基于HTN與MAS的天基資源應急決策技術

劉翔 呂麗紅 費立剛 劉佳玥

摘要：應急任務規劃方案的制定是根據抽象的應急任務目標，將任務目標逐步分解成每個資源實體具體可執行的子任務，形成具體可執行的應急觀測方案與應急保障方案。天基資源應急快速響應決策的過程實際上對應著從應急任務需求到天基資源任務轉化的過程。通過引入層次任務網絡（Hierarchical Task Network，HTN），對復雜的衛星應急任務需求進行分解，達到為各類資源分配子任務的目的。在對衛星應急任務需求、應用模式和衛星應急任務快速響應決策要素分析的基礎上，給出天基資源面向應急任務快速保障的任務規劃架構，提出基于HTN規劃的應急響應決策技術與基于MAS的多星分布式應急協同觀測任務規劃技術，確定最終的應急快速響應方案。

關鍵詞：層次任務網絡；多Agent系統；天基資源；分布式應急協同；應急決策；任務規劃

中圖分類號：TP273文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）18-56-07

0引言

天基資源保障應急事件的過程是一系列快速響應的決策過程，因而應急響應決策需要能夠適應事件態勢與天基資源動態變化的情況。目前，常用的單類資源各自獨立的應急快速響應技術存在應對作戰任務突發事件能力不足和在不同類型資源之間無法進行快速協調調度等問題。本文通過引入層次任務網絡，對復雜的衛星應急任務需求進行分解，以達到為各類資源分配子任務的目的。具體過程為：采用基于HTN規劃的應急響應決策技術對天基資源應急快速響應任務進行分析籌劃與分解，為每一類需求預分配可用的資源。基于應急任務調整策略與資源調度策略，依據資源之間的關系與使用沖突情況進行協調調度，確定最終的應急快速響應方案。針對下層的多星應急任務規劃，考慮到應急時效性，本文在多星協同觀測任務規劃中引入了多Agent系統理論，通過建立基于多Agent的層次體系結構，利用Agent技術實現應急協同任務的分解和分配，將多星協同任務規劃轉換為單星任務規劃問題，不僅降低了求解問題的難度，而且簡化了系統結構，方便進行應急動態任務規劃。

1應急任務要素分析

1.1應急任務需求分析

目前，衛星數量繁多，操控使用復雜且應急能力差異化很大，每顆衛星每天都在接近滿任務負荷的情況下運行，一個應急任務的調整可能牽扯到錯綜復雜的資源與任務關系，人工分析進行應急調整不太現實，因而迫切需要研究智能化與自動化的應急快速響應決策技術。通過應急可行性快速分析籌劃、應急方案快速決策與計劃快速調整等核心技術提升應急響應流程的智能化與時效性。

經過對突發應急任務等觀測需求的綜合分析，結合各類衛星觀測能力與綜合應用能力，應急需求多星綜合應用模式主要包括：單星單次觀測、多載荷衛星多次觀測、多星應急保障性多次觀測、多星動態監視、多星協同觀測、區域覆蓋觀測。天基資源應急快速響應決策涉及不同運行管理部門的不同類資源的任務分解與資源沖突消解，各部門不能獨立工作，必須在一定程度上進行協作與資源協調[1]。

1.2應急任務快速響應決策要素分析

資源類要素：資源類要素包括應急觀測資源、應急接收資源和應急測控資源。應急任務快速響應的3大類資源要素相互作用，共同決定應急任務的實施方案與執行方式。

策略類要素：策略類要素包括應急任務插入策略（應急優先策略、任務優先策略、影響最小策略）、觀測資源選擇策略（時效性最高策略、觀測效果最好策略、應急觀測可靠性策略）、接收資源選擇策略（時效性最高策略、影響最小策略），可根據不同的場景選擇不同的策略。

2面向應急任務快速保障的任務規劃架構

建立集中式資源統籌與分層分布式應急快速調整運行架構：在上層進行應急任務統籌分析預處理與集中資源統籌預分配的同時，保留底層各衛星應急快速調整的相對獨立性，為多星應急并行處理奠定基礎，從而提高系統的快速響應能力。

考慮到多星多任務應急調整的復雜程度，需要對問題進行分層分解處理，并建立有效的分層和并行協同運行機制，將各層次、各節點、各衛星的應急快速調整問題分而治之，采用分層分布式策略解決多星復雜應急響應問題，運行架構如圖1所示。

將整個多星多任務應急處理過程分解為任務統籌分析、資源統籌預分配和分布式多星并行應急快速調整3個層次：第1層為頂層應急任務需求分解與預分配，將復合任務分解為各資源可一次獨立完成的子任務；第2層為多部門多類型資源同時參與，進行任務分解、應急可行性分析與資源統籌分配，關注任務分解分配到各資源與資源的可用性；第3層為同一部門內部同類型多星分布式協同任務規劃，關注應急任務的星間調配與單星執行可行性，基于各衛星個性化的詳細使用約束與應急調整特點，進行各星獨立分布式并行應急任務規劃，并可進行集中統籌管理協調。上層向下層分配任務與資源，下層向上層反饋應急可行性與任務規劃結果，上層據此進行任務調配與資源協調。

通過該結構逐層分解處理后，最底層各資源、各衛星之間已經解耦，應急任務已經明確分配到各衛星，并且測控、接收資源也預分配到各衛星，底層衛星與衛星之間不再存在任務或資源調配關系，不再存在任何沖突與關聯關系，因此下層采用單星分布式自動處理工作方式，簡化單星任務規劃復雜度，提高運行效率[2]。

3基于HTN規劃的應急響應決策

3.1 HTN規劃基本概念

HTN規劃是一種應用最為廣泛的智能規劃方法，主要思想是利用鄰域知識遞歸地將復雜抽象的任務進行逐層分解，直到可以通過執行規劃就能完成的原子任務為止，具有較高的規劃效率，能夠處理大規模規劃問題，這種思想與應急方案制訂決策問題相一致，因此適用于多類型天基資源聯合任務規劃的面向作戰任務或突發事件應急響應動態調整問題。

3.2 HTN規劃系統模型

層級任務網絡主要由任務網絡、基本任務、復合任務和分解方法構成。HTN將復合任務分解為一系列的子任務，如果某些子任務不是基本的操作單元，就繼續分解，直到把它分解成基本任務為止。HTN規劃通過分解任務和解決沖突來尋求一種完成任務網絡的規劃方案，在約束條件中可以指明任務的執行順序。

3.3基于HTN天基資源應急快速響應決策問題求解

基于HTN天基資源聯合任務規劃應急響應決策是一個基于應急策略的應急方案求解過程，基于HTN的應急任務需求分解方法所關注的重點在于HTN模型與相應應急任務分解策略、資源沖突消解策略的構建。

天基資源聯合任務規劃應急響應采用HTN的規劃方法，首先定義系統的基本任務、狀態變量、復合任務及其分解方法。接收資源的基本任務為一個地面站的一副接收天線在一個時間段內對一顆衛星執行接收任務；測控資源的基本任務為一個地面站的一副測控天線在一個時間段內對一顆衛星執行業務測控任務；觀測衛星的基本任務為一次觀測動作可完成的任務[4]。天基資源聯合任務規劃應急響應HTN模型如圖2所示。

HTN規劃的目標是生成完成任務目標集合的動作序列。整個規劃過程的主要依據為資源使用業務規則、約束與規劃策略。基于圖2的HTN模型，進行天基資源應急快速響應任務分析籌劃與分解。首先，根據應急需求，若已明確為觀測需求，則只需要分解生成觀測需求、氣象保障需求、業務測控需求和數據接收需求；然后，為每一類需求預分配可用的資源，在此基礎上，各類資源獨立進行約束檢驗與沖突消解并進行分布式協作任務規劃。基于應急任務調整策略與資源調度策略，依據資源之間的關系與使用的沖突情況進行協調調度，依據下一層多任務規劃結果，向上層反饋任務分配與資源沖突情況，通過同層內部與同層之間的協調調度，以及上下層之間的協調調度，確定最終的各任務網絡節點的可用資源，從而確定各層各網絡節點的子任務，確定最底層節點的基本任務。

層次任務中存在資源分配問題，本文采用HTN規劃的資源約束層次傳播規則來解決[5]，在HTN規劃任務推理過程中，伴隨其自上而下的任務分解過程進行資源約束傳播，可以將上層任務的約束———資源約束和時間約束傳播至下層任務，直到所有任務均能通過資源分配的基本處理流程進行資源分配。

層次資源推理包括資源約束傳播和資源狀態驗證2個主要階段。資源約束傳播主要可分為自上而下的資源約束傳播和不同分支任務之間的資源約束傳播。

3.4基于HTN天基資源應急快速響應決策的資源調度策略

3.4.1應急任務快速調整優化策略

應急任務快速調整策略的總策略為應急任務優先保障，基本原則為衛星安全使用。在此基本策略與原則下，可以根據不同情況有不同的側重、考慮不同的策略，主要包括：時效性最高、時效性優先、損失最小、最小變動、資源優先、任務優先和兼顧。

3.4.2遙感任務快速調整策略

在保證衛星安全使用的原則下，為實現星上任務快速動態調整，必須針對不同衛星的使用約束與不同的優化策略，設計不同的星上任務調整策略，主要包括：

（1）全部替換策略：針對不具備按條件進行星上任務刪除能力的衛星，選擇與應急任務最近的測控時段進行星上指令全清，再上注包含應急任務的新指令，測控時機的選擇策略尤為重要。

（2）部分替換策略：針對具備按條件進行星上任務刪除能力的衛星，選擇能滿足任務準備時間的可用測控時段按條件進行星上部分指令刪除，注入新指令。

（3）影響最小策略：應急任務的調整不影響星上已執行的任務，在星上指令刪除時，若已有任務安排觀測尚未安排數據回放時，可以在新指令中安排回放。

（4）應急任務優先策略：時效性最高優化策略下，為實現特別是應急保障任務的快速安排與簡便的任務調整，可以不計一切代價，在星上刪除指令時，若已有任務安排觀測尚未安排數據回放時，可以不考慮安排回放，直接插入新任務快速執行。

3.4.3測控資源應急動態保障策略

航天觀測任務管控對測控系統具體的保障要求決定了測控資源的應急保障策略，主要包括：

（1）位置最近優先保障策略：由于地面測控資源受地理位置影響，只有在觀測衛星入境后才能進行測控。因此選用距離最近、測控時機最近的測控資源保障應急任務相關指令的上注。

（2）應急測控設備預先備份策略：針對應急常態化趨勢，在測控資源充沛的情況下，可以考慮應急測控設備預先備份策略，有應急任務時，可以快速啟用應急備份測控設備，避免應急資源設備臨時動態調配的復雜性，提升測控資源調整的實時快速響應能力。

（3）資源優先策略：一般應急任務，根據應急任務測控時機分析結果，按照影響最小策略從可用測控資源中選擇應急調整影響最小的測控時段。

（4）測控、接收一體化使用策略：針對同時具備業務測控上行能力與數據接收下行能力的綜合地面站，研究設計測控、接收一體化使用策略，在可見時間弧段的前半部分完成應急指令注入，在后半部分開始執行，實現將觀測數據下傳到地面站，在同一設備同一時段內完成任務。

3.4.4接收資源應急動態保障策略

時效性優先策略：對于時效性最高的應急任務，優先使用實傳，選擇最早時間窗口，可以實現立即執行，立即獲取數據。

資源優先策略：一般應急任務，根據應急任務測控時機分析結果，按照影響最小策略從可用接收資源中選擇應急調整影響最小的接收時段，優先選用調整影響最小的可用數傳資源。

3.5基于HTN的多類型天基資源應急響應分布式協作任務規劃

基于HTN的天基資源應急快速響應決策任務分解的第一層中，涉及不同運行管理部門的不同類資源的任務分解與資源沖突消解，必須在一定程度上進行相互協作與資源協調。協調機制是協作過程中用于處理依賴關系的主要依據，規定了何時進行信息交互、如何確定協調結果以及如何進行方案調整等。在進行應急響應決策時，應急資源調度是對應急任務執行的關鍵，特別是資源使用時會產生沖突，可能會不能滿足優先級高的任務的資源需求，甚至導致所有任務無法完成。因此，需要針對不同類型應急資源的沖突關系設計相應的協調機制[6]。

本文采用HTN的多部門分布式協作任務規劃框架[7]，將協作與HTN規劃相結合，提高應急響應方案的生成效率。基于HTN的分布式協作任務規劃框架如圖3所示。

（1）基于觀測需求進行觀測資源任務規劃，分解為各觀測衛星的觀測任務，進行多星應急任務規劃。

（2）多星應急任務規劃過程中，若需要進行應急測控資源申請與接收資源申請，則與相應的資源管理部門進行資源申請信息交互協調。

（3）資源管理部門根據資源申請進行內部資源動態任務規劃與調配，反饋資源申請結果。

（4）觀測資源任務規劃接收到資源申請結果，若申請的資源沒有協調落實，則進行任務規劃調整，確定最終的多星應急觀測方案。

該框架通過資源協調機制，在任務規劃中嵌入任務協調過程，并利用HTN規劃器本身具有的節點返回與重規劃功能，整合任務調整和修改的過程，實現規劃過程中對任務與資源的協調與應急方案調整。此外，由于應急響應決策中存在地理上分散的多個部門單獨制定各自應急行動方案的情況，因此，基于HTN的多類型天基資源分布式協作應急任務規劃要求各部門都具有應急快速響應能力，這樣才能保證整體應急快速響應的時效性。

4基于多Agent的多星分布式應急協同觀測任務規劃

4.1多Agent系統概述

Agent是存在于某環境中具有自主性、智能性、主動性、反應性等特征且可以根據知識進行推理、規劃的實體，多Agent（MAS）組成了多Agent系統，該系統中的Agent間共享知識、任務和結果進行協同工作，但在邏輯上是相互獨立的。多Agent規劃（MAP）是處理包含多個Agent的規劃問題[8]，多Agent結構具有很好的動態響應能力，可以根據應急任務的變化、任務環境的變化以及天基資源的變化情況，從可用的天基資源中選擇出最能適應動態變化和任務需求的最佳天基資源，以實現對應急任務的快速有效觀測[9]。

4.2多星協同任務規劃協同體系結構

在單星任務規劃邏輯流程基礎上，結合天基資源應急快速響應多星協同觀測的特點，提出一種多星分布式協同任務規劃系統結構，如圖4所示。

該系統采用有管理節點的多星分布式體系結構，以適應復雜的多星對地觀測系統和滿足應急快速響應的要求。系統由一個用于管理服務的Agent和多個用于衛星規劃的Agent構成[10]，其中，管理服務Agent一方面實現基于HTN的應急任務分解預分配；另一方面通過與各衛星規劃Agent之間的交互協商，進行最終決策，生成應急任務協同觀測方案[11]。衛星規劃Agent負責對管理服務Agent發布的任務進行投標，若中標，則該任務即為衛星需要執行的任務，衛星規劃Agent上集成的規劃器對中標任務進行規劃，并將執行結果返回管理服務Agent。

系統輸入為應急任務需求，其中有些任務可能需要多星之間的協同工作完成，系統輸出為多星應急協同觀測任務規劃方案。

4.3基于合同網協議的協作機制設計

根據MAS技術以及合同網特點，設計了一種基于誠信的招投標機制，將決策管理Agent映射為招標方，預分配任務的成員衛星Agent映射為投標方。招投標是基于管理Agent為主的結構，采用公開招標的形式展開，招投標機制設計如圖5所示[12]。

發標：決策管理Agent將應急任務需求進行任務分解，預分配給有觀測可行性的衛星，代表招標方將應急觀測任務信息和相關要求等向潛在的投標方發布任務招標書。

投標：成員衛星Agent接收到招標信息后進行應急調整可行性分析，是否能完成應急任務，以及應急調整影響情況與需要的外部資源保障等，評估能否完成招標任務，若能則依據招標要求向招標方進行競標，填寫投標書向招標方發送；反之，放棄招標。

評標：招標方對收集到的投標書按照一定的策略進行評標，主要依據有應急任務要求、應急調整策略以及應急協同模式等，對各衛星Agent反饋的應急調整情況進行綜合決策分析，生成應急觀測方案，選擇一個或多個合適的協作投標方作為中標單位執行任務。

簽訂合同：決策管理Agent進行應急觀測任務分配，選擇合適的投標方成員衛星Agent來執行應急觀測任務，各衛星Agent根據分配的應急觀測任務，進行任務規劃方案快速動態調整，生成各衛星的應急任務規劃方案與應急計劃。

解約：若某衛星Agent應急方案調整失敗，引起“解約任務”，首先由成員衛星Agent向決策管理衛星Agent提出解約，解約后，代表招標方的決策管理衛星Agent重新根據各衛星投標情況進行方案決策分析，重新分配任務，進行任務的重新調度，選擇合適的投標方成員衛星Agent來執行應急觀測任務。

5結束語

本文通過采用HTN規劃方法，依據應急任務實施可行性分析結果與鄰域知識，基于HTN模型采用分類分層逐步分解的方法，結合動態任務規劃調整算法解決了應急任務快速插入與資源任務沖突問題，實現了多類型天基資源聯合應急響應任務規劃方案決策，快速生成了各類資源的應急任務規劃方案。該方法與以往單類資源各自獨立的應急快速響應技術有所不同，其基于多類型天基資源聯合任務規劃特征，分類分層調度各類天基資源實現高效協同聯合和快速響應，解決了單一類型資源保障在應對作戰任務突發事件能力不足和不同類型資源之間快速協調調度的問題。同時，利用Agent技術實現應急協同任務的分解和分配，將多星的協同任務規劃轉換為單星任務規劃問題，方便進行應急動態任務規劃。

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