一种无人水面艇多约束任务调度方法、电子设备、计算机可读存储介质及程序产品

本发明涉及智能化任务分配，特别是涉及一种无人水面艇多约束任务调度方法、电子设备、计算机可读存储介质及程序产品。

背景技术：

1、在实际巡检过程中，无人水面艇执行海上风电场巡检任务受到任务时间窗、任务类型、优先级、服务时间、航行能耗和续航能力等多种因素的约束，现有技术主要关注最短路径和最低航行成本，难以保证关键任务优先执行，而且难以反映等待成本、服务成本、航行成本和延迟惩罚成本等因素。此外现有技术的局部搜索能力不足，调度稳定性弱，存在容易陷入局部最优问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种无人水面艇多约束任务调度方法，以解决现有技术难以在最短路径和最低航行成本的前提下保证关键任务优先执行，以及存在局部搜索能力弱，容易陷入局部最优的问题。还提供一种电子设备、计算机可读存储介质及程序产品。

2、本发明的技术方案如下：一种无人水面艇多约束任务调度方法，包括以下步骤：

3、步骤1、输入无人水面艇的初始状态和任务属性，通过整数排列编码方式生成无重复的执行序列作为初始种群；

4、步骤2、对所述初始种群的个体进行解码，然后采用基于任务累计待调度时长的动态优先级更新机制，确定待执行任务在当前调度时刻的动态优先级，并校验硬约束和通过柔性时间窗扩展机制调整软约束，计算所述初始种群的个体的适应度，通过快速非支配等级排序和拥挤度计算对个体的优劣进行评定，并记录帕累托前沿，所述柔性时间窗拓展机制是根据任务优先级放宽关键任务的可执行区间，所述硬约束包括访问唯一性约束、能源约束、时间连续性约束、初始与终止约束，所述软约束为时间窗约束，所述适应度以总成本与总耗时为评价指标，所述总成本包括延迟惩罚成本，所述惩罚成本基于惩罚函数进行计算，所述惩罚函数是根据所述时间窗约束进行计算，所述精英档案为独立于当前种群保存的外部精英集合；

5、步骤3、迭代循环，对父代种群的个体进行交叉和变异生成子代种群；

6、步骤4、将所述父代种群与所述子代种群合并形成候选集合，对所述候选集合进行非支配排序，提取本代非支配解与所述精英档案中已有解进行合并，删去合并集合中的被支配解和重复解，将剩余非支配解写回所述精英档案，更新全局帕累托前沿；

7、步骤5、当达到最大迭代次数，输出全局帕累托前沿解集，对所述全局帕累托前沿中的解进行任务执行顺序逆转的2-opt局部搜索和优先级启发式互换策略，所述优先级启发式互换策略是将延迟高优先级任务与前置低优先级任务互换，从所述帕累托前沿中选择最优个体，解码输出最优调度方案。

8、进一步地，所述步骤2中的所述延迟惩罚成本的计算公式为：

9、，

10、其中，为所述惩罚函数，采用五段式非线性模型，根据到达时间与时间窗的相对位置，施加不同强度的惩罚，为任务的实际到达时刻；为任务经优先级调整后的时间窗，为任务在到达时刻的动态优先级，为任务的任务类型。

11、进一步地，所述步骤2中的所述惩罚函数的计算公式为：

12、，

13、其中，为实际到达时间，为经过优先级调整后任务的最优时间窗，为任务的当前动态优先级，为任务类型，为延迟时长，为时间窗长度，为机会成本基准值，单位为元/h，表示时间窗起点，为提前到达情形下对应的惩罚系数，为轻度延迟情形下对应的惩罚系数，为中度延迟情形下对应的惩罚系数，为严重延迟情形下对应的惩罚系数，为机会成本基准值，表示由任务类型与当前优先级共同决定的综合权重函数，为延迟时长，为中度延迟对应的固定附加惩罚，为严重延迟对应的固定附加惩罚。

14、进一步地，所述步骤2中的所述柔性时间窗扩展机制经过调整后的时间窗计算公式为：

15、，

16、其中，表示任务i在当前优先级下的调整后时间窗，表示原始时间窗起始时刻，表示原始时间窗结束时刻，表示时间窗扩展比例，表示原始时间窗长度。

17、进一步地，所述步骤2中的所述总成本是通过航行燃料成本、航行时间成本、等待成本、服务作业成本和所述延迟惩罚成本累加计算所得，所述总耗时计算是通过各段航行时间之和、各任务等待时间之和、各任务服务时间之和累加所得。

18、进一步地，所述航行燃料成本的计算公式为：

19、，

20、其中，为相邻任务点或母港之间的欧氏距离，单位为米，为单位距离航行成本系数，

21、所述航行时间成本的计算公式为：

22、,

23、其中,为单位时间的维护成本系数，

24、所述等待成本的计算公式为：

25、

26、其中，为怠速能源成本，为等待维护成本，为机会成本，表示任务πj在相应到达时刻的动态优先级，用于表征任务紧迫度对等待机会损失的放大作用，1.5为优先级缩放系数，用于调节动态优先级在等待机会成本中的权重作用。

27、所述服务作业成本的计算公式为：

28、，

29、其中，为任务的服务时长，为单位服务时间的基础成本系数，为任务类型系数。

30、进一步地，所述步骤2中的所述动态优先级更新机制的计算公式为：

31、，

32、其中，为任务i在解码过程中对该任务进行时序评估时的当前调度时刻t所对应的动态优先级，为任务的基准优先级，为任务释放时刻，为任务时间窗长度，为任务类型对应的优先级增长系数，为优先级上限，为防止分母为零的小常数，t为当前调度时刻。

33、本发明的另一技术方案为：一种电子设备，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

34、其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述的无人水面艇多约束任务调度方法。

35、本发明的又一技术方案为：一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于使处理器执行时实现前述的无人水面艇多约束任务调度方法。

36、本发明的再一技术方案为：一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现前述的无人水面艇多约束任务调度方法。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

38、通过动态优先级更新机制和柔性时间窗扩展机制，高优先级任务准时率可提升至90%以上，总成本相较传统算法降低约30%-40%，惩罚占比明显下降，减少调度总成本，同时结合2-opt局部搜索，可以使任务执行周期缩短，减少等待与冗余航程，减少任务总耗时，通过多目标优化与局部优化相结合，使解集更加稳健，提升调度稳定性。

1.一种无人水面艇多约束任务调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种无人水面艇多约束任务调度方法，其特征在于，所述步骤2中的所述延迟惩罚成本的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的一种无人水面艇多约束任务调度方法，其特征在于，所述步骤2中的所述惩罚函数的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的一种无人水面艇多约束任务调度方法，其特征在于，所述步骤2中的所述柔性时间窗扩展机制经过调整后的时间窗计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种无人水面艇多约束任务调度方法，其特征在于，所述步骤2中的所述总成本是通过航行燃料成本、航行时间成本、等待成本、服务作业成本和所述延迟惩罚成本累加计算所得，所述总耗时计算是通过各段航行时间之和、各任务等待时间之和、各任务服务时间之和累加所得。

6.根据权利要求5所述的一种无人水面艇多约束任务调度方法，其特征在于，所述航行燃料成本的计算公式为：

7.根据权利要求1所述的一种无人水面艇多约束任务调度方法，其特征在于，所述步骤2中的所述动态优先级更新机制的计算公式为：

8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至7中任意一项所述的一种无人水面艇多约束任务调度方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至7任一项所述的一种无人水面艇多约束任务调度方法。