水面無人艇任務規劃系統分析

馬向峰，韓 瑋，謝楊柳

(中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094)

0 引 言

水面無人艇[1-2]是一種無人操作的水面艦艇，能夠通過自主規劃進行自主航行，并且能夠采用自主方式或人工干預方式完成多種任務，主要用于執行危險及不適于有人船只執行的任務，提高作戰效能的同時也降低了作戰人員的傷亡。通過環境感知、自主控制、信息傳輸與任務載荷作用等多個環節，可執行多種任務。水面無人艇能在非結構化的、不確定性的海洋環境下執行包括情報偵察、海洋調查、中繼通信、警戒巡邏、反水雷、火力打擊、信息對抗等多種任務，任務規劃系統是其非常重要的組成部分。

無人艇的任務規劃系統能根據預設任務進行規劃，可輸出執行該任務的任務序列，而且能對在海洋調查等任務執行過程中遇到的突發事件進行有效分析并實時調整策略。任務規劃在一定程度上標志著無人艇的智能水平，是進行決策和規劃的關鍵組件，科學合理的任務規劃能夠最大限度發揮無人艇集群的任務執行能力。

1 任務規劃系統概念及現狀

任務規劃是對周圍環境進行分析后，根據預定目標，對可選擇的動作及所提供的資源限制進行推理，綜合制定出實現目標的動作序列。以美國為例，在軍事領域的起源來自于“軍用飛行器”，到目前為止經歷了原始階段，起步階段，集約階段和擴張階段[3-5]。

在未來的軍事應用中，高精尖的武器設備會更加信息化、隱身化、智能化、無人化、輕量化，其中典型的代表就是水面無人艇。無人艇具有良好的隱蔽性能、輕便靈巧的艇體，并且可以減少戰場對作戰人員的直接傷害。無人艇的任務規劃技術則是影響其作戰效能的重要因素。

水面無人艇根據電子海圖和接受的上級任務首先進行全局規劃，任務規劃模塊在任務信息、海圖信息、探測目標信息、環境信息、水文氣象信息、接受外界信息的綜合影響下，生成無人艇執行機構的執行動作序列。在任務執行的過程中，任務規劃模塊會根據實時的任務返回信息、當前的環境目標信息與突發情況進行任務規劃序列的調整，并會根據新的任務指示進行任務間的協調[6-7]。

無人艇單艇任務規劃是為了在無人艇最優航行線路的基礎上，規定搭載任務載荷的任務執行動作，完成上級下發的指定任務。同時，任務規劃生成的任務執行序列要滿足安全性約束、平臺機動能力約束、載荷設備性能約束、通信能力約束、傳感器探測能力約束、環境條件約束等要求。無人艇多艇集群任務規劃重點研究如何使任務目標合理分解到單艇，充分發揮單艇的最大優勢，保證多艇間安全、高效的執行相應任務[8 - 11]。

2 任務規劃系統類型劃分

水面無人艇任務規劃系統分類主要包括執行任務類型、執行規劃設備屬性與任務階段3 個方面。

圖 1 任務規劃類型劃分Fig.1 Task planning type division

2.1 按照執行任務類型劃分

水面無人艇任務規劃主要針對不同任務類型進行規劃。

水面無人艇的任務類型主要包括情報偵察、海洋調查、中繼通信、警戒巡邏、反水雷、火力打擊、信息對抗等七大類，其中各任務類型中可詳細分為多個典型任務，任務規劃則需要根據具體的典型任務類型給出不同的策略和任務規劃方案。任務規劃模塊可在任務執行前和任務執行中根據不同的任務類型和預設、探測到的典型目標進行單艇或無人艇集群的任務規劃。其中編隊協同任務規劃包含各執行節點無人艇與母艦協同規劃以及預先規劃的各節點無人艇任務分配，單艇任務規劃則是分解分配到的任務，得到任務執行序列。

2.2 按照執行規劃的設備屬性劃分

從執行任務規劃的設備屬性方面將任務規劃分為航行路徑規劃和任務載荷規劃。航行路徑規劃的主要目的是保證平臺狀態可以滿足任務載荷有效工作的要求，任務載荷規劃的主要目的是在任務執行過程中的不同階段為任務載荷設備提供執行動作方案。除此之外的通信鏈路規劃、系統應急響應規劃等可以劃分至航行路線規劃和任務載荷規劃范圍內。

2.3 按照作戰任務階段劃分

任務規劃可分為任務分析、規劃方案生成、規范推演及效能評估、方案下達及任務執行、任務執行中實時規劃，以及在線重新規劃等具體規劃過程。

其中任務執行中實施規劃主要是無人艇根據實時外部情況，對航行路線的自主規劃。在線重新規劃則由于外部實時情況比預計規劃方案變化較多，需要在遠程控制臺處對任務進行重新規劃并進行推演評估，然后重新下達任務規劃方案并以此執行。在整個任務執行完畢后，應具備實際任務完成與預先任務規劃的對比功能，為后續規劃模型提供數據支撐。

3 任務規劃系統特點分析

水面無人艇真正具有自主能力的代表性表現是能夠與外部環境進行實時交互，表現為能夠在執行任務之前完成基于全局信息的全局任務規劃，且在任務執行過程中遇到突發事件后進行實時的規劃，也表現在突破未知、不可預測的外界環境干擾，能夠完成預定的復雜使命。

3.1 環境特點分析

水面無人艇能夠在復雜的、不確定的環境下完成特定使命，必須規劃出一個有效的任務序列，這對完成任務是必不可缺的。任務規劃是水面無人艇系統的重要組成部分，在一定程度上標志著水面無人艇的工作水平，也是提升無人艇智能化水平的重要方向。而無人艇任務規劃的難度會隨著海洋環境信息復雜性特點而增加，這些特點包括：

1）不確定性

無人艇面對的不確定性包括環境信息不確定、突發情況不確定、探測信息不確定和預測行為不確定等。雖然先進的探測儀器和探測手段能夠在環境數據獲取中給予很大幫助，但海洋環境的不確定性和隨機性卻是無法進行準確探測和預測的。由于安裝在水面無人艇上的傳感器種類和數量不同，使得返回的環境信息是不確定的。另外，水面無人艇在進行行為決策時可能會采用不同的行為選擇機制也會造成行為選擇及行為影響的不確定性。

2）有限的資源約束

各個系統使用的統一資源量的總和不能超過水面無人艇所提供的這種資源的總量。

3）實時性要求

指的是任務的實時性要求，比如在水面無人艇遇到障礙物時，必須要求水面無人艇能盡快采取動作，保證其安全。

4）運動性能約束

根據水面無人艇自身性能確定的運動情況，比如水面無人艇的最大續航能力、最大轉角半徑等運動約束情況。

5）活動之間并發性約束

如水面無人艇對目標進行探測時要求水面無人艇的姿態調整同時將視野調整為對準目標的方向。

6）故障情況

無人艇在復雜多變的海洋環境中執行任務，其系統、設備、零部件的損耗及軟件方面的故障是不可避免的。

7）任務目標的多樣性

水面無人艇需要兼顧探測、跟蹤、取證、打擊等多種類型的任務，任務目標涵蓋多樣，既包括水面航行的動靜態、高低速、全方位的水面目標，也包括水下目標，不同的目標類型決定了無人艇必須具備處理多樣性目標的能力。

8）船舶感知數據分析與處理

水面無人艇運行過程中收集到的數據類型復雜多樣、時空耦合且變異特性顯著、隨機性強、離散性高，需要建立合理的存儲機制和檢索分析算法，滿足基于海量數據的任務規劃。

以上各種環境特點的約束決定了進行任務規劃時要統籌全局，不僅滿足任務的合理分解，還要對資源、效率、時間、難易程度等方面進行合理的優化。

圖 2 環境特點Fig.2 Environmental characteristics

3.2 水面無人艇平臺特點分析

與其他無人平臺相比，水面無人艇平臺具有自身的特殊性，在進行無人艇任務規劃技術研究時，需要加以分析和明確。

水面無人艇任務規劃技術需要考慮以下幾個特點：

1）水面無人艇均使用常規推進系統，由于無人艇在水面風浪流的共同作用下進行6 個自由度的運動，這一運動特性決定了水面無人艇是一個欠驅動系統[12]，不易實現精確控制。此外，由于定位系統和海圖系統自身的精度約束，導致水面無人艇航跡精度的控制難度比較大。因此，對于單艇的航跡規劃以及控制算法需要結合單艇自身的水動力性能和動力推進性能進行優化，確保單艇具備足夠的任務執行能力。

2）水面無人艇在執行任務過程中要具備航行任務一體化控制能力，即航行過程中要滿足任務載荷對平臺及環境的要求。例如在執行探雷任務時，無人艇的航行特性必須滿足聲吶設備的工況條件。由于水面無人艇會根據不同的任務需求同時搭載多種設備，因此不同的任務載荷下對于無人艇航跡規劃和運動響應會有不同的額外約束條件，增加了任務規劃設計的復雜性。

3）水面無人艇能夠具有執行多種任務的能力，主要依托于能夠搭載的不同任務載荷的設備功能。在任務規劃階段，利用單艇可以同時執行多任務的特點，科學合理地進行任務規劃，充分發揮集群作戰優勢，形成無人艇集群綜合執行能力，達到集群能力大于單艇能力簡單集合的效果。

4）水面無人艇預執行任務的目標來源較為廣泛，包括水面艦艇、可疑船只、入侵水面目標、蛙人、水雷等。因此針對不同任務目標進行作戰策略分析十分復雜，需要在作戰任務方案決策及評估階段對多種類的目標加以考慮。

5）水面環境復雜，無人艇集群間處于強干擾弱聯通狀態，保持良好的通信質量難度較大。因此，研究集群之間的信息共享策略以及保證信息通信的可靠性和安全性，是順利實現任務規劃整體方案的重要基礎[13]。

圖 3 平臺特點Fig.3 Platform characteristics

4 典型任務規劃方案研究

水面無人艇集群要形成自主作戰能力，需具備事前任務規劃及預評估能力，指揮員通過任務規劃及評估，針對特定任務進行無人艇級別、數量、單艇設備、單艇作戰方案、協同方案等配置。以巡邏警戒任務為例進行任務規劃的方案研究，主要分為以下幾個階段：

1）固定區域巡邏階段

根據警戒區域的大小、任務持續的時間和無人艇續航能力，決定所需無人艇的數目，并對水面無人艇集群根據層次協同控制體系架構進行分組劃分，指定每組無人艇以及單艘無人艇的巡邏警戒范圍。

可以根據最短時間內搜索整個巡邏區域的原則，結合無人艇單艇的探測能力進行路徑規劃，具體制定每艘無人艇在執行任務時初始的巡邏路徑。由于任意巡邏路徑都可以分解為直線和圓弧這兩類基本航跡的組合，因此無人艇只需具備滿足一定精度要求的航跡跟蹤能力，就可以完成固定區域巡邏這一動作。

2）態勢感知和協同信息融合階段

無人艇在執行巡邏警戒任務期間會收集大量的信息，根據無人艇搭載設備的不同，這些信息包括水面環境信息、水面目標信息和水下目標信息。依據層次協同控制體系架構將信息匯總之后，需要對這些信息進行融合并形成戰場態勢圖。

在戰場環境地圖已知的情況下，需要將每艘無人艇獲得的局部信息進行融合，形成整體態勢圖。

在戰場環境地圖未知的情況下，則需要重點解決同時定位與地圖構建問題（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM），即在沒有環境先驗信息的情況下，無人艇需要在運動過程中不斷進行環境的信息探測、信息積累與信息構建，最終建立環境模型，并且根據建立的環境模型不斷優化修正自身的運動[14]。

3）目標識別階段

在警戒巡邏的過程中，需要對探測到的目標進行識別，判斷是否具有威脅，判斷是否對我方有敵視態度，從而為接下來的作戰決策提供依據。

4）作戰決策階段

識別出威脅目標之后，需要根據整體態勢進行無人艇集群作戰決策，以對目標的捕獲概率最大化為原則對集群進行任務分配。

5）警示驅離階段

在捕獲目標后，利用無人艇所搭載的武器模塊載荷設備，可對入侵的威脅目標實施警示射擊，將可疑目標驅離警示區。完成該作戰動作后，返回原有區域繼續巡邏警戒。

5 結 語

通過對無人艇任務規劃系統概念、發展現狀、類型劃分等方面的探討，在基于水面無人艇平臺特點基礎上，討論無人艇任務規劃系統的研究難點與特點，結合巡邏警戒任務對任務規劃系統進行分析研究。通過以上分析研究，對未來任務規劃技術進行展望，主要包括以下幾個方面：

1）高效性實時規劃

在進行全局任務規劃后，在外界環境、任務目標的不斷變化及突發情況的不斷干擾下，需要對已規劃的任務路徑進行調整，但僅僅依靠在控制端重新進行任務分配和規劃的控制策略滿足不了無人艇的任務需求，布置在無人艇前端的實時規劃系統是必不可少的。同時，由于無人艇執行任務過程中速度較快且戰場狀態瞬息萬變，對實時規劃系統提出了更加高效的要求。

2）任務系統融合一體化規劃

當前的任務規劃研究偏向局部化、節點化，從整個任務系統信息融合后的全局規劃方向較少，規劃得到的結果往往不是最優和最有效的，應當加強整體全局規劃研究，從系統的高度統籌任務規劃。

3）復雜任務規劃

目前的研究中，對多艇單任務單目標、多艇單任務多目標、單艇單任務多目標及單艇多任務多目標的研究已經較為成熟，但未來戰場的復雜性特點對無人艇多艇協同任務提出了更高要求，需要對多艇多任務多目標的規劃研究投入更多資源，滿足復雜任務、復雜環境背景下的多目標規劃要求。