便于任務(wù)規(guī)劃結(jié)果的驗(yàn)證。 選取空間站位于同一個(gè)艙段的10 個(gè)應(yīng)用任務(wù)作為系統(tǒng)的仿真目標(biāo)。

原型系統(tǒng)采用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)作為配置參數(shù)和應(yīng)用任務(wù)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，MongoDB 數(shù)據(jù)庫(kù)作為仿真過程數(shù)據(jù)庫(kù)，并開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問接口。

原型系統(tǒng)仿真聯(lián)邦包括11 個(gè)運(yùn)輸類成員、1個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)控成員、1 個(gè)短期運(yùn)控成員、3 個(gè)資源類成員、12 個(gè)載荷類成員、4 個(gè)航天員類成員、10 個(gè)任務(wù)類成員、5 個(gè)環(huán)境類成員和8 個(gè)監(jiān)控類成員，共計(jì)55 個(gè)成員。

原型系統(tǒng)在選定的10 個(gè)應(yīng)用任務(wù)規(guī)劃結(jié)果的驅(qū)動(dòng)下已成功運(yùn)行，圖11 為任務(wù)運(yùn)行的甘特圖。 從圖中可看出，在該任務(wù)規(guī)劃下存在時(shí)間重疊的子任務(wù)，如表2 所示。

對(duì)時(shí)間重疊子任務(wù)運(yùn)行過程中載荷、航天員、資源情況進(jìn)行如下分析：

1)1 號(hào)時(shí)間重疊中子任務(wù)N-03-01、N-04-01與后2 個(gè)子任務(wù)不存在載荷交叉和資源沖突；子任務(wù)N-06-02 與子任務(wù)N-07-01 存在載荷P-18、P-19 交叉，但交叉載荷可支持2 個(gè)任務(wù)并行，如圖12 所示；4 個(gè)子任務(wù)運(yùn)行過程中最多需要1 個(gè)航天員，不存在航天員沖突。

圖11 任務(wù)運(yùn)行甘特圖Fig.11 Gantt chart of mission operation

2)2 ～5 號(hào)時(shí)間重疊中子任務(wù)中的4 個(gè)子任務(wù)間不存在載荷交叉和資源沖突；不存在航天員沖突。

3)6 號(hào)時(shí)間重疊中子任務(wù)中的N-03-01、N-04-01、N-10-01 與其它子任務(wù)不存在載荷交叉和資源沖突；子任務(wù)N-01-01、N-02-01 存在載荷P-12、P-13、P-24 交叉，但交叉載荷可支持3 個(gè)及以上任務(wù)并行；5 個(gè)子任務(wù)運(yùn)行過程中最多需要2個(gè)航天員，不存在航天員沖突。

表2 時(shí)間重疊子任務(wù)Table 2 Node mission overlapped in time

圖12 載荷可支持任務(wù)并發(fā)數(shù)Fig.12 Concurrent mission number that payload supported

4)7 號(hào)時(shí)間重疊中子任務(wù)中的N-10-01 與其它子任務(wù)不存在載荷交叉和資源沖突；子任務(wù)N-01-01、N-02-01、N-02-02 存在載荷P-12、P-13、P-24 交叉，但交叉載荷可支持3 個(gè)及以上任務(wù)并行；4 個(gè)子任務(wù)運(yùn)行過程中最多需要3 個(gè)航天員，不存在航天員沖突。

綜上，仿真結(jié)果表明應(yīng)用任務(wù)的規(guī)劃結(jié)果可行。

6 結(jié)論

針對(duì)空間站應(yīng)用任務(wù)仿真這一多領(lǐng)域復(fù)雜問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于HLA 的分布式仿真框架。

1)將聯(lián)邦仿真劇情中的角色分為長(zhǎng)期運(yùn)控、短期運(yùn)控、運(yùn)輸、任務(wù)、載荷、資源、航天員、環(huán)境和監(jiān)控9 種，與角色對(duì)應(yīng)建立9 類仿真聯(lián)邦成員。

2)將應(yīng)用任務(wù)分解為子任務(wù)，子任務(wù)再進(jìn)一步分解為階段；對(duì)每類聯(lián)邦成員建立聯(lián)邦成員模板XXFedTemplate 以滿足聯(lián)邦成員的可重用性；采用在一個(gè)仿真周期內(nèi)無閉環(huán)的策略保證各節(jié)點(diǎn)按正確的時(shí)序執(zhí)行。

3)基于選定的10 個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)開發(fā)了仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，結(jié)果表明，各任務(wù)在運(yùn)行過程中無載荷、資源、航天員沖突，應(yīng)用任務(wù)規(guī)劃結(jié)果合理可行。 仿真系統(tǒng)能夠很好地支持應(yīng)用任務(wù)規(guī)劃結(jié)果的驗(yàn)證。

4)原型系統(tǒng)結(jié)果表明規(guī)劃結(jié)果排布比較松散，仍然存在優(yōu)化的空間。 后續(xù)將在原型系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展，支持更多數(shù)量的應(yīng)用任務(wù)仿真，并開發(fā)仿真顯示界面，以便更加直觀地監(jiān)控仿真運(yùn)行過程。