载人月球探测混合云架构体系仿真系统研究.pdf

第 45 卷第 1 期 2024 年 1 月宇 航 学 报Journal of AstronauticsNo.12024JanuaryVol.45载人月球探测混合云架构体系仿真系统研究赵毓1，王慎泉2，王平1，黄震1，周克亮3，张琦4（1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2.中国航天员科研训练中心，北京 100094；3.广东航宇卫星科技有限公司，汕头 515041；4.哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001）摘要：针对载人月球探测工程任务需求，设计了一种基于混合云架构的体系仿真系统，实现了辅助设计、方案验证和协助任务等功能应用。分别从任务设计和应用模式角度分析了体系仿真系统功能需求；根据需求给出体系仿真系统总体架构，采用仿真平台和仿真支持库统筹建设的方式，完成了系统开发与集成；提出了针对体系仿真系统建设涉及的体系建模、任务规划、推演展示、效能评估和系统联动与扩展关键技术实现方案；应用该系统实现了对典型载人月面活动场景的仿真，得到了关键参数模拟推演结果，验证了体系仿真系统各项功能有效性和正确性；最后给出了思考和展望。该体系仿真系统可支撑未来载人月球探测相关任务开展发展论证和综合评估验证，能够为同类系统开发提供方案参考。关键词：载人航天；月球探测任务；体系；仿真系统；混合云中图分类号：V57 文献标识码：A 文章编号：1000-1328（2024）01-0021-14 DOI：10.3873/j.issn.1000-1328.2024.01.003Research on the Hybrid Cloud Architecture Simulation System for Manned Lunar Exploration SystemsZHAO Yu1，WANG Shenquan2，WANG Ping1，HUANG Zhen1，ZHOU Keliang3，ZHANG Qi4（1.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China；2.China Astronauts Research and Training Center，Beijing 100094，China；3.Guangdong Hangyu Satellite Technology Co.，Ltd，Shantou 515041，China；4.School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）Abstract:A hybrid cloud-based architecture simulation system has been designed to meet the mission requirements of Chinas manned lunar exploration program，providing functional applications such as design assistance，scheme verification，and task coordination.The functional requirements of the architecture simulation system are analyzed from the perspectives of task design and application mode，and the overall architecture of the system is presented based on these requirements.The system development and integration have been completed through the coordinated construction of simulation platform and simulation support library.Key technical implementation plans related to system modeling，task planning，simulation display，performance evaluation，system linkage，and expansion are proposed.The simulations of typical manned lunar surface activities have been carried out using this system，and the simulation results of key parameters have been obtained to verify the effectiveness and correctness of various functions of the system.Finally，some reflections and prospects are given.This simulation system can support the development demonstration and comprehensive evaluation of future manned lunar exploration missions，and provide reference for the development of similar systems.Key words:Manned space flight；Lunar missions；System of systems；Simulation platform；Hybrid cloud0引言进入21世纪以来，月球探测迎来新热潮，以中美两国为代表的各航天大国相继发射了多枚探测器，积极开展月球资源探索和利用活动1。开展载人月球探测活动并建立月球基地关乎国家太空利收稿日期：2023-06-11；修回日期：2023-07-26宇航学报第 45 卷益：为了实现宇航员重返月球目标，美国出台了“阿尔忒弥斯计划”2；中国也将在不久的将来开展载人登月任务3。实施载人月球探测的核心目标是拓展生存空间，实现人类在地外长期生存，需要开展系统、连续的月球探测和相关技术试验验证工作。这一过程周期较长，且涉及的系统和技术较多，应建立载人月球探测体系，便于统筹规划发展过程和指导任务决策制定。载人月球探测是一项耗资巨大、参数众多、异常复杂的系统工程。考虑到在相关任务制定和执行过程中，无法让各系统多次遍历所有活动情景，且受限于月球低重力、强辐射、大温差等特殊条件，在地面难以模拟月球真实复合环境工况。为了降低研究难度和研发成本，可以利用仿真技术提供接近真实的月面环境和全面完备的虚拟实践手段，支持方案快速迭代验证和在轨预示等工作。随着载人月球探测相关技术快速发展，以及应用需求的不断深入，现有仿真系统难以满足全周期体系设计、规划与多方案比较的需要。在相关仿真系统开发方面，除计算能力和资源调度等基础问题有待解决外，还需满足多系统集成、信息频繁交互、辅助设计与评估等需求，急需开发能够支持载人月球探测复杂体系推演分析的仿真系统架构，支撑载人月球探测体系设计与仿真评估工作。国外已开发数百种各类体系仿真系统，应用到陆、海、空、天等任务联合演习中，针对航天器系统的典型综合仿真系统包括美国 NASA 早期开发的 SSDSE（Spacecraft system design&simulation environment）系统4，丹麦为 ESA 开发的实时 Sim SAT系统5，以及被航天学者们熟知的STK（Satellite Tool Kit）仿真系统6。近期，NASA还公布了专门为阿尔忒弥斯任务开发的月面活动实时仿真系统，可以模拟推演并展示载人登月任务全过程7。21世纪初，随着深空探测计划的全面实施，中国也逐步建成了多个面向各类航天器型号研发设计与任务模拟的仿真系统，包括嫦娥二号飞行控制支持系统8，嫦娥五号仿真验证系统9，火星地表环境可视化仿真系统10，月球取样返回器半实物仿真系统11和基于模型的系统工程仿真系统12等。上述系统的支撑技术仍以高性能计算机集群为主13-14，难以适应载人月球探测体系研究涉及的多型号、多任务和复杂交互的仿真分析问题。基于以上分析，面向首次载人登月任务及未来月球科考与开发活动，针对长期实施载人月球探测计划相关软硬件规模逐渐扩展、多任务并发联动、复杂人-机-环交互等特点，本文提出一种基于混合云架构的载人月球探测体系仿真系统，解决多系统扩展集成和复杂交互操作问题。该仿真系统既能为型号设计研制过程中的任务规划、多方案模拟与快速分析提供依据，又能支持航天器和航天员在轨任务模拟与预示。本文首先围绕载人月球探测航天器主要设计阶段和仿真应用模式，对体系仿真系统建设的需求进行分析，对基础功能进行分解。随后根据体系仿真任务需求设计基于混合云的仿真平台总体框架，并给出模型管理、场景编辑、算法调度等主要模块的基本方案，给出面向典型任务场景的仿真支持库建设方案。然后分别给出体系建模、任务规划、推演展示、效能评估和系统联动与扩展关键技术的实现方案。而后利用该体系仿真系统对典型月面活动任务场景中的多种方案开展仿真推演，并对结果进行比较分析。最后对载人月球探测体系仿真系统未来发展进行展望。1仿真系统需求分析面向载人月球探测任务的长期发展，梳理出建立载人月球探测体系仿真系统的核心需求包括高保真推演展示、以MBSE（Model based system engineering）数字化技术为支撑、更通用、更体系、更灵活和完全自主可控。其中，更通用是指体系仿真系统具有多平台移植和多系统联动能力，更体系是指体系仿真系统能够长期统筹支持未来所有月球探测型号工作，更灵活是指体系仿真系统具备较强扩展性，可实现多软件、多系统自由接入的高集成度开发任务。传统系统或单机仿真以研究对象典型特征的数值求解为主要手段，目的是建立具有一定逻辑或数量关系的系统分析模型。而体系仿真是以过程分析为主要手段，目的是研究开放环境下系统间相互作用和涌现效应等复杂特征，为顶层决策提供参考依据。因此，体系仿真的重点是建立系统间关系模型，并模拟推演多系统协同作用下的事件发展，进一步分析各系统对体系的贡献情况。对应到载人月球探测任务中，可以具象为利用体系仿真系统模拟推演航天器、航天员等大系统协同任务执行情22第 1 期赵毓等：载人月球探测混合云架构体系仿真系统研究况，评估任务结果并指导相关设计优化和改进工作，可支持在研型号及未来所有月球探测航天器系统开展任务级仿真推演。根据航天器型号设计阶段划分方法，可将载人月球探测各航天器设计任务初步分解为概念研究、可行性论证、方案设计、初/正样设计和在轨运行等多个阶段，每个阶段对仿真系统都有不同需求。特别地，在概念研究和可行性论证阶段，由于涉及多个大系统和航天器关系分析，需要建立相对全面的型号体系和技术体系，才能统筹规划型号研发和部署任务，进而提升整体效能。本文对面向型号设计的体系仿真系统需求进行梳理分解，如图1所示。上图中仅列出了与仿真相关的设计环节。对各环节的仿真需求进行归类，得到体系分析建立、飞行方案推演、任务规划、任务方案优化、效能评估、方案快速比较、数据实时展示共7类顶层需求。其中部分需求间存在耦合关系，难以直接分解为功能需求，本文又根据仿真系统主要任务流程对应用模式进行分析，分解出体系仿真系统功能需求，如图2所示。根据以上分析，体系仿真系统功能需求可分为建模、算法验证、场景推演、参数展示、模型编辑、人机交互、任务编排、结果评估、外部接口和系统扩展共10类，每一类功能还可以继续分解为多项实现技术，本文在此不逐一例举。综合考虑仿真技术发展情况和上述两个维度梳理的各项需求，本研究确定了载人月球探测体系仿真系统的6项关键技术，分别为：体系建模、任务规划、模拟推演、效能评估、系统交互和扩展升级。在体系仿真系统建设初期，可对各关键技术独立开展研究，随着系统开发日趋成熟，关键技术间的依赖关系和数据交互逐渐清晰，再利用体系仿真系统将其集成融合，共同完成全周期模拟推演任务。2总体方案为提高载人月球探测体系仿真系统开发效率，采用模块化设计思想将该系统分成仿真平台和仿真支持库2部分并行建设。仿真平台主要实现资源管理、软件操作和交互展示，仿真支持库主要实现数学抽象、算法编制和数据管理。依此形成了图3所示的体系仿真系统组成关系图。仿真平台面向首次载人登月任务及未来月球科考与开发阶段，为载人月球探测体系仿真系统提供大规模体系级仿真运行和管理能力，支持所有在研及未来预研型号仿真验证，为模型部署与管理、仿真运行调度、场景编辑提供底层支持服务，覆盖了仿真开发、任务规划、场景部署、模拟运行到方案载人月球探测型号设计概念研究阶段可行性论证阶段方案设计阶段在轨运行阶段体系分析建立任务规划方案快速比较飞行方案推演效能评估数据实时展示体系仿真系统需求任务方案优化初/正样设计阶段工程目标需求分解建立型号体系总体阶段划分与部署任务设计型号任务分解建立技术体系任务流程分析初步建立飞行方案大系统约束分析建立论证基础在轨运管分析确定专项研究应急救生梳理与离轨策略设计型号系统任务分析论证分系统技术指标论证飞行方案论证大系统接口约束论证主要技术流程论证其他问题可行性论证关键技术多方案比较飞行方案初步确定分系统指标初步设计大系统接口分析设计系统详细设计及指标确定确定技术状态试验结果与设计对比故障预案制定执行飞控任务载荷在轨测试工作状态监管故障处理运行任务预示离轨管控设计优化改进图1型号设计过程对体系仿真系统需求分解图Fig.1Decomposition diagram of mission design process requirements for systems simulation system23宇航学报第 45 卷评估等阶段。由于体系级仿真具有场景宏大、模型颗粒度复杂、实体数量较多等特点，该仿真平台针对性地设计了基于中间件的时空引擎，用于高效实时推进模型计算及数据通信。仿真平台的总体架构如图4所示。轨道计算、测控分析、中间件等相关模块当前已有成熟技术15-17，本文不再赘述其开发方案。类似的，图4中大部分模块只需代码实现，以下仅对应体系仿真系统主要任务辅助设计验证方案展示交互协助任务评估分析系统联动算法验证建模场景推演环境建模实体建模系统建模体系建模交互算法控制算法决策算法规划算法实时推演超实时推演动态接入参数展示能量流物质流信息流模型编辑特征修改交互设置人机交互键鼠交互模拟器操作任务编排任务想定参数装订自动规划动态编排结果评估数据库记录即时回放工效评估效能评估外部接口高速网络中间件交互协议系统扩展硬件扩展软件模块扩展多平台移植体系仿真系统功能需求体系建模月球环境模拟系统状态推演模拟航天员工效学模拟典型操作任务模拟飞行规划及验证月面部署规划及验证月面活动方案验证体系效能分析验证任务场景展示推演执行过程推演模拟人员交互感受层级任务规划超实时推演模拟状态参数判读分析状态参数预示任务场景回放阶段任务评估系统贡献度分析大系统联合设计典型数据交换传递联合任务模拟系统扩展应用模式视角、环境 切换VR、AR图2体系仿真系统功能需求分解图Fig.2Functional requirements decomposition diagram of systems simulation system模型库算法库规则库数据库混合云架构仿真管理后台仿真运行支持环境体系数学模型航天器数学模型地形、地质等月球模型空间环境模型模型接口扩展参数配置感知、决策、控制算法规划、优化算法效能评估算法超实时推演算法基础运算规则规范化扩展接口运动、动力学约束环境约束信息交互规则任务、场景想定典型任务模板规范化扩展接口实体数据集地形数据集环境数据集系统状态数据集高速存储访问机制扩展数据集仿真支持库仿真应用任务想定、台式展示、结果分析、接口管理等仿真管理模型加载、场景加载、参数设置、人员操作等仿真支撑场景引擎、数据通信、状态监控、超实时计算等仿真运行资源数据调用、规则检测、资源分配等交互式视景及仿真参数、结果展示模块交互式输入仿真控制参数装订，模型装订，任务装订，流程管理，设备操作结果输出展示3D、2D结果展示，动态信息加载、任务信息提示等视景动态展示任务流程驱动、仿真场景回放、数据驱动、拖拽加载等虚实数字孪生通用硬件接口、实物联动、模型校验、结果预示等仿真平台图3体系仿真系统组成关系图Fig.3Systems simulation system composition diagram24第 1 期赵毓等：载人月球探测混合云架构体系仿真系统研究用层模型管理工具、场景编辑工具、算法注册与调度工具以及任务推演可视化共4个典型工具方案进行介绍。模型管理工具：是可视化模型开发与调度工具，原始三维模型由外部导入，在其基础上人工或自动匹配基本物理特性、操作模式、约束参数等信息。作为视景展示的主要模块，也可为任务效能计算提供输入。设计人员可通过界面拖拽，完成各实体模型在场景中的部署。该工具主要功能包括模型文件上传、基本信息管理、物理特性配置、运动机构配置、视场配置、链路配置和操作模式配置等。场景编辑工具：可供用户根据需求创建和发布各种月球探测任务场景，对不同场景的地形背景、活动时间、参与模型实体、任务计划安排进行配置与发布。设计人员可通过界面操作方式实现对任务想定的编辑和修改，还可通过与SysML相关软件互动，自动生成任务序列，作为任务规划和仿真推演的输入。该工具主要功能包括地形导入、场景列表维护、场景地形选择、场景时间设置、场景模型选择、卫星轨道配置、模型状态交互编辑、活动计划配置、场景操作记录查看分析等。算法注册与调度工具：可用于管理按照算法注册规范封装后的Restful标准接口模块，按需组织算法全部调用流程并进行调度计算，支撑平台的专业任务规划计算服务。该工具主要功能包括算法模块注册、算法流程管理、算法流程交互编辑、算法调度执行、执行日志查询。任务推演可视化工具：可载入用户编辑的场景，接入三维数字产品模型，利用系统提供开放式交互功能控制航天员、机器人、月球车等各类实体协同完成任务，自动记录操作过程，并提供状态监控和安全约束告警功能。完成任务推演后可记录全过程数据，快速自动生成评估设备性能、资源消耗、操作安全性等情况，并输出SysML形式模型图作为后续任务优化设计的输入。主要包括场景加载与环境仿真、航天员操作交互仿真、驾驶交互仿真、机器人作业交互仿真、任务状态监控、评估分析、辅助功能、系统接口8大部分共46个功能模块。孪生开发平台标准规范运行支撑全要素三维模型库空间环境特效常用卫星组件库指向策略规划可见性计算任务约束分析性能数据注入时空引擎驱动数据编排工具算法注册与调度实时数据智控工具时间系统转换坐标系统转换天体星历计算遥控遥测接口任务推演可视化辅助工具集仿真支持库中间件月面活动任务规划可视化仿真系统(Unity)飞行过程可视化演示系统(Cesium)月球探测任务规划系统(Cesium)模型管理工具场景编辑工具/组装工具(Unity)数据超市(主数据服务/单点登录等基础服务API、任务规划计算API、约束规则分析API)API网关管理发射段、环地段、地月空间段、环月段、月面段、返回段等全任务段场景控件Web太空场景时空引擎(Cesium)单机版太空场景时空引擎(Unity3D)应用性能分析成像/机动/能源平衡/通信空间环境数据大气、辐射、空间碎片轨道预报器二体、J2/J4、HPOP通信链路计算载荷、推进、控制、电源、测控等各分系统选配模型JBullet物理引擎虚拟容器混合云架构平台应用层接口层基础层存储层智能运维技术后台本地/云端存储可视化模型资源空间环境应用算法资源航天器本体算法资源三维模型制作标准配置文件标准目录及接口标准API图4仿真平台总体架构图Fig.4Architecture diagram of simulation platform25宇航学报第 45 卷载人月球探测任务中部分场景与传统航天器飞行任务不同，属于开放式任务场景，各系统动态加入，拓扑关系多变且约束条件较多，没有明确的规律可以建模描述，所以在建立体系仿真系统的同时需要考虑建立可动态扩展的仿真支持库，用以保证仿真系统的灵活性和适应多系统长期任务能力。以典型任务场景为导向开展仿真支持库开发，在模型库、算法库、规则库建设基础上，采用分层级、模块化的系统文件管理方法，实现各类数据高效存储与调用。仿真支持库总体建设方案如图5所示。以模型库为例，简要介绍仿真支持库开发相关方案。对于实体模型库，主要开发着服航天员、新一代载人飞船、月面着陆器、载人月球车等实体三维及数学模型，预留了通用模型模块，后续可通过简单配置实现新模型添加操作。三维模型在原型号设计模型基础上进行精简，以适应视景动态展示响应需求，特别地，为了实现场景交互，对各模型均进行了碰撞检测配置。数学模型除基本的运动学和动力学模拟外，还综合开发了光照、热、能量、信息流等关键参数随推演进程变化模型。采用“星历+高精度地图+环境数据”耦合作用的方法构建环境模型库。星历模型主要考虑“太阳-月球”以及“地球-月球”2种相对位置关系，作为计算太阳高度角和测控通信可见性的重要依据。由于缺少月表高精度数据源，采用基于已有遥感DEM、DOM信息的随机地形生成方法产生高精度地形图，其中包括撞击坑等典型特征识别提取和石块多模式分布技术。月球和空间环境数据已有较为成熟的数学模型18-19，通过代码即可实现相关功能，本研究仅对实体交互期间存在的碰撞、能量传递、长期科学探测任务建设载人月球站首次载人登月小范围移动探测国旗展示适度科学实验资源勘探与采集任务执行体行驶探测目标点选取目标资源勘探样品采集与检测科考站舱段落月载人月球站选址科考站舱段对接航天员进站调试.实时动态数据推演过程数据仿真结果数据行动指令进程管理导调控制推演回放行动裁决结果模型状态变化目标状态变化结果统计数据静态配置数据推演用户数据推演想定数据模型分类模型分组用户权限用户状态想定文书环境数据模型数据初始态势任务基础数据环境基础能力模板环物模板规则模型数据推演规则逻辑规则模型系统资源系统界面系统菜单行为审计据系统基础数据系统数据备份与存储调用实时备份数据云端全局备份数据实时更新备份定期全量备份定期全量备份数据库任务完成度时间物资消耗活动范围安全性任务完成度时间物资消耗活动范围安全性评价维度任务系统效能指标任务完成度时间资源消耗月面探测范围安全性航天员作业时间某设备运行时间电池消耗氧气消耗燃料消耗通过安全性设备作业安全性一级指标二级指标任务系统效能指标任务完成度时间资源消耗月面探测范围安全性航天员作业时间某设备运行时间电池消耗氧气消耗燃料消耗航天员作业安全性通过安全性设备作业安全性一级指标二级指标评价指标体系任务完成度时间物资消耗活动范围安全性评价维度任务系统效能指标任务完成度时间资源消耗月面探测范围安全性航天员作业时间某设备运行时间电池消耗氧气消耗燃料消耗通过安全性设备作业安全性一级指标二级指标评价指标体系算法库DLL文件规范化编写、管理导航算法规划算法控制算法感知算法决策算法推演算法评价算法.即时评价总结评价体系模型库环境模型库日地月空间模型日地月空间模型月面地形模型局部区域高精度地图生成全月地图月面特性模型1 2 34 5 67 8 91 2 34 5 67 8 9数据文件数据文件想定规则文件XML函数文件函数文件交互约束规则规则库多粒度地图全特征覆盖匹配与推荐规则文本文件文本文件移动实验室系统航天员系统载人月球站系统月面着陆器系统体系模型 系统模型分系统模型组件模型分层级模块化标准化保证扩展性标准化保证扩展性算法D*算法RRT算法.A*算法算法算法.总体目标科学目标工程目标各执行体任务计划(任务点、任务内容)子任务规划约束条件星历工作约束条件执行体当前状态任务区域地形建立工作能力限制约束环境交互约束输出行为约束地形光 照 死区、安全约束等机动性能、能耗、温度等高程地图等星历工作约束条件执行体当前状态任务区域地形建立工作能力限制约束环境交互约束输出行为约束地形光 照 死区、安全约束等机动性能、能耗、温度等高程地图等到达任务点行驶路径执行体在任务点的行为序列每个行为属性集(发生时间、执行代价等)到达任务点行驶路径执行体在任务点的行为序列每个行为属性集(发生时间、执行代价等)局部路径规划机械臂轨迹规划.局部路径规划机械臂轨迹规划.动作规划局部路径规划机械臂轨迹规划.动作规划约束条件星历工作能力限制约束任务点环境信息约束条件星历工作能力限制约束任务点环境信息每个行为对应的动作序列(可转化为具体指令)过程维知识维功能维任务事件知识活动工作项过程维知识维功能维任务事件知识活动工作项总体任务需求理解任务的规范化描述任务层次结构确定任务时序关系分析总体任务需求理解任务的规范化描述任务层次结构确定任务时序关系分析任务层次结构子任务元任务月面任务功能需求对应需求对应组成组成约束规范化任务层次结构子任务元任务月面任务功能需求对应需求对应组成组成约束规范化基 于功 能需 求的 任务 分解任务工作流三维结构模型目标规划层任务规划层动作规划层各执行体任务计划(任务点、任务内容)子任务规划星历工作约束条件执行体当前状态任务区域地形建立工作能力限制约束环境交互约束输出行为约束地形光 照 死区、安全约束等机动性能、能耗、温度等高程地图等到达任务点行驶路径执行体在任务点的行为序列每个行为属性集(发生时间、执行代价等)局部路径规划机械臂轨迹规划.每个行为对应的动作序列(可转化为具体指令)过程维知识维功能维任务事件知识活动工作项总体任务需求理解任务的规范化描述任务层次结构确定任务时序关系分析任务层次结构子任务元任务月面任务功能需求需求对应组成组成约束规范化基 于功 能需 求的 任务 分解任务工作流三维结构模型目标规划层任务规划层效能评估数据处理方法研究任务规划需求分析图5仿真支持库总体建设方案图Fig.5Construction plan diagram of simulation support library26第 1 期赵毓等：载人月球探测混合云架构体系仿真系统研究物理影响等情况进行特别配置。基于上述设计，综合考虑了载人月球探测任务具有任务复杂、涌现性强、创新潜力大等情况，该载人月球探测体系仿真系统可实现全部月球探测飞行器系统的高集成度体系仿真推演展示，支持人员自由介入的过程模拟、结果分析和参数预示工作，能够真实模拟系统间、系统与环境间、大系统间交互情况，分析人机工效和任务效能，可以进行大规模扩展和外部系统联动，具有更通用、更体系、更灵活的特点。3关键技术方案3.1体系建模载人月球探测体系是一个适应多样任务的动态复杂大系统，它由具有自主特性的各飞行器和航天员实体组成，各实体又具有独立的传感、控制、通信、能源等功能，体系整体规模可以随不同任务目标而改变。针对如此特性，本研究采用多智能体方法对该体系进行建模，即将载人月球探测任务中多个实体集合抽象为一个松散联邦，其中各智能体均具有自治性，通过协调与合作方式实现各智能体之间的互动或对冲突的调整。该体系（System of systems，SoS）可抽象为由环境E、智能体集合A、对象集合O、关系接R、操作集合P以及算子集合 6种要素组成的开放型网络结构，可形式化定义：SoS（1）式中：环境E可具象为具有一定特性的地月、月表空间；集合A中的智能体可代表各飞行器、航天员或其他月面设施设备；集合O由环境中智能体需要探索或控制的无生命对象组成，可以被智能体感知、创建和删除；集合R包含所有连接各智能体的关系，包括但不限于互动和冲突；集合P包含了集合A中各实体可感知、创建、删除、修改和控制的集合O中对象；集合可以表达智能体各种操作和环境反应的数学关系。用多智能体方法进行载人月球探测体系建模可以利用多智能体系统的分布式、动态性、开放性、有限性和自治受控等特点，精确模拟该体系中各实体自主和多实体间交互的行为。还有一优势在于，所建体系模型可以方便快速地引入智能决策与规划算法，提升整体对未来任务的适应性20。图 6为本研究中基于多智能体的体系建模及仿真框架。智能体间存在通信、交互、协作等行为，在体系建立和仿真过程中依实际情况开展精细建模，此处不再展开叙述。3.2任务规划载人月球探测任务规划实质是一个资源受限情况下的复杂系统组合优化与调度问题。为更多智能体体系模型构建微观知识宏观结构建立交互关系建立宏观知识复杂系统微观结构建立体系分析测试与检验仿真模拟仿真平台支撑模型确认/发布迭代迭代校核观测想定智能体模型可操作模型(软件)设计模型(概念)领域模型(实体)假设理解新的仿真应用图6基于多智能体的体系建模及仿真框架Fig.6System modeling and simulation framework based on multi-agent method27宇航学报第 45 卷好地实现相关活动任务规划，本研究采用分层递阶的规划思路，自上而下逐步分解各项任务，形成“目标任务动作”3 层任务规划结构22，采取基于“功能需求”二元关系的任务分解方法，实 现 对 复 杂 任 务 的 具 体 规 划，其 架 构 如 图 7所示。在目标层面，针对载人月球探测多系统协同作业问题，建立相应规划模型。考虑到月球探测系统的异构性，不同任务需要的系统或系统组合不同，首先建立载人月球探测任务体系，将各类任务做层次化分解与标准化描述，从而构建月球探测系统功能与任务需求之间的二元对应关系。基于缺陷修复式规划的思想，将未安排时间的任务和任务未被满足的系统需求视作待修复缺陷，将每一轮规划分解为任务选择、系统选择和活动安排3个阶段，并在缺陷修复过程中加入优化机制。在此基础上，将各系统完成不同任务的时间代价抽象成任务时间地图，基于此图求解执行任务的时间代价23。设计时间代价启发式搜索策略，从缩短任务用时的角度，获取月球探测系统的调用与组合，并优化任务执行顺序。通过上述方法，在目标规划层将月球探测任务总体目标转化为每个探测系统的任务序列，最终形成优化的完整任务方案。在任务层面，本研究采用基于状态转移图的启发式任务规划方法24。针对多系统并行操作及耦合交互的特点，考虑系统多约束及复杂状态切换特性，建立状态转移图描述各系统状态转移路径方案，设计状态转移代价函数。在转移图的基础上给出规划节点启发式评估策略，对问题搜索空间进行削减，减少无效迭代、快速获得规划结果。在动作层面，主要是各月球探测系统上的活动部件（如机械臂）完成一个具体的行为（如拾取样品）的规划。各类活动部件以及行为均有对应的成熟算法，直接调用即可，此处不再详述。3.3推演展示在载人月球探测相关方案论证和设计过程中，应用可视化功能对任务过程进行推演展示，可以让用户更直观地了解设计细节和任务流程，配合键鼠和模拟器等交互设备，可以实现对场景实体的直接操作和体验，有利于快速推演方案结果和暴露设计缺陷。为载人月球探测体系仿真系统设计推演展示相关功能，可以极大程度弥补月球探测任务无法实地验证的缺陷，未来还可与在轨航天器联动，实现数字孪生用以支撑飞控任务。载人月球探测体系仿真系统的推演展示功能由场景建设加载、月面环境仿真、操作交互仿真、驾驶交互仿真、机器人作业交互仿真、任务状态监控、事后评估分析、辅助功能以及内外部系统接口等模块组成。利用Unity3D软件，以地形数据、各类实体模型、时间、通讯等条件为基本对象，对其作综合处理，创建交互式的三维场景，能够达到所见即所得。仿真过程中引入数学模型计算的实时数据对三维可视化场景进行驱动，每个模型的物理属性、资源约束参数、运动性能、操作模式都将反映在场景中各实体模型的物理运动状态、性能损耗状态上，实现任务活动推演数据驱动仿真。由于当前掌握月球地形数据精度难以达到实体交互要求，本研究基于前文模型库建设中提到的随机地形生成方法提升场景模拟中的地形精度，从而实现仿真实体与月面地形交互。首先对已有总体目标科学目标工程目标总体目标科学目标工程目标各执行体任务计划(任务点、任务内容)子任务规划约束条件星历工作约束条件执行体当前状态任务区域地形建立工作能力限制约束环境交互约束输出行为约束地形高程地图等星历工作约束条件执行体当前状态任务区域地形建立工作能力限制约束环境交互约束输出行为约束地形高程地图等到达任务点的行驶路径执行体在任务点的行为序列每个行为的属性集(发生时间、执行代价等)到达任务点的行驶路径执行体在任务点的行为序列每个行为的属性集(发生时间、执行代价等)局部路径规划机械臂轨迹规划深钻动作规划.局部路径规划机械臂轨迹规划深钻动作规划.动作规划局部路径规划机械臂轨迹规划深钻动作规划.动作规划约束条件星历工作能力限制约束任务点环境信息星历工作能力限制约束任务点环境信息每个行为对应的动作序列(可转化为具体指令)过程维知识维功能维任务事件知识工作项过程维活动工作项总体任务需求理解任务的规范化描述任务层次结构确定任务时序关系分析总体任务需求理解任务的规范化描述任务层次结构确定任务时序关系分析任务层次结构子任务元任务月面任务功能需求对应需求对应组成组成约束 规范化任务层次结构子任务元任务月面任务功能需求对应需求对应组成组成约束 规范化于功能需求的任务分总体目标科学目标工程目标各执行体任务计划(任务点、任务内容)子任务规划星历工作约束条件执行体当前状态任务区域地形建立工作能力限制约束环境交互约束输出行为约束地形高程地图等到达任务点的行驶路径执行体在任务点的行为序列每个行为的属性集(发生时间、执行代价等)局部路径规划机械臂轨迹规划深钻动作规划.动作规划星历工作能力限制约束任务点环境信息每个行为对应的动作序列(可转化为具体指令)总体任务需求理解任务的规范化描述任务层次结构确定任务时序关系分析任务层次结构子任务元任务功能需求对应需求对应组成组成约束 规范化目标规划层任务规划层动作规划层任务工作流三维结构模型基于功能需求的任务分解机动性能、生保能力、能耗、温度等光照、测控、安全约束等月面任务图7分层递阶式任务规划结构Fig.7Hierarchical and hierarchical task planning architecture28第 1 期赵毓等：载人月球探测混合云架构体系仿真系统研究DEM数据进行插值，开展缺值估计和离散点数据网格化。然后根据统计分布规律和已有DOM中识别属性参数，对月面撞击坑和石块分布进行模拟，再根据其影响区域修正附近数字高程信息。最后再随机增加小石块分布等细节信息。生成的典型地形高程图如图8所示。后续加载到场景中进行渲染和碰撞检测部署修正。由于载人月球探测相关任务周期较长，为了快速推演各次任务结果，本研究使用了一种基于并行计算的仿真加速方法，能够实现10倍超实时仿真推演。传统超实时仿真多采用“跳时”方法，即增大仿真时间粒度，此方法将牺牲数据计算精度。本研究利用混合云架构中“虚拟容器”的概念，将仿真过程中的计算负载根据物理逻辑分配到多个虚拟容器（节点计算机）中，在不简化计算模型、不增大数据计算误差的情况下提升整体运算速度，从而实现对任务场景的超实时推演。特别地，由于展示场景无需体现“仿真加速”过程，本研究中仅对数据运算做超实时处理，场景仍根据数据驱动逐帧渲染。3.4效能评估随着航天技术的不断发展，载人月球探测体系的特征要素将大量增加，具体表现为：要求系统与系统之间、载荷与新增设备之间可以实现功能互补和能量、信息连通，以求达到整体效能最佳，在保持系统独立性的同时发展群体涌现性。在方案设计和任务实施阶段，需要对体系中各系统效能进行评估，从全局角度优化配置。本研究遵循效能评估的基本步骤，针对已设计的系统构建效能评估指标体系，根据各次仿真推演结果采用不同方法计算效能指标，由各效能指标综合计算出整体评估值，对多个方案的整体评估值进行比较，实现方案择优。综合考虑任务约束、任务实体系统、任务环境、评估维度等信息，建立多层级“任务目标-