针对行星际供应链规划
随机建模方法
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针对行星际供应链规划 随机建模方法  近年来，人类太空旅行的展望逐步扩展到外太空，特别是火星。这种历史上罕见的利益联盟是太空领域进步的有力驱动，这让人类在火星上永久存在的愿景比以往任何时候都更加切实可行。 不同于独立航天项目倾向于要求航天器携带任务期间所需的所有资源，在另一个星球上维持基地的永久运行给太空物流带来了全新的挑战。因此我们需要一种全新的太空物流范式，即星际供应链（ISC）。在Space: Science & Technology (《空间科学与技术（英文）》)新发表的文章中，来自奥地利因斯布鲁克大学的Gregor Blossey研究员将供应链规划的原则和方法引入太空物流领域，并且提出了一个整体供应链模型，从物流的角度探索人类在火星上永久存在的愿景。 首先，作者给出了问题范围和理论基础。本文考虑的星际供应链（ISC）网络是一个分层的网络，其中的节点表示两层之间的交互点。这两个相互作用的网络分别是负责将货物从地球运送到火星的Primary Network (PN) 和负责沿途推进剂供应的Secondary Network (SN)。它们共享相同的节点，但根据各自不同的用途组成不同的弧线。这些节点定义有表面节点（天体，即产生供应和需求的位置）、轨道节点（可从表面节点访问的相对稳定的轨道）、拉格朗日点（在轨基础设施的潜在位置）、以及辅助节点（充当集群间传输门户的LTO和DTO）。推进剂消耗通过一个直接从火箭方程推导出来的推进剂质量函数表示。    然后，作者具体阐述了多阶段随机规划（MSP）模型。针对ISC规划问题，该MSP模型将火星基地的需求考虑为不确定性的来源，这一不确定性通过随机变量表示，随机变量遵循指定的概率分布。其中，场景集——本质上是原始概率分布的离散近似——使MSP能够反映多个时间点的不确定性。 MSP模型中还区分了两类决策变量：(1) 战略性的场景无关变量；(2) 战术上的场景相关变量。前者代表在不确定性显现之前必须做出的决定，且在整个计划范围内不能更改；后者则是在获悉不确定参数具体化之后做出的判断，且可以随着时间的推移进行调整。在此基础上，作者构建了多阶段随机MILP模型，其目标函数为使得总发射质量（TLM）最小化。  航天器、有效载荷和推进剂在PN中的流动，推进剂在SN中的流动，以及其他约束条件也被详细阐述。  之后，作者讨论了数值仿真结果。在仿真中，所考虑的规划阶段包括6个地球年，共分为24个周期，每个周期3个月。任务需求受火星上恶劣季节条件的影响，被假设为季节性的，但需求仅从第9个周期开始出现。根据Hahn和Kuhn的方法，不同情景和周期下的季节性需求可按照式(22)计算。
其中，场景系数从基线情景中产生场景的个数，当 ἰ = Mars 时需求的基准水平评估为吨dbase = 50，其余项通过设置振幅为amp=0.1的谐波振荡从需求基数生成季节性需求。为了考虑模型中的不确定性，生成了一组离散的场景，其中每个场景均包括每个不确定参数的离散实现，这些参数被包含在Eq. (22)中的场景因子ft,x中，并由Hoyland等人提出的矩匹配场景生成启发式算法实现。整个随机MILP模型由564726个约束、19225个整数变量和76268个连续变量组成，并由IBM ILOG CPLEX Optimization Studio v20.1.0计算。 关于总发射质量的基准情况的结果表明，空间基础设施的安装占总发射质量的37%以上，原位资源利用设施和在轨仓库占据大致相等的部分。在计划范围内支撑火星基地所需的推进剂大约是干质量（不包含航空器附件或附加设备）的170倍。任务在某种程度上是分开的，一些航天器负责货物主体，而另一些则从在轨仓库取来推进剂。原位资源利用设施设置在所有行星卫星上，即月球、火卫一和火卫二，而仓库则建立在L2、LDO和LMO；同时，在轨仓库储存推进剂的能力可以减少这些昂贵的原位资源利用工厂的规模。为探讨技术进步对航天推进网络的影响，对所使用推进系统的有效载荷容量（capQ）、推进剂容量（capP）和比冲（Isp）进行了灵敏度分析。增加capQ的影响最小，但却会导致TLM的稳步下降。capP的增加也会产生类似的轨迹，但下降趋势表现更为陡峭。Isp值的增加对TLM的影响最大。对基础设施决策的最大影响还是来自Isp的变化，原位资源利用设施和在轨仓库的规模都随Isp增加而指数下降。如结果所示，推进系统的改进可能是使ISC成为现实的关键。此外，结果还表明，增加可用的原位资源利用位置可以大大提高ISC的效率。  最后，作者给出了总结。本文在需求不确定的情况下，建立了一个集生产分配和空间基础设施配置决策于一体的随机多阶段MILP模型。该模型考虑了一个由PN和SN组成的分层网络结构，其中PN和SN分别负责货物和推进剂供应。为了验证该模型，作者基于NASA轨迹浏览器计算的地球-火星转移窗口和飞行轨迹的真实数据构建了案例研究。数值结果表明：1）一种劳动分工的方法经常被应用，其中一些航天器携带大部分有效载荷，而另一些航天器从在轨仓库获取推进剂，以供应整个舰队；2）从地球一起发射的航天器采用不同的转移轨迹以分散它们的到达时间，有效降低火星集群中原位资源利用设施和在轨仓库的规模；3）推进技术的进步将极大地影响最优网络设计，而其他航天器性能的进步影响较小；4）可用的原位资源利用设施选址极大地影响了最优解，这表明在其他天体上制造推进剂的技术能力是高效ISC的关键。总体而言，所提出的模型提供了有价值的见解，并扩展了空间物流规划的可能性。 文章信息 文章链接： https://spj./doi/10.34133/space.0014 引用信息： Blossey, G. A Stochastic Modeling Approach for Interplanetary Supply Chain Planning. Space Sci. Technol. 2023;3:Article 0014. https:///10.34133/space.0014 官网链接： https://spj./journal/space |
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