陳狀 韓樾夏 胡雨欣 張偉

空間站因其近地軌道位置以及長(zhǎng)時(shí)間處于微重力、強(qiáng)劑量輻射的獨(dú)特環(huán)境，被多國(guó)視為太空實(shí)驗(yàn)室，研究?jī)r(jià)值得到廣泛認(rèn)可。早在1984年，美國(guó)就希望與其他國(guó)家合作建立一個(gè)“永久性空間站”。在1990年代俄羅斯加盟后，國(guó)際空間站計(jì)劃正式啟動(dòng)。1998年，曙光號(hào)功能貨艙發(fā)射成功，標(biāo)志國(guó)際空間站正式開(kāi)始建設(shè)。直至2011年，所有艙段和設(shè)備組裝完成，國(guó)際空間站進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段。

雖然國(guó)際空間站建設(shè)周期長(zhǎng)、投入巨大，但是獲得的科研成果豐碩。開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及生物學(xué)與生物技術(shù)、技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證、教育活動(dòng)與推廣、人體研究、物理科學(xué)、地球與空間科學(xué)等六大研究領(lǐng)域數(shù)十個(gè)研究方向[1-2]。截至2021年11月，國(guó)際空間站科研活動(dòng)已經(jīng)產(chǎn)出2377份科學(xué)成果出版物。

任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是供任務(wù)規(guī)劃者參考使用的規(guī)劃工具，科研活動(dòng)的順利執(zhí)行與其密切相關(guān)?？臻g站的任務(wù)規(guī)劃受時(shí)間需求、設(shè)備功率、設(shè)備支持能力、上下行能力、航天員工時(shí)等復(fù)雜約束條件的限制。上行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目耗費(fèi)的資金、有效載荷資源、運(yùn)載能力資源等都非常寶貴，項(xiàng)目培育也會(huì)耗費(fèi)大量的資金和資源，因此任務(wù)規(guī)劃是一項(xiàng)極其重要的工作。

美國(guó)國(guó)家航空航天局任務(wù)規(guī)劃發(fā)展脈絡(luò)

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)合理規(guī)劃各項(xiàng)應(yīng)用資源，保障航天器的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，解決了阿波羅登月工程、天空實(shí)驗(yàn)室工程、航天飛機(jī)工程、國(guó)際空間站工程等不同階段面臨的實(shí)際難題。

阿波羅登月工程階段的任務(wù)規(guī)劃屬于短周期、集中式。該計(jì)劃使用月球軌道交匯法，解決了飛行步驟復(fù)雜、步驟精確度要求高的難題。集中式規(guī)劃使得規(guī)劃者能夠訪問(wèn)有關(guān)運(yùn)營(yíng)任務(wù)的所有信息、任務(wù)發(fā)起人的目標(biāo)和優(yōu)先級(jí)，以及可能影響運(yùn)營(yíng)計(jì)劃的所有約束，保證登月計(jì)劃順利進(jìn)行。

天空實(shí)驗(yàn)室工程階段的任務(wù)規(guī)劃屬于長(zhǎng)周期、分布式。工程的每個(gè)載人航天任務(wù)通常持續(xù)數(shù)十天，而在任務(wù)開(kāi)展之前均會(huì)制定一份完整詳細(xì)的計(jì)劃。計(jì)劃每12小時(shí)修訂一次，任務(wù)期間24小時(shí)輪班工作。這樣的規(guī)劃方式有著極好的科學(xué)回報(bào)，但存在勞動(dòng)強(qiáng)度極大、難以長(zhǎng)期操作的弊端。

航天飛機(jī)工程階段既有集中式的飛行任務(wù)，也有航天飛機(jī)與“和平號(hào)”空間站的聯(lián)合飛行任務(wù)。這一階段進(jìn)行的太空實(shí)驗(yàn)室工程的任務(wù)規(guī)劃回歸阿波羅工程階段的短周期，產(chǎn)生了PLAN-IT、SLS-PLAN-IT、PLAN-IT-2等大量的規(guī)劃工具，降低了規(guī)劃工作的難度。PLAN-IT是噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了四年、基于人工智能的交互式圖形時(shí)間軸編輯器。SLS-PLAN-IT是用于支持空間實(shí)驗(yàn)室生命科學(xué)任務(wù)-Ⅰ（SLS-Ⅰ）期間的實(shí)時(shí)反應(yīng)式調(diào)度任務(wù)軟件。PLAN-IT-2對(duì)PLAN-IT做了進(jìn)一步改進(jìn)，考慮了太空實(shí)驗(yàn)室多個(gè)規(guī)劃層次的資源約束，可隨著任務(wù)目標(biāo)和需求的變化，適應(yīng)相應(yīng)的規(guī)則和策略。

國(guó)際空間站的主要成員國(guó)各自開(kāi)發(fā)了任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，其中當(dāng)屬美國(guó)開(kāi)發(fā)的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)最多。如集成規(guī)劃系統(tǒng)（integrated planning system， IPS）用于規(guī)劃航天飛機(jī)任務(wù)和國(guó)際空間站任務(wù)，統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)（consolidated planning system， CPS）是其核心子系統(tǒng)[3]；載荷規(guī)劃系統(tǒng)（payload planning system， PPS）由馬歇爾飛行中心開(kāi)發(fā)，主要是對(duì)有效載荷進(jìn)行規(guī)劃[4]；站載短期計(jì)劃查看器（on-board short term plan viewer， OSTPV）適用于查看短期計(jì)劃，并允許對(duì)計(jì)劃進(jìn)行有限的規(guī)劃[5]；運(yùn)營(yíng)規(guī)劃時(shí)間軸集成系統(tǒng)（operations planning timeline integration system， OPTIMIS）利用技術(shù)改進(jìn)和簡(jiǎn)化任務(wù)規(guī)劃[6]；Playbook是一款專(zhuān)為航天員設(shè)計(jì)的計(jì)劃執(zhí)行工具，具有約束檢查和違規(guī)可視化的協(xié)作自調(diào)度、完整活動(dòng)執(zhí)行狀態(tài)查看、任務(wù)列表查看等功能[7]。

國(guó)際空間站任務(wù)規(guī)劃發(fā)展階段

隨著任務(wù)需求的多樣化、規(guī)劃技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)際空間站的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)也不斷創(chuàng)新和迭代。根據(jù)系統(tǒng)更替的大事件，國(guó)際空間站任務(wù)規(guī)劃的發(fā)展分為多層遞階規(guī)劃、一體化協(xié)同和自調(diào)度三個(gè)階段。由于航天工程復(fù)雜性極高，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)都有預(yù)研階段，且系統(tǒng)更替過(guò)程中存在逐步迭代，因此各階段在時(shí)間上會(huì)有重合。

多層遞階規(guī)劃階段（1980年代—2015年）

在多層遞階規(guī)劃階段，復(fù)雜的空間站規(guī)劃被分解為不同顆粒度（granularity）的規(guī)劃子問(wèn)題。每個(gè)子問(wèn)題產(chǎn)生的解均作為下一個(gè)子問(wèn)題的輸入，逐步分解，形成遞階結(jié)構(gòu)。需要指出的是，NASA將空間站規(guī)劃劃分為戰(zhàn)略規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃、任務(wù)級(jí)規(guī)劃、執(zhí)行級(jí)規(guī)劃四個(gè)層次，并將其確定為基線（baseline）。

集成規(guī)劃系統(tǒng)和載荷規(guī)劃系統(tǒng)主要針對(duì)任務(wù)級(jí)規(guī)劃層級(jí)，其分布格局在天空實(shí)驗(yàn)室工程階段形成。集成規(guī)劃系統(tǒng)主要用于規(guī)劃飛行任務(wù)、后勤維護(hù)、資源管理等，載荷規(guī)劃系統(tǒng)主要用于規(guī)劃有效載荷。各國(guó)開(kāi)發(fā)的各種規(guī)劃系統(tǒng)都使用集成規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行集成整合，詳細(xì)計(jì)劃國(guó)際空間站在軌活動(dòng)，生成和分析地面活動(dòng)、在軌活動(dòng)的時(shí)間和安排，實(shí)施多項(xiàng)資源編排。站載短期計(jì)劃查看器針對(duì)執(zhí)行級(jí)規(guī)劃層級(jí)，是有一定規(guī)劃功能的任務(wù)查看器。任務(wù)級(jí)規(guī)劃由集成規(guī)劃系統(tǒng)生成，再細(xì)分為執(zhí)行級(jí)規(guī)劃加載到站載短期計(jì)劃查看器。

集成規(guī)劃系統(tǒng)屬于交互式任務(wù)規(guī)劃與資源管理系統(tǒng)，其研發(fā)工作早在1980年代就已啟動(dòng)。該系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)需求與約束進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，功能包括任務(wù)規(guī)劃、資源調(diào)度、約束檢測(cè)等，主要用于飛行任務(wù)規(guī)劃、平臺(tái)規(guī)劃和規(guī)劃集成，能夠開(kāi)發(fā)針對(duì)整個(gè)增量期間的精確到某天的計(jì)劃、一周內(nèi)將執(zhí)行任務(wù)的綜合計(jì)劃、三天任務(wù)的綜合計(jì)劃等。它可為各國(guó)同時(shí)處理時(shí)間線，集成各國(guó)規(guī)劃方案，發(fā)展出時(shí)間線分離與集成法。

載荷規(guī)劃系統(tǒng)從2006年開(kāi)始啟用，是專(zhuān)門(mén)為滿足空間站分布用戶的有效載荷規(guī)劃需求而設(shè)計(jì)的規(guī)劃系統(tǒng)。其采用資源分層法和資源包絡(luò)法以適應(yīng)多層遞階結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。資源分層法使得規(guī)劃者了解每一級(jí)的所有資源請(qǐng)求，從而確保資源的合理分配，更好滿足規(guī)劃需求[8]。資源包絡(luò)法是將未被占用的設(shè)備負(fù)載能力、功率等資源打包成多個(gè)資源包絡(luò)，靈活分配給有需要的運(yùn)營(yíng)任務(wù)，能夠有效銜接有效載荷規(guī)劃從各個(gè)規(guī)劃中心到總體的集成過(guò)程，協(xié)助統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)整體層面的規(guī)劃。

站載短期計(jì)劃查看器于2007年發(fā)布了最終版本。它起初是為了方便檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸活動(dòng)是否違反國(guó)際空間站的S波段約束，后來(lái)逐漸演化成為航天員和地面控制人員用來(lái)查看和操作國(guó)際空間站短期計(jì)劃的工具。站載短期計(jì)劃查看器的輸出界面是遞階規(guī)劃的最后一步，展示任務(wù)的開(kāi)始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間以及資源分配與使用方案。航天員可通過(guò)它查看當(dāng)前的短期計(jì)劃，包括任務(wù)甘特圖、空間站軌道相關(guān)信息、通信覆蓋范圍和航天員執(zhí)行任務(wù)相關(guān)信息等。

多層遞階規(guī)劃是國(guó)際空間站得以成功運(yùn)營(yíng)的重要基礎(chǔ)，影響深遠(yuǎn)，后續(xù)的空間站規(guī)劃研究都是在此基礎(chǔ)上的延伸與改進(jìn)。

一體化協(xié)同階段（2012年—）

一體化協(xié)同階段在多層遞階規(guī)劃階段的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)各規(guī)劃層次間的聯(lián)系，簡(jiǎn)化跨系統(tǒng)平臺(tái)的規(guī)劃集成。此階段涉及的運(yùn)營(yíng)規(guī)劃時(shí)間軸集成系統(tǒng)由約翰遜空間中心與艾姆斯研究中心共同開(kāi)發(fā)。它是利用技術(shù)升級(jí)和協(xié)同簡(jiǎn)化的規(guī)劃系統(tǒng)，主要包括Score、規(guī)劃存儲(chǔ)庫(kù)、WebAD、OPTIMIS Viewer等組件。運(yùn)營(yíng)規(guī)劃時(shí)間軸集成系統(tǒng)在集成規(guī)劃系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步升級(jí)完善，其各子系統(tǒng)基本與多層遞階規(guī)劃階段的各子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)，技術(shù)上完成了迭代升級(jí)，比起前一階段有了較大提升：無(wú)需多個(gè)規(guī)劃系統(tǒng)的跨平臺(tái)操作，將多個(gè)不同的規(guī)劃工具整合到一個(gè)規(guī)劃系統(tǒng)和流程中。

自調(diào)度階段（2016年—）

隨著太空探索的深入，空間任務(wù)愈加復(fù)雜，目前，任務(wù)控制中心無(wú)法對(duì)不確定性任務(wù)變更、環(huán)境影響等突發(fā)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)快速的響應(yīng)。航天員在長(zhǎng)期探索任務(wù)（long-duration exploration missions， LDEM）中比在近地軌道飛行任務(wù)中需要進(jìn)行更多自調(diào)度權(quán)限進(jìn)而實(shí)現(xiàn)任務(wù)。

NASA由此提出航天員自調(diào)度的運(yùn)營(yíng)概念，以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期太空探索會(huì)出現(xiàn)的響應(yīng)不及時(shí)問(wèn)題。具體內(nèi)容為，航天員借助規(guī)劃系統(tǒng)和軟件自行安排時(shí)間表，規(guī)劃中心從地面轉(zhuǎn)移到航天器中，規(guī)劃者由地面的計(jì)劃員轉(zhuǎn)為航天員。未來(lái)，機(jī)組人員需要在不違反資源可用性、任務(wù)順序等約束條件下，僅靠自身重新安排時(shí)間表。Playbook在此背景下由NASA設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，這是一種自調(diào)度軟件的應(yīng)用，應(yīng)被視為人類(lèi)長(zhǎng)期太空探索的一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)管理理念

“系統(tǒng)工程”是組織管理“系統(tǒng)”的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法。NASA 系統(tǒng)工程體系始建于1980年代后期。挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)失事后，NASA認(rèn)識(shí)到每一項(xiàng)航天計(jì)劃和項(xiàng)目都是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，于是開(kāi)始著手全面構(gòu)建航天系統(tǒng)工程的過(guò)程與要求的規(guī)章和標(biāo)準(zhǔn)，并在后續(xù)工作中不斷完善。

結(jié)構(gòu)分解

系統(tǒng)工程將系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，厘清總體中各部分之間的相互聯(lián)系和相互制約關(guān)系，并使這些部分服從整體優(yōu)化要求。NASA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟[9]如下：第一，考慮初步概念方案和關(guān)鍵系統(tǒng)，確定任務(wù)需求。第二，建立邏輯分解模型/圖表，將需求轉(zhuǎn)變?yōu)橐晥D并顯示它們的關(guān)系。第三，將子組件視為一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)品，考慮新需求和派生需求，進(jìn)一步向下分解，分解形成子組件后重復(fù)，直至最底層。

以國(guó)際空間站規(guī)劃系統(tǒng)為例，它的集成規(guī)劃系統(tǒng)不僅負(fù)責(zé)規(guī)劃集成，還負(fù)責(zé)飛行任務(wù)規(guī)劃和平臺(tái)規(guī)劃，因此，包括了統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)、統(tǒng)一維護(hù)后勤規(guī)劃工具、飛行動(dòng)力學(xué)規(guī)劃與分析工具、飛行程序開(kāi)發(fā)與控制工具、資源利用規(guī)劃與系統(tǒng)模型工具以及機(jī)器人規(guī)劃設(shè)備等。國(guó)際空間站規(guī)劃系統(tǒng)不斷向下分解，各個(gè)系統(tǒng)分解成子系統(tǒng)，彼此之間緊密聯(lián)系，相應(yīng)功能不斷完善，共同構(gòu)成一個(gè)完整的規(guī)劃系統(tǒng)。

整體與局部協(xié)調(diào)

系統(tǒng)工程在分析局部問(wèn)題時(shí)，是從整體的需要出發(fā)來(lái)尋求問(wèn)題的解決方法。NASA在進(jìn)行多個(gè)規(guī)劃方案的集成時(shí)，考慮了系統(tǒng)工程的管理理念，規(guī)劃系統(tǒng)中產(chǎn)生了多種方法進(jìn)行規(guī)劃的集成。

以有效載荷規(guī)劃為例，先由載荷規(guī)劃系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，選用資源分層法和資源包絡(luò)法進(jìn)行分布式規(guī)劃。資源分層法使需求自下而上層層傳遞，規(guī)劃者只需針對(duì)結(jié)構(gòu)的每個(gè)級(jí)別分別進(jìn)行規(guī)劃。布什（J. L. Bush）等[10]在1987年為國(guó)際空間站研發(fā)的資源包絡(luò)法能夠協(xié)調(diào)不同級(jí)別的有效載荷任務(wù)并分別進(jìn)行規(guī)劃。

在載荷規(guī)劃系統(tǒng)完成載荷規(guī)劃后，國(guó)際空間站還需要通過(guò)統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)對(duì)包括載荷規(guī)劃在內(nèi)的多項(xiàng)活動(dòng)進(jìn)行編排。為協(xié)調(diào)規(guī)劃系統(tǒng)整體與局部的關(guān)系，統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)采用了一種合并時(shí)間線數(shù)據(jù)的方法——時(shí)間線分離與集成法。時(shí)間線分離用于創(chuàng)建時(shí)間線的子集，以便多個(gè)用戶同時(shí)處理同一時(shí)間線。子集創(chuàng)建后，用戶可對(duì)任一時(shí)間線進(jìn)行更新，然后使用時(shí)間線集成將更新合并至主時(shí)間線。

應(yīng)對(duì)需求變化

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一般流程是首先確定規(guī)劃需求，再對(duì)規(guī)劃需求進(jìn)行分解，從而設(shè)計(jì)不同系統(tǒng)與子系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。然而，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的概念研究項(xiàng)目階段到初步設(shè)計(jì)項(xiàng)目階段之間的進(jìn)一步權(quán)衡研究和分析，可能會(huì)導(dǎo)致需求發(fā)生變化。NASA開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用系統(tǒng)工程方法，設(shè)計(jì)出增量開(kāi)發(fā)法以適應(yīng)不斷變化的用戶需求[11]。增量開(kāi)發(fā)法能夠滿足不斷變化的需求，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的外部變化，使得整個(gè)系統(tǒng)處于不斷改善的狀態(tài)。

它在添加新功能時(shí)，將新功能作為核心功能的附加部分進(jìn)行迭代。整個(gè)流程形成閉環(huán)：將新增的需求再次分解，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的子系統(tǒng)以滿足要求，之后再次判斷需求是否變化，直至需求不再變動(dòng)，最終形成基線。同時(shí)，NASA還要求所有變更必須進(jìn)行評(píng)估，以確定其對(duì)各層次需求的影響。

若干啟示

當(dāng)前，中國(guó)空間站正處于建成運(yùn)營(yíng)初期，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)需進(jìn)一步搭建。國(guó)際空間站任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)則可為中國(guó)建立系統(tǒng)、全面、高效的空間站任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)提供重要參考。

注重系統(tǒng)性思維，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì) 加強(qiáng)空間站任務(wù)規(guī)劃頂層設(shè)計(jì)，在操作方面，有助于形成結(jié)構(gòu)清晰、層次清楚的規(guī)劃系統(tǒng)，極大簡(jiǎn)化操作流程，顯著提升規(guī)劃效率；在協(xié)調(diào)方面，有助于分析多個(gè)層級(jí)任務(wù)之間的相互作用關(guān)系和制約關(guān)系，提高資源利用效益。

全面考慮規(guī)劃要素，提供連續(xù)性規(guī)劃方案 充分考慮各類(lèi)規(guī)劃要素，分析各個(gè)要素的屬性，以生成全面的規(guī)劃方案，從而有助于實(shí)現(xiàn)空間站的復(fù)雜約束，提升方案可行性。通過(guò)檢驗(yàn)規(guī)劃周期內(nèi)各離散時(shí)間段的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，實(shí)現(xiàn)連續(xù)規(guī)劃，有助于保證短期任務(wù)規(guī)劃和總體任務(wù)規(guī)劃方案的連續(xù)性，增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)外部變化的適應(yīng)性。

明確任務(wù)先后關(guān)系，提升規(guī)劃效率 規(guī)劃效率是保證空間站各項(xiàng)任務(wù)高效開(kāi)展的又一重點(diǎn)。中國(guó)空間站任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)分析各項(xiàng)任務(wù)的關(guān)鍵信息，明確任務(wù)的先后關(guān)系，并滿足任務(wù)開(kāi)始時(shí)刻與結(jié)束時(shí)刻的約束，從而大幅減少計(jì)算量，突破計(jì)算速度的限制。

未來(lái)，中國(guó)空間站任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足任務(wù)規(guī)劃的需求，符合空間站實(shí)際情況，從全局層面考慮多層次任務(wù)的協(xié)調(diào)規(guī)劃問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)規(guī)劃要素、規(guī)劃時(shí)期的全面分析，有效梳理各項(xiàng)任務(wù)的執(zhí)行順序，生成高效、可行的任務(wù)規(guī)劃方案，提升空間站運(yùn)營(yíng)效率。

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關(guān)鍵詞：空間站 任務(wù)規(guī)劃 規(guī)劃系統(tǒng) 系統(tǒng)工程 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ■