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基于Agent的自主多卫星系统建模与仿真应用研究

作　者: 李昊
导　师: 戴金海
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 基于Agent的建模与仿真离散-连续组合仿真自主多卫星系统建模与仿真应用仿真软件校验、确认与鉴定验收系统效能评估
分类号: TP391.9
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 454次
引　用: 3次
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内容摘要

随着以小卫星技术为核心的诸多现代航天科学技术的发展,航天领域正经历着一场巨大的变革,自主多卫星系统(AMSS,Autonomic Multi-Satellite System)在给人们带来诸多方便的同时,也向人们提出了挑战。AMSS可被看成一类既包含物理属性、又包含事理属性的复杂适应系统(CAS,Complex Adaptive System),对CAS的分析和评估无法在传统解析方法和普通仿真方法的基础上开展,必须寻求新的研究手段。为此,本文提出了以基于agent的建模与仿真(ABMS,Agent-Based Modeling andSimulation)方法为核心的一套完整的建模与仿真(M&S,Modeling and Simulation)应用方法论,以解决对AMSS的M&S应用研究和效能评估问题,主要内容包括:(1)从当前AMSS分布化和自主化两大发展趋势出发,在分析综合大量ABMS应用研究最新成果的基础上,详细总结了ABMS的基本概念、基本理论和基本方法,论证了使用ABMS研究AMSS的必要性、可行性及实现的基本策略。(2)由于ABMS源自生物生态学和社会科学领域,因此对以微分/差分方程为主要模型的动力学系统的分析描述能力比较欠缺。针对ABMS这一不足,选择另一种先进的M&S方法——离散-连续组合仿真(CDCS,Combined Discrete-ContinuousSimulation)与ABMS综合应用;以二者为基础,提出一种新的M&S方法:基于Agent的离散-连续组合仿真方法(ABCDCS,Agent-Based CDCS),并对其agent模型的行为逻辑进行了深入、全面的分析。(3)AMSS的自主性是使用ABMS方法进行研究的必要条件。为此,对AMSS的自治性和自主性进行了深入的研究,建立了支持AMSS自主性实现的AMSS体系结构,提出了AMSS自主性实现的策略和方法,介绍了支持AMSS自主性实现的技术,并建立了一个用于演示AMSS自主性实现的想定案例。(4)以对AMSS的自主性研究为基础,分析了AMSS的功能行为属性,并提出一套适用于AMSS的agent智能模型:扩展的信念-愿望-意图模型(E-BDI,ExtendedBelief-Desire-Intention)。以星上组件为基本模型单元,建立了卫星各分系统的元agent模型,通过契约将这些agent聚集成卫星agent模型,同时建立了地面系统的元agent模型。进而在上述卫星系统agent模型体系的基础上,提出了对模型的分布性和自主性扩展。最后,为演示所建立agent模型体系的具体实现,构建了两个具有代表性的应用案例:激光卫星电源分系统分析仿真和火灾监视多卫星系统应用仿真。(5)根据对所建立AMSS的agent仿真模型体系在计算机上实现的需要,开展了AMSS ABMS实现技术的研究。首先,对当前航天领域的仿真软件和支持ABMS应用研究的仿真软件等进行了深入分析,讨论了对Matlab/Simulink和STK进行集成的局限性,剖析了ObjectAgent、Swarm、Repast和JADE等软件的源代码,并在作者所改写的simlib软件包的基础上独立开发了一个支持AMSS ABMS研究的软件平台:absimlib。Absimlib以面向对象技术和中间件技术为主要的技术基础,实现了支持AMSS ABMS研究的主要功能,并实现了向分布式仿真环境的扩展。(6)在总结传统M&S应用校验、确认与鉴定验收(VV&A,Verification,Validation,and Accreditation)方法论的基础上,详细分析了ABMS应用的VV&A的重点和难点及实现的策略和步骤,针对AMSS ABMS应用对VV&A的实现开展了研究,并结合内容(4)中激光卫星电源分系统仿真的例子进行了对VV&A实现的演示。(7)在系统效能分析法(SEA,System Effectiveness Analysis)的基础上,提出一种新的基于ABMS进行复杂系统效能评估的方法:ABMS支持下的SEA(ABMSEA,ABMS Supported SEA)。此方法打破了SEA以还原论为基础的局限性,突破了对使命建模困难的瓶颈,支持对包括AMSS在内的大多数复杂系统的效能评估。为了演示ABMSEA的应用实现,针对内容(4)两个AMSS的例子开展了效能评估研究。此外,本文所涉及的三个AMSS的例子,对未来为适应空间对抗而制定空间力量部署的决策具有一定参考价值。

全文目录

缩略语  13-15
摘要  15-17
ABSTRACT  17-19
第一章绪论  19-43
  1.1 仿真研究卫星系统所面临的新挑战  19-21
    1.1.1 来自卫星系统本身的挑战  19-20
    1.1.2 来自建模与仿真方法学的挑战  20-21
    1.1.3 来自系统评估的挑战  21
    1.1.4 小结  21
  1.2 基于Agent的建模与仿真  21-28
    1.2.1 背景:复杂适应系统理论  22-24
    1.2.2 Agent与多Agent系统  24-26
    1.2.3 ABMS的内容和步骤  26-27
    1.2.4 开展ABMS应用研究的误区和陷阱  27
    1.2.5 支持ABMS的方法和技术  27-28
    1.2.6 ABMS支持下的系统评估方法  28
    1.2.7 小结  28
  1.3 相关领域研究现状的综述  28-36
    1.3.1 Agent技术与ABMS  29-31
    1.3.2 航天领域的自主性研究  31-33
    1.3.3 航天领域的建模与仿真应用研究  33-34
    1.3.4 系统评估理论与方法研究  34-35
    1.3.5 其它相关领域的研究  35-36
  1.4 ABMS对卫星系统的应用  36-38
    1.4.1 卫星系统仿真研究和应用中存在的缺点和不足  36-37
    1.4.2 使用ABMS研究多卫星系统  37-38
  1.5 论文的研究内容、组织结构和主要贡献  38-43
    1.5.1 论文研究的主要问题  38-39
    1.5.2 论文的具体研究内容和组织结构  39-42
    1.5.3 论文的主要贡献  42-43
第二章基于Agent的离散-连续组合仿真  43-61
  2.1 引言  43-44
  2.2 离散-连续组合仿真  44-48
    2.2.1 CDCS模型规范的形式化表示  44-45
    2.2.2 CDCS中的事件与事件图法  45-47
    2.2.3 CDCS的仿真驱动算法  47-48
  2.3 Agent技术支持下的离散-连续组合仿真  48-54
    2.3.1 对模型规范的扩展  49-51
    2.3.2 对事件类型的扩展  51-52
    2.3.3 对仿真驱动机制的扩展  52-54
  2.4 对ABCDCS中Agent的行为逻辑分析  54-59
    2.4.1 对传统CDCS中模型的逻辑分析  54-56
    2.4.2 对ABCDCS中扩展成分的逻辑分析  56-59
  2.5 本章小结  59-61
第三章多卫星系统自主性的分析与实现研究  61-86
  3.1 引言  61
  3.2 对自主性的认识  61-64
    3.2.1 来自计算机科学的认识  62-63
    3.2.2 航天领域对自主性认识的补充  63-64
  3.3 支持自主性实现的多卫星系统体系结构  64-69
    3.3.1 单卫星系统的自主体系结构  64-66
    3.3.2 多卫星系统的自主体系结构  66-69
  3.4 多卫星系统自主性实现的策略与方法  69-77
    3.4.1 卫星系统的动作原语  69-72
    3.4.2 多卫星系统的活动  72-73
    3.4.3 多卫星系统的规划与调度  73-75
    3.4.4 多卫星系统的任务获取与分解  75-76
    3.4.5 星上故障检测、诊断与修复  76-77
  3.5 支持多卫星系统自主性实现的技术  77-81
  3.6 自主多卫星系统应用举例:航天母星战斗群  81-84
    3.6.1 研究动机  81-82
    3.6.2 系统描述  82
    3.6.3 关键支持技术  82-83
    3.6.4 一个作战想定:子星防御机动与恢复  83-84
    3.6.5 自主性分析  84
  3.7 本章小结  84-86
第四章基于Agent的自主多卫星系统功能行为仿真建模  86-122
  4.1 引言  86-87
  4.2 多卫星系统的功能行为和功能结构  87-90
    4.2.1 系统的功能行为  87-89
    4.2.2 卫星系统的功能行为  89
    4.2.3 卫星系统的功能结构  89-90
    4.2.4 向自主多卫星系统的扩展  90
  4.3 面向系统功能行为的Agent智能模型结构  90-94
    4.3.1 BDI模型  91
    4.3.2 BDICC模型  91-92
    4.3.3 E-BDI模型  92-94
  4.4 基于Agent的卫星系统功能行为模型体系  94-108
    4.4.1 轨控分系统的Agent模型  96-99
    4.4.2 姿控分系统的Agent模型  99-100
    4.4.3 通信分系统的Agent模型  100-102
    4.4.4 指令与数据处理分系统的Agent模型  102-103
    4.4.5 热控分系统的Agent模型  103-104
    4.4.6 电源分系统的Agent模型  104-105
    4.4.7 有效载荷的Agent模型  105-107
    4.4.8 契约:卫星系统Agent模型的整体性分析  107-108
    4.4.9 地面系统的Agent模型  108
  4.5 卫星系统Agent模型体系的分布性和自主性扩展  108-110
    4.5.1 分布性扩展  109
    4.5.2 自主性扩展  109-110
  4.6 应用举例  110-120
    4.6.1 激光卫星电源分系统仿真  110-117
    4.6.2 火灾监视多卫星系统仿真  117-120
  4.7 本章小结  120-122
第五章自主多卫星系统ABMS的软件实现  122-140
  5.1 引言  122-124
  5.2 对现有软件平台的分析与比较  124-132
    5.2.1 航天领域的仿真软件  124-126
    5.2.2 支持ABMS的软件  126-129
    5.2.3 其它相关的仿真软件  129-132
  5.3 支持自主多卫星系统ABMS的实现技术  132-135
    5.3.1 面向对象技术  132-133
    5.3.2 中间件技术  133-134
    5.3.3 二者的结合  134-135
  5.4 一个支持自主多卫星系统ABMS的平台:absimlib  135-138
    5.4.1 模型库  135-136
    5.4.2 仿真程序的运行  136-137
    5.4.3 用户界面  137-138
  5.5 Absimlib的分布式扩展  138-139
  5.6 本章小结  139-140
第六章自主多卫星系统ABMS应用的VV&A  140-151
  6.1 引言  140
  6.2 建模与仿真应用的VV&A  140-146
    6.2.1 对M&S应用VV&A的简要介绍  140-142
    6.2.2 通用的M&S应用VV&A体系  142-144
    6.2.3 M&S应用可信度指标的建立与评价  144-145
    6.2.4 小结  145-146
  6.3 ABMS应用的VV&A  146-148
    6.3.1 重点和难点分析  146
    6.3.2 实施策略及步骤  146-148
  6.4 ABMS对自主多卫星系统应用的VV&A  148-150
    6.4.1 对独立Agent模型的VV&A  148-149
    6.4.2 对整个模型系统VV&A的探讨  149-150
  6.5 本章小结  150-151
第七章 ABMS支持下对自主多卫星系统的效能评估  151-169
  7.1 引言  151-152
  7.2 系统的效能及其相关概念  152-153
  7.3 系统评估方法  153-158
    7.3.1 系统评估所用的一般方法  153-155
    7.3.2 系统效能分析法  155-158
  7.4 ABMS支持下的系统效能分析法  158-160
    7.4.1 SEA中可直接以ABMS应用为支持的部分  158
    7.4.2 SEA中需根据ABMS应用进行修改的部分  158-159
    7.4.3 ABMSEA形式化表示和实施步骤  159-160
  7.5 ABMSEA对自主多卫星系统的应用  160-168
    7.5.1 ABMSEA对AMSS评估应用的特点和主要过程  161-162
    7.5.2 应用举例1:激光卫星系统效能评估  162-163
    7.5.3 应用举例2:火灾监视多卫星系统效能分析  163-168
  7.6 本章小结  168-169
第八章总结与展望  169-173
  8.1 工作总结  169-170
  8.2 对未来工作的预测和建议  170-173
致谢  173-174
参考文献  174-188
作者在学期间取得的学术成果  188-190
附录分布式事件表的IDL代码  190

基于Agent的自主多卫星系统建模与仿真应用研究

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