馬向峰，韓 瑋，謝楊柳

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)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(guī)劃進(jìn)行自主航行，并且能夠采用自主方式或人工干預(yù)方式完成多種任務(wù)，主要用于執(zhí)行危險及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)，提高作戰(zhàn)效能的同時也降低了作戰(zhàn)人員的傷亡。通過環(huán)境感知、自主控制、信息傳輸與任務(wù)載荷作用等多個環(huán)節(jié)，可執(zhí)行多種任務(wù)。水面無人艇能在非結(jié)構(gòu)化的、不確定性的海洋環(huán)境下執(zhí)行包括情報偵察、海洋調(diào)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(wù)，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是其非常重要的組成部分。

無人艇的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)能根據(jù)預(yù)設(shè)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，可輸出執(zhí)行該任務(wù)的任務(wù)序列，而且能對在海洋調(diào)查等任務(wù)執(zhí)行過程中遇到的突發(fā)事件進(jìn)行有效分析并實時調(diào)整策略。任務(wù)規(guī)劃在一定程度上標(biāo)志著無人艇的智能水平，是進(jìn)行決策和規(guī)劃的關(guān)鍵組件，科學(xué)合理的任務(wù)規(guī)劃能夠最大限度發(fā)揮無人艇集群的任務(wù)執(zhí)行能力。

1 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)概念及現(xiàn)狀

任務(wù)規(guī)劃是對周圍環(huán)境進(jìn)行分析后，根據(jù)預(yù)定目標(biāo)，對可選擇的動作及所提供的資源限制進(jìn)行推理，綜合制定出實現(xiàn)目標(biāo)的動作序列。以美國為例，在軍事領(lǐng)域的起源來自于“軍用飛行器”，到目前為止經(jīng)歷了原始階段，起步階段，集約階段和擴(kuò)張階段[3-5]。

在未來的軍事應(yīng)用中，高精尖的武器設(shè)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(zhàn)場對作戰(zhàn)人員的直接傷害。無人艇的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)則是影響其作戰(zhàn)效能的重要因素。

水面無人艇根據(jù)電子海圖和接受的上級任務(wù)首先進(jìn)行全局規(guī)劃，任務(wù)規(guī)劃模塊在任務(wù)信息、海圖信息、探測目標(biāo)信息、環(huán)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(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行動作序列。在任務(wù)執(zhí)行的過程中，任務(wù)規(guī)劃模塊會根據(jù)實時的任務(wù)返回信息、當(dāng)前的環(huán)境目標(biāo)信息與突發(fā)情況進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃序列的調(diào)整，并會根據(jù)新的任務(wù)指示進(jìn)行任務(wù)間的協(xié)調(diào)[6-7]。

無人艇單艇任務(wù)規(guī)劃是為了在無人艇最優(yōu)航行線路的基礎(chǔ)上，規(guī)定搭載任務(wù)載荷的任務(wù)執(zhí)行動作，完成上級下發(fā)的指定任務(wù)。同時，任務(wù)規(guī)劃生成的任務(wù)執(zhí)行序列要滿足安全性約束、平臺機(jī)動能力約束、載荷設(shè)備性能約束、通信能力約束、傳感器探測能力約束、環(huán)境條件約束等要求。無人艇多艇集群任務(wù)規(guī)劃重點(diǎn)研究如何使任務(wù)目標(biāo)合理分解到單艇，充分發(fā)揮單艇的最大優(yōu)勢，保證多艇間安全、高效的執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)[8 - 11]。

2 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)類型劃分

水面無人艇任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)分類主要包括執(zhí)行任務(wù)類型、執(zhí)行規(guī)劃設(shè)備屬性與任務(wù)階段3 個方面。

圖 1 任務(wù)規(guī)劃類型劃分Fig.1 Task planning type division

2.1 按照執(zhí)行任務(wù)類型劃分

水面無人艇任務(wù)規(guī)劃主要針對不同任務(wù)類型進(jìn)行規(guī)劃。

水面無人艇的任務(wù)類型主要包括情報偵察、海洋調(diào)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(wù)類型中可詳細(xì)分為多個典型任務(wù)，任務(wù)規(guī)劃則需要根據(jù)具體的典型任務(wù)類型給出不同的策略和任務(wù)規(guī)劃方案。任務(wù)規(guī)劃模塊可在任務(wù)執(zhí)行前和任務(wù)執(zhí)行中根據(jù)不同的任務(wù)類型和預(yù)設(shè)、探測到的典型目標(biāo)進(jìn)行單艇或無人艇集群的任務(wù)規(guī)劃。其中編隊協(xié)同任務(wù)規(guī)劃包含各執(zhí)行節(jié)點(diǎn)無人艇與母艦協(xié)同規(guī)劃以及預(yù)先規(guī)劃的各節(jié)點(diǎn)無人艇任務(wù)分配，單艇任務(wù)規(guī)劃則是分解分配到的任務(wù)，得到任務(wù)執(zhí)行序列。

2.2 按照執(zhí)行規(guī)劃的設(shè)備屬性劃分

從執(zhí)行任務(wù)規(guī)劃的設(shè)備屬性方面將任務(wù)規(guī)劃分為航行路徑規(guī)劃和任務(wù)載荷規(guī)劃。航行路徑規(guī)劃的主要目的是保證平臺狀態(tài)可以滿足任務(wù)載荷有效工作的要求，任務(wù)載荷規(guī)劃的主要目的是在任務(wù)執(zhí)行過程中的不同階段為任務(wù)載荷設(shè)備提供執(zhí)行動作方案。除此之外的通信鏈路規(guī)劃、系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)規(guī)劃等可以劃分至航行路線規(guī)劃和任務(wù)載荷規(guī)劃范圍內(nèi)。

2.3 按照作戰(zhàn)任務(wù)階段劃分

任務(wù)規(guī)劃可分為任務(wù)分析、規(guī)劃方案生成、規(guī)范推演及效能評估、方案下達(dá)及任務(wù)執(zhí)行、任務(wù)執(zhí)行中實時規(guī)劃，以及在線重新規(guī)劃等具體規(guī)劃過程。

其中任務(wù)執(zhí)行中實施規(guī)劃主要是無人艇根據(jù)實時外部情況，對航行路線的自主規(guī)劃。在線重新規(guī)劃則由于外部實時情況比預(yù)計規(guī)劃方案變化較多，需要在遠(yuǎn)程控制臺處對任務(wù)進(jìn)行重新規(guī)劃并進(jìn)行推演評估，然后重新下達(dá)任務(wù)規(guī)劃方案并以此執(zhí)行。在整個任務(wù)執(zhí)行完畢后，應(yīng)具備實際任務(wù)完成與預(yù)先任務(wù)規(guī)劃的對比功能，為后續(xù)規(guī)劃模型提供數(shù)據(jù)支撐。

3 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)特點(diǎn)分析

水面無人艇真正具有自主能力的代表性表現(xiàn)是能夠與外部環(huán)境進(jìn)行實時交互，表現(xiàn)為能夠在執(zhí)行任務(wù)之前完成基于全局信息的全局任務(wù)規(guī)劃，且在任務(wù)執(zhí)行過程中遇到突發(fā)事件后進(jìn)行實時的規(guī)劃，也表現(xiàn)在突破未知、不可預(yù)測的外界環(huán)境干擾，能夠完成預(yù)定的復(fù)雜使命。

3.1 環(huán)境特點(diǎn)分析

水面無人艇能夠在復(fù)雜的、不確定的環(huán)境下完成特定使命，必須規(guī)劃出一個有效的任務(wù)序列，這對完成任務(wù)是必不可缺的。任務(wù)規(guī)劃是水面無人艇系統(tǒng)的重要組成部分，在一定程度上標(biāo)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(wù)規(guī)劃的難度會隨著海洋環(huán)境信息復(fù)雜性特點(diǎn)而增加，這些特點(diǎn)包括：

1）不確定性

無人艇面對的不確定性包括環(huán)境信息不確定、突發(fā)情況不確定、探測信息不確定和預(yù)測行為不確定等。雖然先進(jìn)的探測儀器和探測手段能夠在環(huán)境數(shù)據(jù)獲取中給予很大幫助，但海洋環(huán)境的不確定性和隨機(jī)性卻是無法進(jìn)行準(zhǔn)確探測和預(yù)測的。由于安裝在水面無人艇上的傳感器種類和數(shù)量不同，使得返回的環(huán)境信息是不確定的。另外，水面無人艇在進(jìn)行行為決策時可能會采用不同的行為選擇機(jī)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(tǒng)使用的統(tǒng)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(wù)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(yùn)動性能約束

根據(jù)水面無人艇自身性能確定的運(yùn)動情況，比如水面無人艇的最大續(xù)航能力、最大轉(zhuǎn)角半徑等運(yùn)動約束情況。

5）活動之間并發(fā)性約束

如水面無人艇對目標(biāo)進(jìn)行探測時要求水面無人艇的姿態(tài)調(diào)整同時將視野調(diào)整為對準(zhǔn)目標(biāo)的方向。

6）故障情況

無人艇在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，其系統(tǒng)、設(shè)備、零部件的損耗及軟件方面的故障是不可避免的。

7）任務(wù)目標(biāo)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(wù)，任務(wù)目標(biāo)涵蓋多樣，既包括水面航行的動靜態(tài)、高低速、全方位的水面目標(biāo)，也包括水下目標(biāo)，不同的目標(biāo)類型決定了無人艇必須具備處理多樣性目標(biāo)的能力。

8）船舶感知數(shù)據(jù)分析與處理

水面無人艇運(yùn)行過程中收集到的數(shù)據(jù)類型復(fù)雜多樣、時空耦合且變異特性顯著、隨機(jī)性強(qiáng)、離散性高，需要建立合理的存儲機(jī)制和檢索分析算法，滿足基于海量數(shù)據(jù)的任務(wù)規(guī)劃。

以上各種環(huán)境特點(diǎn)的約束決定了進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時要統(tǒng)籌全局，不僅滿足任務(wù)的合理分解，還要對資源、效率、時間、難易程度等方面進(jìn)行合理的優(yōu)化。

圖 2 環(huán)境特點(diǎn)Fig.2 Environmental characteristics

3.2 水面無人艇平臺特點(diǎn)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(jìn)行無人艇任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究時，需要加以分析和明確。

水面無人艇任務(wù)規(guī)劃技術(shù)需要考慮以下幾個特點(diǎn)：

1）水面無人艇均使用常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)，由于無人艇在水面風(fēng)浪流的共同作用下進(jìn)行6 個自由度的運(yùn)動，這一運(yùn)動特性決定了水面無人艇是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)[12]，不易實現(xiàn)精確控制。此外，由于定位系統(tǒng)和海圖系統(tǒng)自身的精度約束，導(dǎo)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(guī)劃以及控制算法需要結(jié)合單艇自身的水動力性能和動力推進(jìn)性能進(jìn)行優(yōu)化，確保單艇具備足夠的任務(wù)執(zhí)行能力。

2）水面無人艇在執(zhí)行任務(wù)過程中要具備航行任務(wù)一體化控制能力，即航行過程中要滿足任務(wù)載荷對平臺及環(huán)境的要求。例如在執(zhí)行探雷任務(wù)時，無人艇的航行特性必須滿足聲吶設(shè)備的工況條件。由于水面無人艇會根據(jù)不同的任務(wù)需求同時搭載多種設(shè)備，因此不同的任務(wù)載荷下對于無人艇航跡規(guī)劃和運(yùn)動響應(yīng)會有不同的額外約束條件，增加了任務(wù)規(guī)劃設(shè)計的復(fù)雜性。

3）水面無人艇能夠具有執(zhí)行多種任務(wù)的能力，主要依托于能夠搭載的不同任務(wù)載荷的設(shè)備功能。在任務(wù)規(guī)劃階段，利用單艇可以同時執(zhí)行多任務(wù)的特點(diǎn)，科學(xué)合理地進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，充分發(fā)揮集群作戰(zhàn)優(yōu)勢，形成無人艇集群綜合執(zhí)行能力，達(dá)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(yù)執(zhí)行任務(wù)的目標(biāo)來源較為廣泛，包括水面艦艇、可疑船只、入侵水面目標(biāo)、蛙人、水雷等。因此針對不同任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行作戰(zhàn)策略分析十分復(fù)雜，需要在作戰(zhàn)任務(wù)方案決策及評估階段對多種類的目標(biāo)加以考慮。

5）水面環(huán)境復(fù)雜，無人艇集群間處于強(qiáng)干擾弱聯(lián)通狀態(tài)，保持良好的通信質(zhì)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(xiàn)任務(wù)規(guī)劃整體方案的重要基礎(chǔ)[13]。

圖 3 平臺特點(diǎn)Fig.3 Platform characteristics

4 典型任務(wù)規(guī)劃方案研究

水面無人艇集群要形成自主作戰(zhàn)能力，需具備事前任務(wù)規(guī)劃及預(yù)評估能力，指揮員通過任務(wù)規(guī)劃及評估，針對特定任務(wù)進(jìn)行無人艇級別、數(shù)量、單艇設(shè)備、單艇作戰(zhàn)方案、協(xié)同方案等配置。以巡邏警戒任務(wù)為例進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃的方案研究，主要分為以下幾個階段：

1）固定區(qū)域巡邏階段

根據(jù)警戒區(qū)域的大小、任務(wù)持續(xù)的時間和無人艇續(xù)航能力，決定所需無人艇的數(shù)目，并對水面無人艇集群根據(jù)層次協(xié)同控制體系架構(gòu)進(jìn)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(jù)最短時間內(nèi)搜索整個巡邏區(qū)域的原則，結(jié)合無人艇單艇的探測能力進(jìn)行路徑規(guī)劃，具體制定每艘無人艇在執(zhí)行任務(wù)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(qū)域巡邏這一動作。

2）態(tài)勢感知和協(xié)同信息融合階段

無人艇在執(zhí)行巡邏警戒任務(wù)期間會收集大量的信息，根據(jù)無人艇搭載設(shè)備的不同，這些信息包括水面環(huán)境信息、水面目標(biāo)信息和水下目標(biāo)信息。依據(jù)層次協(xié)同控制體系架構(gòu)將信息匯總之后，需要對這些信息進(jìn)行融合并形成戰(zhàn)場態(tài)勢圖。

在戰(zhàn)場環(huán)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(jìn)行融合，形成整體態(tài)勢圖。

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

3）目標(biāo)識別階段

在警戒巡邏的過程中，需要對探測到的目標(biāo)進(jìn)行識別，判斷是否具有威脅，判斷是否對我方有敵視態(tài)度，從而為接下來的作戰(zhàn)決策提供依據(jù)。

4）作戰(zhàn)決策階段

識別出威脅目標(biāo)之后，需要根據(jù)整體態(tài)勢進(jìn)行無人艇集群作戰(zhàn)決策，以對目標(biāo)的捕獲概率最大化為原則對集群進(jìn)行任務(wù)分配。

5）警示驅(qū)離階段

在捕獲目標(biāo)后，利用無人艇所搭載的武器模塊載荷設(shè)備，可對入侵的威脅目標(biāo)實施警示射擊，將可疑目標(biāo)驅(qū)離警示區(qū)。完成該作戰(zhàn)動作后，返回原有區(qū)域繼續(xù)巡邏警戒。

5 結(jié) 語

通過對無人艇任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)概念、發(fā)展現(xiàn)狀、類型劃分等方面的探討，在基于水面無人艇平臺特點(diǎn)基礎(chǔ)上，討論無人艇任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的研究難點(diǎn)與特點(diǎn)，結(jié)合巡邏警戒任務(wù)對任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。通過以上分析研究，對未來任務(wù)規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行展望，主要包括以下幾個方面：

1）高效性實時規(guī)劃

在進(jìn)行全局任務(wù)規(guī)劃后，在外界環(huán)境、任務(wù)目標(biāo)的不斷變化及突發(fā)情況的不斷干擾下，需要對已規(guī)劃的任務(wù)路徑進(jìn)行調(diào)整，但僅僅依靠在控制端重新進(jìn)行任務(wù)分配和規(guī)劃的控制策略滿足不了無人艇的任務(wù)需求，布置在無人艇前端的實時規(guī)劃系統(tǒng)是必不可少的。同時，由于無人艇執(zhí)行任務(wù)過程中速度較快且戰(zhàn)場狀態(tài)瞬息萬變，對實時規(guī)劃系統(tǒng)提出了更加高效的要求。

2）任務(wù)系統(tǒng)融合一體化規(guī)劃

當(dāng)前的任務(wù)規(guī)劃研究偏向局部化、節(jié)點(diǎn)化，從整個任務(wù)系統(tǒng)信息融合后的全局規(guī)劃方向較少，規(guī)劃得到的結(jié)果往往不是最優(yōu)和最有效的，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)整體全局規(guī)劃研究，從系統(tǒng)的高度統(tǒng)籌任務(wù)規(guī)劃。

3）復(fù)雜任務(wù)規(guī)劃

目前的研究中，對多艇單任務(wù)單目標(biāo)、多艇單任務(wù)多目標(biāo)、單艇單任務(wù)多目標(biāo)及單艇多任務(wù)多目標(biāo)的研究已經(jīng)較為成熟，但未來戰(zhàn)場的復(fù)雜性特點(diǎn)對無人艇多艇協(xié)同任務(wù)提出了更高要求，需要對多艇多任務(wù)多目標(biāo)的規(guī)劃研究投入更多資源，滿足復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境背景下的多目標(biāo)規(guī)劃要求。