一种用于天基信息系统的资源分配方法技术方案

一种用于天基信息系统的资源分配方法，包括设计天基信息网络资源动态分配的模型，和动态资源分配方案。分配的流程包括1)根据完成任务需要的资源，选择提供资源的节点，建立卫星任务集和资源集；2)将资源需求发送到资源提供节点，发布优先级等相关信息；3)资源提供节点确认资源占用率，设定参数，并向管控节点进行反馈；4)管控节点依据反馈信息，建立资源分配方案个体集；5)计算方案的适应度函数；6)进行优化算法的操作步骤，包括选择、交叉、变异、抽样、进化操作；7)执行完毕后，按照分配方案将资源分配给相应任务。该方法提高了天基资源分配的时效性和资源的利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于天基信息系统的资源分配方法
本专利技术涉及一种在天基信息系统中进行资源分配的方法，适用于对天基信息系统中的资源进行统一建模和规划分配。
技术介绍
在未来的空间信息系统中，航天器数量众多，种类复杂，除了构成空间骨干网络体系的大规模的混合星座组网天基网络外，大量的应用类航天器，如遥感类卫星、载人航天器、科学试验卫星等，都作为空间信息系统的基本单元，成为天基信息网络管理系统的被管对象，并在天基管控系统的调配下协同工作。随着未来天基信息系统的发展和规模的扩大，对天基信息网络的管理也越来越复杂，需要针对多种航天任务需求进行针对性的网络资源分配和网络业务管理。对网络中被管对象的管理，已经远远超出了传统的设备监控范畴，更强调在统一的任务规范下，多类型多种航天器之间的协同分配。在这种环境下，将可调配的航天器功能同质化为网络中的可用资源，基于任务需求出发对资源进行动态协同分配，是适应未来天基信息网络实时性和有效性要求的可行方式。天基信息网络的基本架构，是由高轨通信卫星作为天基信息网络的管控节点，构成天基骨干网，其他卫星，包括遥感卫星、导航卫星、气象卫星、通信卫星星座；以及其他类型的航天器，如空间站、太空望远镜等作为骨干网的接入节点，通过星间链路接入；其他接入用户还包括运行在近地空间的单元，如临近空间飞行器、飞艇、无人机等。天基信息网络通过高轨通信卫星和通信卫星星座，同地面站建立通信链路，接入地面处理中心，实现同地面通信网和地面互联网的信息交互。天基信息网络中存在不同类型的节点，节点搭载的载荷也相应具备不同的功能。其中骨干网节点具备较强的数据处理能力和存储空间，通过搭载智能化算法，可以对来自其他功能节点的数据进行预处理。根据航天器功能不同，其能提供的资源类型和数量存在差别。举例来说，遥感卫星具备图像的采集和预处理功能，通信卫星具备同地面用户或其他卫星的通信功能，导航卫星可以提供定位信息等等。任务由地面处理中心发起，发送到天基信息网络的管控节点，分配中需要不同类型的航天器依据其自身功能提供相应的资源，参与到任务中并协同完成。例如，气象卫星或遥感卫星通过采集图像发现局部地区有灾害发生，则将相应的数据传输到天基信息网络骨干节点，骨干节点对数据进行星上预处理并下传，然后将播发信息传输到覆盖灾害发生地区的通信卫星，通过通信载荷向地面用户播发灾害详情信息。但是，目前天基信息网络的设计多采用各体系独立自顶向下设计的方式，各体系间缺乏统一的资源处理和分配方式，从而增加了资源间的隔离，影响资源分配的效率，造成了分配周期长，能源消耗大等弊端。为适应未来天基信息网络资源动态分配的需求，需要研究不同类型航天器在协同任务中的协作方式和资源分配方法，综合考虑资源满足任务需求的消耗和收益，建立天基信息网络资源动态分配模型，并针对模型的特点提出在天基信息网络资源分配中的应用方案。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于天基信息系统的资源分配方法，实现了在天基信息网络中的高效资源分配，提高系统的资源利用率和运行效率。本专利技术的技术方案是：一种用于天基信息系统的资源分配方法，步骤如下：(1)根据地面发送的任务确定完成任务需要的资源，并选择可提供这些资源的节点，建立卫星任务集T和资源集S；(2)由天基管控节点将资源需求发送到资源提供节点，告知任务的优先级及任务分配相关信息；(3)资源提供节点根据任务信息，确定使用资源的收益、使用资源的花费以及将资源分配到任务的得益，并向天基管控节点进行反馈；(4)天基管控节点依据收集的反馈信息，确认完成任务的任务-资源分配矩阵，建立资源分配方案个体集；(5)对资源分配方案个体集中每一个分配方案均通过遗传-模拟退火混合算法进行优化，计算平均适应度偏差；(6)当平均适应度偏差小于固定值时，或进化代数已达到设定值时，算法终止；否则按照设定规则进行退温，增加进化代数，继续进行优化；(7)算法执行完毕后，按照选出的最优分配方案将资源分配给相应任务使用，同资源提供节点进行信息交互，由资源提供节点提供资源。进一步的，由地面发送的需要执行的任务数为M，则建立包含M个任务的任务集为T＝{T1,T2,…,TM}，同时有N个为任务完成提供资源的节点S＝{S1,S2,…,SN}。进一步的，所述使用资源的收益为：aij＝Hi(1-pj)其中，任务优先级为H＝{H1,H2,…,HM}，节点资源占用率p＝{p1,p2,…,pN}。进一步的，使用资源的花费为bij＝Hikjej(1-cj-t)其中，ej为节点完成任务可消耗的总能量，kj为节点j设定的能量上限参数，并满足Hikj≤1，表明节点根据任务的优先级确定能量的消耗上限；cj为节点j设定的时间衰减参数且cj>1，用来表示资源占用时间对其他任务占用的影响。进一步的，将资源分配到任务的得益为fij＝aij-bij。进一步的，用m×n的矩阵表示资源到任务的分配关系，任务-资源分配矩阵具体为：X＝{xij}m×n,xij＝0/1；约束条件1：即在同一时刻每个资源仅可以分配给一个任务；约束条件2：即提出的任务均被分配了资源。进一步的，均通过遗传-模拟退火混合算法进行优化，具体为：(5.1)计算每个分配方案的适应度函数，分配方案即个体；(5.2)使用轮盘赌方法进行选择操作，若个体为随机选择的保留个体则保留，否则以适应度最高的个体进行替代；(5.3)依交叉概率在父代个体中选择随机两个个体进行交叉操作；(5.4)依变异概率在父代个体中选择个体进行变异操作，将其部分对应关系进行随机替代；(5.5)进行Metropolis准则抽样，计算遗传操作前后的个体适应度变化量，依照当前温度概率接受新个体保留，否则仍使用父代个体。进一步的，分配方案的适应度函数表示为Fd＝fd-fG其中，fG为当前进化代中得益最小的个体的函数值，fd为当前代第d个个体的函数值。进一步的，使用轮盘赌方法进行选择操作，设每代保留个体数为s，具体包括如下步骤：(a)计算本进化代所有个体的适应度函数之和F(G)是第G代的适应度函数，则代表n个个体的适应度函数。(b)取本进化代最大适应度占适应度之和的比值，将最大适应度个体置为下代个体的第一个，即(c)建立下代个体的适应度占比序列，其中元素为则是表示计算的时候，n个个体的适应度函数中的某一个。(d)取0～1的随机数，若适应度占比大于该随机数，则保留该个体，否则以最大适应度的个体替代；(e)重复步骤(d)直到本进化代保留个体数达到上限。进一步的，Metropolis准则抽样的保留概率为psave＝exp((F(G+1)-F(G))/t)其中，t为当前温度，若psave>rand(1)，则接受新个体为当前个体，否则保留父代个体为当前个体，同时以t(G+1)＝αt(G)进行退温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于天基信息系统的资源分配方法，其特征在于步骤如下：/n(1)根据地面发送的任务确定完成任务需要的资源，并选择可提供这些资源的节点，建立卫星任务集T和资源集S；/n(2)由天基管控节点将资源需求发送到资源提供节点，告知任务的优先级及任务分配相关信息；/n(3)资源提供节点根据任务信息，确定使用资源的收益、使用资源的花费以及将资源分配到任务的得益，并向天基管控节点进行反馈；/n(4)天基管控节点依据收集的反馈信息，确认完成任务的任务-资源分配矩阵，建立资源分配方案个体集；/n(5)对资源分配方案个体集中每一个分配方案均通过遗传-模拟退火混合算法进行优化，计算平均适应度偏差；/n(6)当平均适应度偏差小于固定值时，或进化代数已达到设定值时，算法终止；否则按照设定规则进行退温，增加进化代数，继续进行优化；/n(7)算法执行完毕后，按照选出的最优分配方案将资源分配给相应任务使用，同资源提供节点进行信息交互，由资源提供节点提供资源。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于天基信息系统的资源分配方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据地面发送的任务确定完成任务需要的资源，并选择可提供这些资源的节点，建立卫星任务集T和资源集S；
(2)由天基管控节点将资源需求发送到资源提供节点，告知任务的优先级及任务分配相关信息；
(3)资源提供节点根据任务信息，确定使用资源的收益、使用资源的花费以及将资源分配到任务的得益，并向天基管控节点进行反馈；
(4)天基管控节点依据收集的反馈信息，确认完成任务的任务-资源分配矩阵，建立资源分配方案个体集；
(5)对资源分配方案个体集中每一个分配方案均通过遗传-模拟退火混合算法进行优化，计算平均适应度偏差；
(6)当平均适应度偏差小于固定值时，或进化代数已达到设定值时，算法终止；否则按照设定规则进行退温，增加进化代数，继续进行优化；
(7)算法执行完毕后，按照选出的最优分配方案将资源分配给相应任务使用，同资源提供节点进行信息交互，由资源提供节点提供资源。


2.根据权利要求1所述的一种用于天基信息系统的资源分配方法，其特征在于：由地面发送的需要执行的任务数为M，则建立包含M个任务的任务集为T＝{T1,T2,…,TM}，同时有N个为任务完成提供资源的节点S＝{S1,S2,…,SN}。


3.根据权利要求1所述的一种用于天基信息系统的资源分配方法，其特征在于：所述使用资源的收益为：
aij＝Hi(1-pj)
其中，任务优先级为H＝{H1,H2,…,HM}，节点资源占用率p＝{p1,p2,…,pN}。


4.根据权利要求3所述的一种用于天基信息系统的资源分配方法，其特征在于：使用资源的花费为
bij＝Hikjej(1-cj-t)
其中，ej为节点完成任务可消耗的总能量，kj为节点j设定的能量上限参数，并满足Hikj≤1，表明节点根据任务的优先级确定能量的消耗上限；cj为节点j设定的时间衰减参数且cj>1，用来表示资源占用时间对其他任务占用的影响。


5.根据权利要求4所述的一种用于天基信息系统的资源分配方法，其特征在于：将资源分配到任务的得益为fij＝aij-bij。


6.根据权利要求1所述的一种用于天基信息系统的资源分配方法，其特征在于：用m×n的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王睿，韩笑冬，安卫钰，宫江雷，徐楠，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11