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A Multi-objective Memetic Approach for Time-dependent Agile Earth Observation Satellite Scheduling Problem
Computers & Industrial Engineering ( IF 6.7 ) Pub Date : 2021-07-03 , DOI: 10.1016/j.cie.2021.107530
Luona Wei 1 , Lining Xing 1 , Qian Wan 2 , Yanjie Song 1 , Yingwu Chen 1
Affiliation  

The multi-objective agile earth observation satellite scheduling problem (MO-AEOSSP) aims to schedule tasks from a set of candidate requests, optimizing multiple criteria simultaneously. In this study, a specific bi-AEOSSP under the multi-orbit scenario is formed by considering the failure rate and the load balance degree as the two objectives to be optimized as well as the time-dependent transition time. Owing to the time-dependent transition time, bidirectional propagated changes may occur by even a slight modification of an observation. A multi-objective memetic approach considering time-dependent transition time (called MOMA-TD) is proposed to address the time-dependent characteristics and NP-hardness. The MOMA-TD combines the multi-objective memetic algorithm (MOMA) with problem-specific crossover, mutation, and local search operators to improve the efficiency and to enhance the exploitation. The highlights of this study are as follows: 1) the proposal of a MOMA-based framework for addressing the time-dependent MO-AEOSSP; 2) the design of two problem-specific crossover operators and a time-dependent local search operator. A domination-based MOMA-TD (D-MOMA-TD) and an indicator-based MOMA-TD (I-MOMA-TD) are examined and compared with several classical algorithms: NSGA-II, MOEA/D, IBEA, SPEA2. Experimental results on 5 different multi-orbit scenarios show that the MOMA-TDs outperform the comparative methods in terms of convergence, solution quality and distribution, providing the time-dependent MO-AEOSSP with a much more practical and appliable approach.



中文翻译:

时变敏捷地球观测卫星调度问题的多目标模因方法

多目标敏捷地球观测卫星调度问题(MO-AEOSSP)旨在从一组候选请求中调度任务,同时优化多个标准。本研究将故障率和负载均衡度作为两个优化目标,以及瞬态过渡时间,形成多轨道场景下特定的bi-AEOSSP。由于时间相关的过渡时间,即使对观察进行轻微的修改,也可能发生双向传播的变化。提出了一种考虑时间相关转换时间(称为 MOMA-TD)的多目标模因方法来解决时间相关特性和 NP 硬度。MOMA-TD 将多目标模因算法 (MOMA) 与特定问题的交叉、变异、和本地搜索运营商,以提高效率和加强开发。本研究的重点如下: 1)提出了一个基于 MOMA 的框架来解决时间依赖的 MO-AEOSSP;2) 两个特定问题的交叉算子和一个时间相关的局部搜索算子的设计。检查了基于支配的 MOMA-TD (D-MOMA-TD) 和基于指标的 MOMA-TD (I-MOMA-TD),并与几种经典算法进行了比较:NSGA-II、MOEA/D、IBEA、SPEA2。在 5 个不同的多轨道场景上的实验结果表明,MOMA-TD 在收敛性、解质量和分布方面优于比较方法,为时间相关的 MO-AEOSSP 提供了一种更加实用和适用的方法。1) 提出一个基于 MOMA 的框架来解决与时间相关的 MO-AEOSSP;2) 两个特定问题的交叉算子和一个时间相关的局部搜索算子的设计。检查了基于支配的 MOMA-TD (D-MOMA-TD) 和基于指标的 MOMA-TD (I-MOMA-TD),并与几种经典算法进行了比较:NSGA-II、MOEA/D、IBEA、SPEA2。在 5 个不同的多轨道场景上的实验结果表明,MOMA-TD 在收敛性、解质量和分布方面优于比较方法,为时间相关的 MO-AEOSSP 提供了一种更加实用和适用的方法。1) 提出一个基于 MOMA 的框架来解决与时间相关的 MO-AEOSSP;2) 两个特定问题的交叉算子和一个时间相关的局部搜索算子的设计。检查了基于支配的 MOMA-TD (D-MOMA-TD) 和基于指标的 MOMA-TD (I-MOMA-TD),并与几种经典算法进行了比较:NSGA-II、MOEA/D、IBEA、SPEA2。在 5 个不同的多轨道场景上的实验结果表明,MOMA-TD 在收敛性、解质量和分布方面优于比较方法,为时间相关的 MO-AEOSSP 提供了一种更加实用和适用的方法。检查了基于支配的 MOMA-TD (D-MOMA-TD) 和基于指标的 MOMA-TD (I-MOMA-TD),并与几种经典算法进行了比较:NSGA-II、MOEA/D、IBEA、SPEA2。在 5 个不同的多轨道场景上的实验结果表明,MOMA-TD 在收敛性、解质量和分布方面优于比较方法,为时间相关的 MO-AEOSSP 提供了一种更加实用和适用的方法。检查了基于支配的 MOMA-TD (D-MOMA-TD) 和基于指标的 MOMA-TD (I-MOMA-TD),并与几种经典算法进行了比较:NSGA-II、MOEA/D、IBEA、SPEA2。在 5 个不同的多轨道场景上的实验结果表明,MOMA-TD 在收敛性、解质量和分布方面优于比较方法,为时间相关的 MO-AEOSSP 提供了一种更加实用和适用的方法。

更新日期:2021-07-12
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