中國(guó)空間站在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)規(guī)劃方法及應(yīng)用

陳 狀，韓樾夏，張 偉

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京 100094）

1 研究背景

空間站以其近地軌道位置、長(zhǎng)時(shí)間微重力、強(qiáng)劑量輻射等獨(dú)特環(huán)境被多國(guó)視為太空實(shí)驗(yàn)室，其研究?jī)r(jià)值得到美國(guó)［1］、俄羅斯［2］、日本［3］，以及歐洲各國(guó)的認(rèn)可［4］。國(guó)際空間站開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及六大研究領(lǐng)域［5］，包括生物學(xué)與生物技術(shù)、技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證、教育活動(dòng)和推廣、人體研究、物理科學(xué)以及地球與空間科學(xué)的數(shù)十個(gè)研究方向，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation,NSF）和國(guó)立衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health,NIH）在2022 財(cái)年提供給國(guó)際空間站國(guó)家實(shí)驗(yàn)室超過(guò)4 000萬(wàn)美元的資金，支持了近60 個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目［6］。近年來(lái)，中國(guó)的載人航天事業(yè)迅速發(fā)展，隨著神舟十五號(hào)載人飛船和空間站組合體的交會(huì)對(duì)接任務(wù)勝利完成，我國(guó)載人空間站在2023 年進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期的新階段且將開(kāi)啟大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的順利執(zhí)行與空間站應(yīng)用任務(wù)規(guī)劃密切相關(guān)。然而，為保障空間站的穩(wěn)定運(yùn)行，約束條件限制非常嚴(yán)格。因此，當(dāng)前中國(guó)空間站面臨的問(wèn)題是如何在復(fù)雜約束條件下，盡可能利用空間站在軌資源規(guī)劃科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，最大化在軌設(shè)施利用率。亟需建立一套符合空間站任務(wù)規(guī)劃特征和要求的任務(wù)規(guī)劃方法，并在規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上開(kāi)展優(yōu)化，提升各項(xiàng)資源與項(xiàng)目條件，如拓展在軌資源、提升上下行能力、地面項(xiàng)目培育等，進(jìn)而提升空間站在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃的使用效率。

為保障航天器的穩(wěn)定高效運(yùn)營(yíng)，美國(guó)航空航天 局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）通過(guò)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)合理規(guī)劃各項(xiàng)應(yīng)用資源至有效載荷，解決了阿波羅登月工程階段、天空實(shí)驗(yàn)室工程階段、航天飛機(jī)工程階段、國(guó)際空間站工程階段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、集中式的任務(wù)規(guī)劃。阿波羅登月計(jì)劃使用月球軌道交匯法，面臨著飛行步驟復(fù)雜、步驟精確度要求高的難題。采用集中規(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［7］。天空實(shí)驗(yàn)室(Skylab)工程階段的任務(wù)規(guī)劃屬于長(zhǎng)周期、分布式任務(wù)規(guī)劃，每個(gè)載人航天任務(wù)都是數(shù)十天［8］，馬歇爾空間飛行中心進(jìn)行有效載荷規(guī)劃，而約翰遜空間中心進(jìn)行平臺(tái)規(guī)劃和規(guī)劃集成，這在一定程度上降低了單個(gè)規(guī)劃中心的工作量。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（Spacelab）工程回到阿波羅工程階段的短周期任務(wù)規(guī)劃，產(chǎn)生了PLAN-IT［9］、SLS-PLAN-IT［10］、PLAN-IT-2 等規(guī)劃工具［11］，降低了規(guī)劃工作的難度。

國(guó)際空間站工程階段的任務(wù)規(guī)劃是由各成員國(guó)合作完成的，屬于長(zhǎng)周期、分布式的任務(wù)規(guī)劃。國(guó)際空間站有效載荷的多樣性和動(dòng)態(tài)性使得任何組織都不具備對(duì)空間站所有有效載荷進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃所需的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，因此傳統(tǒng)的集中規(guī)劃操作難以達(dá)到需求，取而代之的是多個(gè)國(guó)家的規(guī)劃中心按照集成規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)布的指導(dǎo)方針開(kāi)展工作。NASA 馬歇爾飛行中心早在20 世紀(jì)80 年代就進(jìn)行了空間站有效載荷規(guī)劃的研究，并且在2006 年開(kāi)發(fā)了載荷規(guī)劃系統(tǒng)（payload planning system,PPS）。有效載荷規(guī)劃系統(tǒng)PPS 是專(zhuān)門(mén)為滿足有效載荷規(guī)劃需求而設(shè)計(jì)的規(guī)劃系統(tǒng)。PPS 主要使用了資源分層法（resource hierarchical distribution）和資源包絡(luò)法（resource envelope）。資源分層法強(qiáng)調(diào)了空間任務(wù)的劃分與資源信息的傳遞，資源包絡(luò)法則是針對(duì)執(zhí)行級(jí)的有效載荷任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃。資源分層法使得規(guī)劃者通過(guò)了解每一級(jí)的所有資源請(qǐng)求，可以確保資源的合理分配，以更好地滿足其規(guī)劃需求［12］。規(guī)劃分為3 個(gè)基本層次：上層規(guī)劃功能（ULPF）、中層規(guī)劃功能（ILPF）和下層規(guī)劃功能（LLPF）。資源請(qǐng)求從LLPF 向上通過(guò)ILPF 級(jí)別傳遞到ULPF；由ULPF 系統(tǒng)考慮所有資源請(qǐng)求，再將可用資源分配給ILPF，再分配到LLPF。在LLPF 級(jí)別，采用資源包絡(luò)法制定計(jì)劃。如Bush 等［13］在1987 年開(kāi)始為國(guó)際空間站研發(fā)資源包絡(luò)法。資源包絡(luò)指的是使用上限隨時(shí)間變化的相關(guān)資源集合［17］。資源包絡(luò)法是將未被占用的設(shè)備支持能力、功率等資源打包為多個(gè)資源包絡(luò)，分配給有需要的運(yùn)營(yíng)任務(wù)。資源包絡(luò)法的操作步驟為［14］：（1）確定可用資源和約束條件；（2）分配資源至運(yùn)營(yíng)任務(wù)（確定資源包絡(luò)）；（3）確定各資源包絡(luò)的最佳分配方案；（4）整合各資源包絡(luò)的任務(wù)規(guī)劃；（5）處理約束沖突。開(kāi)發(fā)資源包絡(luò)是為了在約束條件下滿足任務(wù)的資源請(qǐng)求，礙于當(dāng)時(shí)的算力限制，采用啟發(fā)式方法產(chǎn)生規(guī)劃方案［15］，該規(guī)劃方法簡(jiǎn)潔易實(shí)現(xiàn)，被應(yīng)用于國(guó)際空間站的有效載荷規(guī)劃。

針對(duì)執(zhí)行層、任務(wù)層、總體層等不同層次的空間站運(yùn)營(yíng)規(guī)劃問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者產(chǎn)生了一種連續(xù)型的規(guī)劃模型來(lái)進(jìn)行處理。Bu 等［16］提出了領(lǐng)域概念建模方法，旨在構(gòu)建空間站短期任務(wù)規(guī)劃多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的領(lǐng)域模型；卜慧蛟等［17］引入本體理論，設(shè)計(jì)了空間站短期任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域概念建模方法，分別建立了規(guī)劃領(lǐng)域本體模型、對(duì)象概念本體模型和方法概念本體模型；Bu 等［18］提出時(shí)間迭代法，優(yōu)先執(zhí)行重要任務(wù)且推遲次要任務(wù)的規(guī)劃策略，解決了任一時(shí)間的電能約束、熱約束、資源約束等引發(fā)的各種沖突。牟帥等［19］將在軌任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域概念建模方法應(yīng)用至重規(guī)劃領(lǐng)域，著重考察了應(yīng)對(duì)突發(fā)情況下的空間站任務(wù)規(guī)劃；Zhang 等［20］將在軌任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域概念建模方法推廣至空間站在軌活動(dòng)的總體分配問(wèn)題；Zhang 等［21］將該方法應(yīng)用于處理雙層規(guī)劃的問(wèn)題，包括在軌活動(dòng)分配規(guī)劃及其配套物流規(guī)劃。由于采用此方法在處理任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題上需要巨大的計(jì)算量并且產(chǎn)生多個(gè)不可行解，因此采用沖突化解策略［22］來(lái)盡可能避免這一結(jié)果，在不可行解基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，使其滿足約束條件。

上述針對(duì)空間站有效載荷規(guī)劃問(wèn)題與空間站運(yùn)營(yíng)規(guī)劃問(wèn)題的研究對(duì)于空間站在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)規(guī)劃有一定的參考價(jià)值。但是不同的是，本研究是總體層規(guī)劃中著重考慮科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的空間站任務(wù)規(guī)劃研究。首先，目前大多數(shù)空間站總體層規(guī)劃的研究都是為了保障空間站的平穩(wěn)運(yùn)行，將空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)與飛行任務(wù)、維護(hù)任務(wù)等任務(wù)共同考慮進(jìn)行規(guī)劃，未將空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目視為獨(dú)立且重要的空間應(yīng)用效益來(lái)源，導(dǎo)致缺少科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總體層任務(wù)規(guī)劃研究。鑒于此，本研究建立了科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的規(guī)劃模型，分析多種因素對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的執(zhí)行情況。其次，當(dāng)前絕大多數(shù)的空間站有效載荷規(guī)劃問(wèn)題聚焦于執(zhí)行級(jí)的任務(wù)規(guī)劃，而本研究著重關(guān)注空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的整體完成情況以及在軌設(shè)施的使用情況。為此，區(qū)別于變量為任務(wù)先后關(guān)系的模型，本研究設(shè)計(jì)了基于任務(wù)執(zhí)行時(shí)間為變量的任務(wù)規(guī)劃模型，對(duì)約束條件進(jìn)行分類(lèi)，可以優(yōu)化需要在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中考慮的復(fù)雜約束?？傊狙芯恐攸c(diǎn)關(guān)注在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在空間站上的執(zhí)行情況，考慮規(guī)劃設(shè)計(jì)因素與執(zhí)行突發(fā)因素對(duì)規(guī)劃方案的影響，通過(guò)在軌資源擴(kuò)展、上下行能力提升以及地面項(xiàng)目培育等措施提升空間站在軌設(shè)施的利用率。

2 問(wèn)題描述和模型

2.1 問(wèn)題描述

科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜以標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)柜體與專(zhuān)業(yè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（其中有些包含若干專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)?zāi)K）結(jié)合的方式，針對(duì)相關(guān)學(xué)科方向的需求，整體設(shè)計(jì)集成，支持相應(yīng)方向的科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，航天員可通過(guò)實(shí)驗(yàn)柜的相關(guān)模塊完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。一方面，通過(guò)任務(wù)規(guī)劃計(jì)算在軌設(shè)施利用率的理論最大值；另一方面，在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的執(zhí)行受到上下行、設(shè)備功耗、航天員工時(shí)、通信帶寬多種因素的約束，在軌設(shè)施利用率難以達(dá)到預(yù)期，需要找到造成在軌設(shè)施利用率降低的關(guān)鍵因素。

2.2 任務(wù)規(guī)劃模型

在軌設(shè)施利用率是指一段時(shí)間內(nèi)在軌設(shè)施有效使用時(shí)長(zhǎng)與總時(shí)長(zhǎng)之比。在軌設(shè)施有效使用時(shí)長(zhǎng)為，這段時(shí)間內(nèi)使用該設(shè)施完成的實(shí)驗(yàn)任務(wù)的時(shí)長(zhǎng)。若某次不可拆分實(shí)驗(yàn)需先后使用多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K才能完成，需將該任務(wù)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)間計(jì)入不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。受空間站復(fù)雜約束影響，不同實(shí)驗(yàn)?zāi)K的在軌設(shè)施利用率表述如式（1）所示。

在式（1）中，F(xiàn)為在軌設(shè)施利用率，F(xiàn)*為在軌設(shè)施利用率的上界，f1為受規(guī)劃設(shè)計(jì)因素影響而降低的在軌設(shè)施利用率，f2為受規(guī)劃設(shè)計(jì)因素影響而降低的在軌設(shè)施利用率。最大化在軌設(shè)施利用率的問(wèn)題可通過(guò)兩步解決：（1）計(jì)算在軌設(shè)施利用率上界；（2）計(jì)算受各因素影響而降低的在軌設(shè)施利用率。即如式（2）所示。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

在軌設(shè)施利用率F如式（3）至（4）所示。

2.2.2 復(fù)雜約束分析

實(shí)際在軌設(shè)施利用率受到設(shè)備支持、上下行、功率、工時(shí)等復(fù)雜因素的影響，根據(jù)產(chǎn)生影響時(shí)間的不同，可分為規(guī)劃設(shè)計(jì)因素與執(zhí)行突發(fā)因素。規(guī)劃設(shè)計(jì)因素直接影響實(shí)驗(yàn)任務(wù)是否被納入規(guī)劃方案。執(zhí)行突發(fā)因素會(huì)影響實(shí)驗(yàn)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間是否延后。

（1）規(guī)劃設(shè)計(jì)因素。規(guī)劃階段影響因素主要有設(shè)備支持能力、上下行能力。設(shè)備支持能力約束是指一個(gè)設(shè)備在同一時(shí)刻支持的活動(dòng)數(shù)，對(duì)于任一時(shí)間在執(zhí)行的多個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，其所占用的設(shè)備不能超過(guò)設(shè)備支持能力約束。具體如式（6）至（7）所示。

上下行能力約束是指載人船、貨運(yùn)船搭載的生物、材料等樣品的能力上限。規(guī)劃階段影響因素會(huì)形成新的約束條件。具體如式（8）至（9）所示。

（2）執(zhí)行突發(fā)因素。執(zhí)行階段影響因素主要有功率約束和航天員工時(shí)約束。功率約束指的是每一時(shí)刻用于執(zhí)行任務(wù)的總功率不得超過(guò)空間站的額定功率，這里不考慮特殊情況下的空間站功率再分配問(wèn)題?？臻g站上的電能主要通過(guò)設(shè)備使用消耗。對(duì)于任一時(shí)間在執(zhí)行的多個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，其所占用的設(shè)備的功率不能超過(guò)額定功率。航天員工時(shí)約束是指航天員每天的總工時(shí)是有限的。在規(guī)劃時(shí)需要考慮航天員的生理作息規(guī)律的約束，即任務(wù)盡量安排在航天員的工作時(shí)間，不占用其休息時(shí)間。執(zhí)行階段影響因素與空間站執(zhí)行級(jí)任務(wù)規(guī)劃密切相關(guān)。對(duì)于周期為半年的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃影響程度較低，但是會(huì)在一定程度上影響在軌設(shè)施利用率。

對(duì)于細(xì)胞組織實(shí)驗(yàn)?zāi)K，功率、工時(shí)等因素在執(zhí)行階段影響到在軌設(shè)施利用率。假如已經(jīng)執(zhí)行中的任務(wù)皆能夠完成，而有n天因功率、工時(shí)等原因不能進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具體如式（12）所示。

對(duì)于通用生物培養(yǎng)模塊等能夠容納多個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，在軌設(shè)施使用率的減少還跟實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目占用容量有關(guān)，通用生物培養(yǎng)模塊共有4 個(gè)培養(yǎng)單元，若實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需使用通用生物培養(yǎng)模塊2個(gè)培養(yǎng)單元，有n天因功率、工時(shí)等原因不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具體如式（13）所示。

3 科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃的仿真研究

3.1 啟發(fā)式方法設(shè)計(jì)

在進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)，選用啟發(fā)式方法是更為符合現(xiàn)實(shí)情況的，在進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時(shí)，規(guī)劃者能夠全面考慮項(xiàng)目效應(yīng)與設(shè)備效率，但是在航天員實(shí)際操作過(guò)程中，需要遵循冗余原則，留出時(shí)間避免任務(wù)規(guī)劃方案與實(shí)際執(zhí)行的差異，從而應(yīng)對(duì)突發(fā)情況導(dǎo)致項(xiàng)目的延遲執(zhí)行，提升規(guī)劃方案的容錯(cuò)能力。一旦某個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目執(zhí)行發(fā)生延遲，航天員可以占用冗余時(shí)間執(zhí)行。因此，在設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃算法時(shí)，著重考慮了時(shí)間冗余度對(duì)執(zhí)行情況的影響。

某個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的冗余時(shí)間為科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成到飛行周期結(jié)束的時(shí)間，而時(shí)間冗余度可表達(dá)如式（14）所示。

證明（反證法）：

假設(shè)一個(gè)最優(yōu)時(shí)間表S不是LPT 序的，則至少存在兩個(gè)相鄰的科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目j和k，科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目j在k之前執(zhí)行，但是tj＜tk。

假定科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在時(shí)間t之前開(kāi)始執(zhí)行，現(xiàn)在對(duì)這兩個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行鄰接互換操作，即交換科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目j和k的執(zhí)行順序，使得科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目k在j之前執(zhí)行（并且保持這兩個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之前和之后的其他科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的執(zhí)行次序不變），從而得到一個(gè)新的時(shí)間表。

在這兩個(gè)時(shí)間表中，僅有科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目j和k的執(zhí)行順序發(fā)生變化，其他科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的執(zhí)行次序不變，因此時(shí)間表與時(shí)間表的時(shí)間冗余度的差異如式（15）所示。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃進(jìn)行實(shí)證分析，具體分析影響規(guī)劃方案的具體因素和提升在軌設(shè)施利用率的措施，本研究以中國(guó)空間站建造期生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜的科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃為例?？臻g生命科學(xué)與生物技術(shù)方向主要支持的研究?jī)?nèi)容有空間重力生物學(xué)，空間輻射生物學(xué)，空間生物技術(shù)，空間生物再生生命支持系統(tǒng)研究，綜合、交叉與前沿探索研究以及創(chuàng)新的生物學(xué)分析和檢測(cè)技術(shù)等。生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜的系統(tǒng)組成有：通用生物培養(yǎng)模塊、小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、小型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K以及小型通用生物培養(yǎng)模塊，以及微生物檢測(cè)模塊等公共檢測(cè)類(lèi)模塊［23］。生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜的系統(tǒng)構(gòu)成有：細(xì)胞組織實(shí)驗(yàn)?zāi)K、蛋白質(zhì)結(jié)晶與分析模塊、專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)?zāi)K（未來(lái)會(huì)有核酸與蛋白模塊、生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K），以及可提供實(shí)驗(yàn)支持和光學(xué)檢測(cè)的細(xì)胞組織檢測(cè)與調(diào)控模塊［23］。任務(wù)的配置細(xì)節(jié)如表1 所示，共給出了17 個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的屬性，包括任務(wù)的編號(hào)、名稱(chēng)、涉及的實(shí)驗(yàn)柜、在軌實(shí)驗(yàn)所需的硬件資源、上行需求、下行需求和所需實(shí)驗(yàn)周期。

表1 空間生命科學(xué)與生物技術(shù)方向的科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)LPT 規(guī)則產(chǎn)生的規(guī)劃方案可見(jiàn)表2，可以明顯地看出，任務(wù)中第一個(gè)活動(dòng)的開(kāi)始時(shí)間為任務(wù)的最早開(kāi)始時(shí)間，非首個(gè)活動(dòng)的開(kāi)始時(shí)間則緊隨前一個(gè)活動(dòng)的結(jié)束時(shí)間。根據(jù)規(guī)劃方案，可以計(jì)算出各實(shí)驗(yàn)?zāi)K的在軌設(shè)施利用率。通用生物培養(yǎng)模塊利用率的上界為91.67%，小型通用生物培養(yǎng)模塊的上界為33.3%，小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的上界33.3%，小型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的上界為25%，蛋白質(zhì)結(jié)晶與分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K的上界為4.17%，細(xì)胞組織實(shí)驗(yàn)?zāi)K的上界為100%。通用生物培養(yǎng)模塊、小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、小型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、小型通用生物培養(yǎng)模塊、蛋白質(zhì)結(jié)晶與分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K、細(xì)胞組織實(shí)驗(yàn)?zāi)K分別占用4SPU、1SPU、1SPU、1SPU、1SPU、4SPU。在軌設(shè)施利用率的上界為71.88%。

表2 空間生命科學(xué)與生物技術(shù)方向科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃方案

3.3 結(jié)果分析

規(guī)劃設(shè)計(jì)因素對(duì)在軌設(shè)施利用率的影響較大。達(dá)到目前最大在軌設(shè)施利用率，需要上行質(zhì)量234.7 kg，需要下行質(zhì)量39.32 kg。由圖1 可以看出，當(dāng)上行質(zhì)量的約束從70%降至60%時(shí)，降低了超過(guò)10%的在軌設(shè)施利用率，其主要原因是，項(xiàng)目5 受約束影響不能執(zhí)行，影響了通用生物培養(yǎng)模塊的利用率，從而影響了整個(gè)在軌設(shè)施的利用率。

圖1 上行質(zhì)量約束對(duì)在軌設(shè)施利用率的影響程度

執(zhí)行突發(fā)因素對(duì)在軌設(shè)施利用率的影響較小。對(duì)于通用生物培養(yǎng)模塊與細(xì)胞組織實(shí)驗(yàn)?zāi)K，某一天產(chǎn)生突發(fā)情況而導(dǎo)致任務(wù)延期至下一天，只會(huì)降低在軌設(shè)施利用率0.56%；對(duì)于小型通用生物培養(yǎng)模塊、小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、小型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、蛋白質(zhì)結(jié)晶與分析實(shí)驗(yàn)?zāi)K，較低的在軌設(shè)施利用率使得規(guī)劃方案具有一定的魯棒性。然而，隨著實(shí)驗(yàn)征集與項(xiàng)目上行數(shù)量的增多，執(zhí)行突發(fā)因素會(huì)逐漸成為影響在軌設(shè)施利用率的重要約束。

空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)劃可以通過(guò)滿足項(xiàng)目與資源條件，提升空間站在軌資源利用率。為提升在軌設(shè)施利用率需要增加各項(xiàng)條件可見(jiàn)表3 與表4。使用時(shí)長(zhǎng)的提升對(duì)于空間站運(yùn)營(yíng)的影響是巨大的，這意味著需要對(duì)在軌資源進(jìn)行拓展，例如相應(yīng)的功率、散熱、航天員工時(shí)以及設(shè)備工時(shí)都需要得到保障。同時(shí)，提升在軌資源利用率也需要提升空間站的上下行能力，以保障進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的樣品能夠順利地到達(dá)空間站和返回地面?？梢詮谋? 與表4 看出，隨著在軌設(shè)施利用率的提升，所需的項(xiàng)目與資源條件也更為苛刻。

表3 在軌設(shè)施利用率對(duì)應(yīng)新增項(xiàng)目數(shù)量 單位：個(gè)

表4 在軌設(shè)施利用率對(duì)應(yīng)所需在軌資源條件

為發(fā)揮空間站應(yīng)用資源條件的最大效能，科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在發(fā)射入軌前應(yīng)進(jìn)行充分的地面培育，而對(duì)培育項(xiàng)目池的規(guī)劃也是空間站任務(wù)管理的重要工作。中國(guó)空間站計(jì)劃每年征集一次科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。征集的科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)項(xiàng)目情況，部分直接進(jìn)行立項(xiàng)，剩余項(xiàng)目需要進(jìn)一步培育。至次年，需要再次征集科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)，部分去年的培育項(xiàng)目達(dá)到立項(xiàng)要求，可立項(xiàng)。根據(jù)建造期實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的規(guī)劃方案結(jié)果，此飛行周期實(shí)際開(kāi)展了12 個(gè)生物生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)生物方向科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜可支持的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量進(jìn)行估算，空間站每年可支持開(kāi)展約24 個(gè)生物生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。假設(shè)首年立項(xiàng)率為40%，次年立項(xiàng)率為50%，項(xiàng)目池規(guī)劃如表5 所示。

表5 空間生物方向項(xiàng)目池規(guī)劃 單位：個(gè)

4 結(jié)論

為了充分利用空間站在軌資源，高效執(zhí)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有效提升在軌設(shè)施利用率，本研究考慮了規(guī)劃設(shè)計(jì)因素與執(zhí)行突發(fā)因素對(duì)在軌設(shè)施利用率的影響，構(gòu)建了空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃模型，創(chuàng)新地將目標(biāo)函數(shù)與約束條件分別討論，適用于受到各種影響因素變化且約束條件來(lái)源于多個(gè)單位或部門(mén)的情況。使用LPT 規(guī)則設(shè)計(jì)了項(xiàng)目規(guī)劃方案，使科學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)劃方案的時(shí)間冗余度達(dá)到最大值，使方案更具有容錯(cuò)能力。案例分析顯示，本研究采用的規(guī)劃方法既分析了各因素對(duì)規(guī)劃方案的影響，又為在軌設(shè)施利用率的大幅提升提供方案。本研究所提出的規(guī)劃方法可應(yīng)用于空間站在軌資源擴(kuò)展、上下行能力提升以及地面項(xiàng)目培育等方面，在空間站效率優(yōu)化方面具有一定實(shí)踐意義。