無人艇群協同作業功能測試與評估系統設計*

陳玉明，童 超，任 兵，陳衛國

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.智能產品質量評價與可靠性保障技術工業和信息化部重點實驗室，廣州 510610；3.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641）

0 引言

水面無人艇作為一種新型的水上智能工作平臺，在自主巡航、資源勘測等方面發揮著巨大的作用[1]。隨著控制理論有效應用于無人艇協同控制方面，無人艇協同技術日趨完善，因此如何測評無人艇協同作業能力，成為了科研人員眼前需要攻克的一大難題。

20世紀60年代后期，美國將V-8汽油機驅動的玻璃鋼小艇改裝為“拖鏈式”遙控掃雷艇，以執行越南境內的掃雷作業。受限于當時的技術，無人艇需人工遠程遙控，若距離過遠或是信號障礙，無人艇便無法接受指令。進入21世紀，隨著通信技術和人工智能技術的發展，無人艇技術進入了高速發展期。2003年，“保護者”號無人艇研制成功并交付以色列軍方使用，但仍然是需要進行操控的半自主無人艇。2005年，Elbit公司推出一款“黃貂魚（Stingary）”號USV，能夠完成海岸物標識別、智能巡邏、電子戰爭等多項任務[2]。2004年英國普利茅斯大學研發“Springer”號USV，主要用于內河、水庫和沿海等淺水水域追蹤污染物，測量環境和航道信息[3]。2007年，以色列國防部研發的“Sliver Marlin”號無人艇，已經具備了自動避障、自動駕駛和超視距操作等功能[4]。這時的無人艇已開始逐漸走入自主操控的階段。還有葡萄牙、德國、荷蘭等國也都走在無人艇研發的前列，在無人艇領域，各個國家都在深入研究，以求搶占先機。我國相關項目起步晚，但近年我國技術迭代快。如上海大學研發的“精?！毕盗袩o人艇，在無人艇行駛上實現了自主定位、障礙物自主避碰、航跡自主跟蹤等功能[5]。

隨著單無人艇技術日趨成熟，多無人艇的編隊控制形式與協同等方面研究逐漸成為熱點[6-7]。無人艇多艇協同作業本質上是一個多智能體系統的開發，多機器人系統多個機器人同時工作，其任務分配模式[8]更先進，極大提高了效率，并且可以完成一些個體無法完成的任務。面對協同作業多功能出現，目前并沒有一個完整的系統來測評無人艇協同效率與水平[9]。無人艇群測評將對無人艇協同作業能力起到極大的促進提升作用。本文旨在通過指標測量和數據分析，設計出一套可以用于評測無人艇編隊與無人艇協同探測水平的評測方法及系統。

1 無人艇群協同作業功能測評系統設計

本文所設計無人艦群協同作業測評系統的功能是對無人艦群協同作業相關信息進行收集與分析，進而實現對協同作業整體水平評價。首先，評測系統將不可量化的信息轉化為代表無人艦群協同作業能力的可量化指標，接下來針對不同指標采用不同方法進行計算，最后匯總為無人艦群協同作業能力的綜合評價指標。其中測評系統的輸入輸出多為數字，且需生成關于評估指標結果的分析圖信息。

1.1 評價指標選取及量化

從信息收集的角度來看，無人艇群內部的信息交互，能夠得到對外部信息較為完整、準確的認知。然而由于集群收集到的信息較多，如何評價無人艇群的作業能力成為目前的難題。本文通過完備性、準確性、連續性、相關度、時效性5個評價指標對無人艦群協同作業能力進行評估。

（1）完備性

監測的完備性由區域監測率表示，現定義區域監測率為無人艇群監測范圍與需探測區域范圍的比值。則可通過其定義的集群中心、集群半徑，結合無人船個體的監測范圍表示出無人艇群的實際監測范圍。假設現在有面積為S的海域面積需要進行監測，無人艇群中的無人艇數量為N，在t時刻，p（t）為無人艇群的虛擬集群中心，假設第k艘無人艇的位置為Pk（t）監測信息半徑為rk，則無人艦群的集群半徑Rp、理論監測范圍Rk、實際監測范圍R表示為：

在t時刻區域監測率為:

（2）準確性

目標的離散屬性準確性是指目標物上可以收集到的不隨時間變化并且之間沒有太大關聯的無人艇群準確性。假設無人艇群中有N架無人艇，第i艘無人艇在t時刻監測到了m個目標物的k個離散屬性特征?，F在引入，表示第i艘無人艇在t時刻監測到的第j個目標的第h個離散態特征與實際情況的一致性。則其公式表示為：

則在t時刻，該無人艇群的準確性為：

（3）連續性

在收集目標物連續性態勢的時候，收集的是目標物的軌跡，由于航跡的段數與最終能力很難度量，本文采用了最長航跡段所用的時間與實際航跡的時間的比值來表示最長連續航跡段比。假設無人艇群中有N艘無人艇，無人艇n號察覺到了M個目標，其中Tk為第k個目標的持續出現時間，Tk,m為無人艇n收集到的第k個目標的航跡中最長的一段所占得時間比，則單艘無人艇的航跡比為：

根據單艘艇的最長航跡比，可推出無人艇群最長航跡比計算公式為：

（4）相關度

無人艇群在開始收集目標信息是每一艘無人艇所搜集的目標物信息的整合。而當設定無人艇群執行某一任務時，如果無人艇在收集到了很多無用的信息，則可評價該無人艇群執行任務時相關度指標不高。進行量化這個指標。假設無人艇群中有N艘無人艇，在t時刻，無人艇個體n收集到了M個目標，并且在當時情況下執行了R個任務，那么在t時刻，第n號無人艇獲取到第j個目標的相關度為：

則此刻無人艇群的相關度為：

（5）時效性

時效性是是指搜集信息時間滿足任務要求時間的程度，下面是針對無人艇信息傳播獲取延時提出時效性的計算方法。假設無人艇群中有N艘無人艇，第j次信息更新的時間為tk，第n艘無人艇接收到了M個目標物的信息，n號無人艇獲取第K個目標物信息的延時為Δtk,n，若T為無人艇每次更新獲取信息的最小時間，則無人艇n的時效性為：

則在tj時刻，無人艇群的時效性評價為：

1.2 系統人機交互界面設計

無人艇群評測系統人機交互界面由輸入面板、輸出面板組成。在輸入面板的構建過程中，需將評測指標計算所需參數都輸入到系統中，具體有無人艇群數量、目標物數量、區域面積、無人艇監測半徑、無人艇集群半徑、監測采集到的速度和實際的速度、加速度、航向角6個輸入量、時效性相關矩陣之外，還需要一個輸入最小反應時間的輸入口來幫助其完成計算。接下來整體的輸入面板進行排版，最終輸入面板如圖1所示。

圖1 整體輸入端界面

在本評估體系中，為了量化無人艇協同能力的各個指標，其最終的結果都是用公式計算出來的數字，其輸出形式簡單，根據不同的指標結果設定文本框用于獲取計算結果即可。評價指標分別為完備性、準確性、連續性、相關度、時效性。系統面板中配備了一個“開始數據分析”按鈕，摁下按鈕進行數據分析，同時設置一個“清零”按鈕，摁下就對面板進行清零，方便下次使用。最終得到的整體前面板如圖2所示。

圖2 測評系統整體界面構建

2 無人艇群協同作業測評系統測試

2.1 實驗設計與過程

完成系統的設計后，本節使用測試數據驗證評測系統的有效性。在本次測試設置的實驗中，為簡化實驗，剔除了不必要的變量，保留最重要的系統變量值。實驗情景如圖3所示。無人艇從左邊起點開始向前進行區域探測，在目標進入無人艇的探測范圍開始，進行試驗的數據采集。

圖3 實驗情景

實驗設置在10 000 m2的海域上，3艘無人艇以10 m/s的速度前行執行探測任務，同時無人艇還預設有4個子任務，在探測區域的中間有3個目標物以及2個無關目標。當無人艇群開始探測到目標時，目標物以15 m/s的速度往前逃離。無人艇識別度目標物之后開始進行監測追蹤，并開始識別判斷，一直到目標物駛離測試海域。實驗過程中的其他設定值如表1～2所示。

表1 測評系統輸入信息表

表2 測評系統輸入信息表

還有3個矩陣的輸入則分別為離散屬性矩陣、相關度矩陣、時效性矩陣。因每艘艇收集的離散屬性量為目標數量與每個目標物離散屬性數量為6個，3艘艇一共18個離散屬性輸入。本次實驗中，離散屬性矩陣設置為：

相關度矩陣是判斷目標物是否與本次任務目的的重要依據，本次實驗一共有5個目標物，設置3個與任務相關，2個與任務不相關。相關度矩陣為：

時效性矩陣是用于記錄每艘無人艇獲取每個目標物的屬性的延時，共有3艘艇，每艘艇獲取3個目標物信息，則其矩陣為：

將所有信息輸入完畢后，點擊“開始數據分析”按鈕，獲取分析結果。

2.2 實驗結果與分析

通過數據分析后，系統計算得出的結論如圖4所示。從圖中可看出區域監測率為0.785，此次實驗設置的區域面積較小，無人艇群執行的是區域監測任務，本次實驗設置的無人艇數目相對較少，其區域監測率計算出這個結果較低，屬于正?，F象。

圖4 實驗結果

準確性方面，連續屬性準確率比起離散屬性準確率較低，說明無人船在獲取目標的連續屬性時，受到海域情況、船體本身信息采集器以及收集信息相對位置、角度的影響。離散屬性因為是一些特征信息，準確率較高。

連續性方面，0.5的數值準確地反映了連續性屬性。無人艇集群從發現目標到加速追蹤目標的過程中是一直在收集信息的，這個時間段的信息會因為兩者速度不對等而造成航跡的斷開，無法獲得準確、連續的航跡。這次測評結果說明無人艇群的連續性能力不好，還不能夠穩定、連續地執行好任務。

相關度為0.78，所有指標中最高。此次任務情景無關目標物設定2個，任務目標3個，無人艇識別其過程中，能夠很好地識別出任務無關目標并且剔除，將注意力和反應力集中在任務相關目標上。

時效性很大程度上受到通信技術的影響，這也是未來多智能體協同中的至關重要的一個方面。這次設定的時間最終測評出時效性指標為0.46，時效性不強。

整體來說，針對輸入的數據，本次實驗得到了符合預期的結果。測試的結果符合實驗設定預期，測評系統能夠很好地完成預期的目標。

為進一步說明評測系統有效性，本文增大了模擬海域面積與無人艇數量重新進行了實驗。在海域面積為100 000m2的海域上，10艘無人艇在海面上執行區域探測任務，無人艇群以10 m/s的速度前行進行區域探測。在海面的不同位置有6個任務相關的目標物與4個與任務不相關的目標物在按照預定軌跡運動。每個目標物有2個離散屬性。無人艇群在執行區域探測任務的同時還執行有5個子任務，當發現敵對目標時，會觸發任務優先級，將監測敵方目標作為首要任務。無人艇的數目增多與目標物的數量增多，使得信息變得更多且復雜，也出現了一些信息無法在最短時間內在艇體及目標物間傳播。將以上信息輸入到系統中，點擊開始數據分析按鈕，獲取的分析結果如圖5所示。

圖5 多艇多目標測試實驗結果

從輸出結果可以看出隨著區域面積相對變大，無人艇的數目增多，無人艇群的連續屬性準確性越來越高。區域監測率方面，無人艇數目增多，但是所需監測的區域面積也增大了，區域監測率降低。連續性指標方面相對之前的測試提升較大。無人艇數目多了，整體的集群機動性也更強了，對目標物做出的快速反應能力也更強了。這個屬性越高，無人艇群在執行任務時對未知情況的反應能力越強。相關度指標也相應地有所變高，多艇識別目標物與任務的相關屬性使得偶然出現的識別錯誤的幾率降低，識別的準確率提高，時效性指標有較大的提升。系統的處理結果是合理有效的，能夠較為真實地反映出無人艇群的協同能力。

3 結束語

本文設計了一種無人艇群協同作業測評系統并進行了測試。具體為采用信息優勢度量法作為測評方法，根據無人艇群協同作業的特點設計無人艇群協同作業能力水平的評價指標。采用MatlabGUI可視化面板構建可與用戶交互的測評系統面板，并通過測試數據驗證系統的有效性。結果表明，測評系統能夠給出符合預期的處理結果。本次設計的測評系統初步滿足對無人艇群協同作業功能的測試與評估要求。