陳宣霏，沈 博，張 凡，楊 剛，周興社

（西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，西安 710129）

1 引 言

從近些年無人機(jī)在戰(zhàn)場上的實戰(zhàn)情況來看，無人機(jī)已經(jīng)顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢[1-2]。其特點是可以擔(dān)負(fù)在復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行特殊作戰(zhàn)任務(wù)，與有人機(jī)相比成本較低、具有較高的性價比，可以有效地避免人員傷亡。隨著無人機(jī)自主能力的提升，一些問題也隨之出現(xiàn)。無人機(jī)自主能力的增強可能會導(dǎo)致更高的系統(tǒng)復(fù)雜性，因此引發(fā)更多的事故。無人機(jī)自主能力需要監(jiān)督，不能違背倫理道德。同時，由于傳統(tǒng)戰(zhàn)場態(tài)勢的不確定性和動態(tài)性，多無人機(jī)作戰(zhàn)存在戰(zhàn)場態(tài)勢延遲、實時性不高的情況。有人機(jī)能夠靈活應(yīng)對戰(zhàn)場的態(tài)勢改變，及時處理一系列突發(fā)情況，協(xié)助無人機(jī)進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)決策，并實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢實時監(jiān)測?；谏鲜鲈?，在未來較長時間內(nèi)，有人機(jī)與無人機(jī)之間應(yīng)是相互補充的關(guān)系。如何實現(xiàn)有人機(jī)與無人機(jī)的協(xié)同作戰(zhàn)成為十分重要而又具有挑戰(zhàn)性的問題[3-6]。

近年來，對于協(xié)同作戰(zhàn)的任務(wù)分配問題的求解，有博弈論、線性規(guī)劃、遺傳算法和蟻群算法等方法。姚宗信等[7]根據(jù)多機(jī)協(xié)同對抗多目標(biāo)的空戰(zhàn)特征，以敵我雙方可能的相互攻擊組合方式為策略集，由敵我雙方對抗態(tài)勢分析定量結(jié)果確定支付函數(shù)，建立完全信息靜態(tài)博弈模型。通過求解博弈模型的混合策略納什均衡解，并結(jié)合一定作戰(zhàn)經(jīng)驗，形成任務(wù)決策方法。Darrah等[8]擴(kuò)展了使用混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）的已有研究，通過添加重要的新假設(shè)來分析任務(wù)分配問題的復(fù)雜性，在抑制敵方防空（SEAD）任務(wù)中有效地分配車輛。Shima等[9]針對多個目標(biāo)執(zhí)行多項任務(wù)分配協(xié)作無人機(jī)問題，提出了一種基于遺傳算法的解決方案?？苡⑿诺萚10]運用信息熵方法，結(jié)合主客觀兩方面的因素對多目標(biāo)攻擊條件下的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先權(quán)分析，建立傳感器作用于任務(wù)的效能矩陣，在此基礎(chǔ)上運用蟻群算法確定任務(wù)最優(yōu)分配方案。上述解決方案均引入了大量的運算。合同網(wǎng)協(xié)議（CNP）算法是由學(xué)者 Smith[11]提出并應(yīng)用到了任務(wù)分配領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者基于合同網(wǎng)協(xié)議針對有人/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同協(xié)商問題進(jìn)行了研究。Li等[12]針對戰(zhàn)場環(huán)境中情報獲取的不確定性和波動性對協(xié)同任務(wù)分配的影響，提出了一種不確定環(huán)境下有人/無人機(jī)的協(xié)同任務(wù)分配方法，用合同網(wǎng)協(xié)議對遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，并對其進(jìn)行求解。劉宏強等[13]采用合同網(wǎng)協(xié)議研究有人/無人機(jī)的任務(wù)分配問題，通過對合同網(wǎng)協(xié)議的改進(jìn)，實現(xiàn)對時序約束任務(wù)進(jìn)行處理。劉躍峰等[14]以合同網(wǎng)協(xié)議和多智能體系統(tǒng)（MAS）理論為基礎(chǔ)，建立了有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)分配模型。王然然等[15]以分布式合同網(wǎng)拍賣算法為基礎(chǔ)，構(gòu)建無人機(jī)集群任務(wù)拍賣架構(gòu)與拍賣收益函數(shù)，結(jié)合模擬退火算法協(xié)調(diào)任務(wù)執(zhí)行次序，采用A*算法完成兩任務(wù)點間的航程預(yù)估，在任務(wù)分配階段同步完成多無人機(jī)間協(xié)同航路的初規(guī)劃，確定最佳任務(wù)執(zhí)行次序，實現(xiàn)任務(wù)分配與協(xié)同航路規(guī)劃的緊耦合。

然而，傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議在解決有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同時具有不足之處。

（1）傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議沒有限制投標(biāo)者的數(shù)量，可能出現(xiàn)投標(biāo)者能力不足但仍會被分配到任務(wù)的情況，這就可能造成中標(biāo)的投標(biāo)者沒有能力去完成任務(wù)。同時，因為傳統(tǒng)合同網(wǎng)采取廣播的形式招標(biāo)，所以不限制投標(biāo)者的數(shù)量會增加通信負(fù)擔(dān)[16]。

（2）傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議執(zhí)行的都是離線任務(wù)，即招標(biāo)者將任務(wù)分配之后就結(jié)束整個過程，不關(guān)注中標(biāo)者是否能完成任務(wù)，任務(wù)是否會有變化，任務(wù)是否被完成，未針對任務(wù)分配之后戰(zhàn)場態(tài)勢的突然變化考慮相應(yīng)的協(xié)同對策，缺乏實時性。

有人機(jī)/無人機(jī)的任務(wù)協(xié)同是有人機(jī)/無人機(jī)相關(guān)研究中具有挑戰(zhàn)性的問題。首先，任務(wù)協(xié)同中的任務(wù)分配問題是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題，計算難度大。其次，由于無人機(jī)傳感器、自身載荷和能力的不同，能夠完成的任務(wù)類型也不同，所以多無人機(jī)的任務(wù)協(xié)同需要解決異構(gòu)多無人機(jī)任務(wù)協(xié)同問題。最后，針對戰(zhàn)場復(fù)雜多變的情況，有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同模型需要滿足一定的實時性，僅進(jìn)行離線任務(wù)分配已經(jīng)不足以抵抗復(fù)雜多變的戰(zhàn)場態(tài)勢。

基于以上，本文將無人機(jī)視為有一定自主決策能力的智能體，考慮有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同過程中戰(zhàn)場態(tài)勢及無人機(jī)狀態(tài)的變化，從靜態(tài)任務(wù)協(xié)同、動態(tài)任務(wù)協(xié)同、戰(zhàn)場實時執(zhí)行狀態(tài)反饋三個方面，考慮無人機(jī)的能力，對合同網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，建立有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同模型，以提高有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同的實時性和高效性。

2 基于擴(kuò)展合同網(wǎng)協(xié)議的有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同方法

2.1 有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同過程

2.1.1 靜態(tài)任務(wù)分配

靜態(tài)任務(wù)的分配是指有人機(jī)/無人機(jī)編隊在出發(fā)之前，便由有人機(jī)根據(jù)能力、任務(wù)執(zhí)行時間以及任務(wù)負(fù)載，將目前的任務(wù)分配給合適的無人機(jī)。若無人機(jī)能力不夠，就由有人機(jī)執(zhí)行。任務(wù)分配完之后再出發(fā)到戰(zhàn)場。

2.1.2 戰(zhàn)場實時執(zhí)行狀態(tài)反饋

（1）戰(zhàn)場實時執(zhí)行狀態(tài)反饋是指有人機(jī)/無人機(jī)編隊在任務(wù)執(zhí)行過程中，由有人機(jī)實時監(jiān)測戰(zhàn)場態(tài)勢以及無人機(jī)的狀態(tài)，并對戰(zhàn)場態(tài)勢及無人機(jī)狀態(tài)的變化及時做出處理或決策，以達(dá)到完成任務(wù)的目的。根據(jù)監(jiān)測對象的不同，可將戰(zhàn)場實時執(zhí)行狀態(tài)反饋分為無人機(jī)實時執(zhí)行狀態(tài)反饋和任務(wù)實時狀態(tài)反饋。根據(jù)有人機(jī)監(jiān)測方式的不同，可將戰(zhàn)場實時執(zhí)行狀態(tài)反饋分為主動反饋及查詢反饋。

（2）無人機(jī)實時執(zhí)行狀態(tài)反饋是指無人機(jī)在任務(wù)執(zhí)行過程中，有人機(jī)總是能及時地獲得關(guān)于無人機(jī)的各類信息。根據(jù)無人機(jī)的狀態(tài)，可將無人機(jī)實時執(zhí)行狀態(tài)反饋分為兩類。①無人機(jī)主動將戰(zhàn)場態(tài)勢反饋給有人機(jī)。無人機(jī)在任務(wù)執(zhí)行過程中每過一段時間就主動將自己的狀態(tài)信息返回給有人機(jī)。②無人機(jī)如因故障等不能主動反饋，則由有人機(jī)查詢反饋無人機(jī)狀態(tài)，并根據(jù)無人機(jī)的狀態(tài)的改變做出相應(yīng)決策。

（3）任務(wù)實時狀態(tài)反饋是指有人機(jī)查詢反饋任務(wù)的狀態(tài)。

2.1.3 動態(tài)任務(wù)分配

動態(tài)任務(wù)分配是指根據(jù)戰(zhàn)場實時執(zhí)行狀態(tài)反饋的信息可能會引發(fā)的任務(wù)重分配，具體包括以下三種情況。

（1）執(zhí)行過程中出現(xiàn)了新的任務(wù)，由有人機(jī)接管并進(jìn)行任務(wù)重分配。

（2）無人機(jī)因某些原因（能力不足或故障等）不能繼續(xù)完成任務(wù)，由有人機(jī)接管進(jìn)行任務(wù)重分配。

（3）已分配的任務(wù)移動或變化，由有人機(jī)接管進(jìn)行任務(wù)重分配。

基于以上所述，本文所描述的有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同問題是一個分布式協(xié)商問題，且具有實時性，所以選用合同網(wǎng)協(xié)議并進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同模型。

本文的有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同模型將區(qū)別于多無人機(jī)任務(wù)協(xié)同模型，采用集中式任務(wù)分配的模式，同時考慮到實際戰(zhàn)場狀況。有人機(jī)在無人機(jī)能力不足的情況是可以執(zhí)行任務(wù)的，所以在本文中將有人機(jī)視為任務(wù)的招標(biāo)者，有人機(jī)或無人機(jī)作為任務(wù)的投標(biāo)者和中標(biāo)者以及執(zhí)行者。

2.2 基于傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議的擴(kuò)展

2.2.1 建立投標(biāo)庫

在每一個任務(wù)招標(biāo)時，有人機(jī)根據(jù)無人機(jī)的能力和各自對應(yīng)的任務(wù)負(fù)載建立投標(biāo)庫，將有能力且任務(wù)負(fù)載不高的無人機(jī)加入投標(biāo)庫，作為本輪可以參與投標(biāo)的無人機(jī)，以此來減少通信量，同時也保證了被分配了該任務(wù)的無人機(jī)有能力完成該任務(wù)。

2.2.2 增加有人機(jī)/無人機(jī)“握手保持”

增加有人機(jī)/無人機(jī)“握手保持”來實現(xiàn)任務(wù)實時執(zhí)行狀態(tài)反饋，從而考慮對引發(fā)的任務(wù)重分配的處理。對于有人機(jī)對戰(zhàn)場態(tài)勢的監(jiān)測，根據(jù)對象的不同，分為兩種情況：一是無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)反饋，二是任務(wù)狀態(tài)反饋，這里主要考慮任務(wù)區(qū)域或坐標(biāo)點的變化。而無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)反饋又可分為兩種方式：一是主動反饋，無人機(jī)主動進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)反饋；二是查詢反饋，無人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)通過有人機(jī)查詢的方式被動地被有人機(jī)獲得。這里設(shè)置一個有人機(jī)與無人機(jī)握手保持的時間閾值，如果有人機(jī)距離上一次該無人機(jī)主動進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)反饋的時間超過了該無人機(jī)設(shè)置的時間閾值，就進(jìn)行查詢反饋，以便能實時地掌握戰(zhàn)場態(tài)勢。

有人機(jī)發(fā)現(xiàn)新任務(wù)，通過“招標(biāo)-投標(biāo)-中標(biāo)”過程完成對任務(wù)的分配，中標(biāo)者是執(zhí)行該任務(wù)獲得的整體綜合效能最大的無人機(jī)或者是無人機(jī)能力不足以完成任務(wù)，協(xié)助完成任務(wù)的有人機(jī)。任務(wù)分配的整體綜合效能主要考慮能力匹配原則、任務(wù)最小完成時間原則、任務(wù)負(fù)載均衡原則。

2.3 基于擴(kuò)展合同網(wǎng)協(xié)議的有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同過程

為了確保分配到的任務(wù)盡可能都能完成，本文對于傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議步驟1進(jìn)行改進(jìn)如下。

步驟1：建立投標(biāo)庫

在任務(wù)發(fā)布之前，有人機(jī)根據(jù)任務(wù)所需能力對無人機(jī)進(jìn)行能力評估，對于有能力完成該任務(wù)的無人機(jī)建立一個投標(biāo)庫。

步驟2：任務(wù)發(fā)布

有人機(jī)根據(jù)步驟1建立的投標(biāo)庫對投標(biāo)庫里的無人機(jī)組廣播任務(wù)信息，以確保中標(biāo)的無人機(jī)有能力完成該任務(wù)。

步驟3：投標(biāo)

投標(biāo)庫里的無人機(jī)收到任務(wù)信息之后計算完成該項任務(wù)所需要花費的成本，并有完成這項任務(wù)的意愿，就向有人機(jī)投標(biāo)。

步驟4：中標(biāo)

任務(wù)發(fā)布后，有人機(jī)將會進(jìn)入等待狀態(tài)，且在此期間會持續(xù)收集并記錄無人機(jī)發(fā)送過來的標(biāo)書。當(dāng)收到投標(biāo)庫里所有無人機(jī)的投標(biāo)信息后，或任務(wù)投標(biāo)日期截止，有人機(jī)將停止接收標(biāo)書。然后收集的所有標(biāo)書信息進(jìn)行綜合評估，從中選擇出最合適的無人機(jī)，并將任務(wù)信息發(fā)送給該無人機(jī)。若沒有可以完成該任務(wù)的無人機(jī)，該任務(wù)則由有人機(jī)執(zhí)行。

步驟5：執(zhí)行任務(wù)

無人機(jī)或有人機(jī)收到中標(biāo)的消息后會給有人機(jī)反饋一個任務(wù)確認(rèn)的信息。自此，該任務(wù)就分配完成，將該任務(wù)加入到對無人機(jī)或有人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行隊列里。如果無人機(jī)或有人機(jī)后續(xù)不能完成任務(wù)，則向有人機(jī)發(fā)出取消任務(wù)的信息，然后任務(wù)分配將會回到步驟 4，有人機(jī)將會進(jìn)行新一輪的招標(biāo)過程。

為了有人機(jī)能實時監(jiān)測戰(zhàn)場態(tài)勢以及無人機(jī)的狀態(tài)等各種突發(fā)任務(wù)，提高有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同的高效性和實時性，本文對合同網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行了如下擴(kuò)展。

步驟6：握手保持

有人機(jī)將任務(wù)分配給無人機(jī)后，無人機(jī)便會定期向有人機(jī)反饋自己的狀態(tài)以及任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)。若無人機(jī)在設(shè)定的時間范圍內(nèi)沒有向有人機(jī)進(jìn)行任務(wù)反饋，有人機(jī)便主動進(jìn)行查詢，并對此刻無人機(jī)狀態(tài)及任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)的改變做出實時性的決策，進(jìn)行任務(wù)重分配，以便保證任務(wù)的完成。合同網(wǎng)擴(kuò)展步驟圖如圖1所示。

圖1 合同網(wǎng)擴(kuò)展步驟圖Fig.1 Contract network extension step diagram

本文的任務(wù)協(xié)同模式為串行，是對任務(wù)的順序分配，相較于并行，因本文的協(xié)同模式考慮節(jié)點能力的因素，并根據(jù)能力實時地進(jìn)行任務(wù)協(xié)同，而并行則存在某次任務(wù)協(xié)同所得到的節(jié)點的能力不是最新狀態(tài)的能力，從而導(dǎo)致任務(wù)分配出錯或失敗的情況。所以綜合考慮本文是在任務(wù)順序分配的前提下進(jìn)行的。

具體任務(wù)協(xié)同過程如圖2所示。

圖2 有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同過程圖Fig.2 MAV/UAV task collaborative process diagram

該任務(wù)協(xié)同過程圖將每一個任務(wù)都看作是不同時期的一個新任務(wù)，所以再分配完第一個任務(wù)之后，如果戰(zhàn)場態(tài)勢檢測時發(fā)現(xiàn)還有未分配的任務(wù)，則繼續(xù)任務(wù)分配，該任務(wù)分配圖為整個任務(wù)協(xié)同過程的分配圖。

3 基于擴(kuò)展合同網(wǎng)協(xié)議的有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同模型

3.1 任務(wù)協(xié)同建模

因本文中，有人機(jī)與無人機(jī)都有參加任務(wù)的可能，所以將本文中的有人機(jī)和無人機(jī)抽象為一個Role_node節(jié)點，根據(jù)節(jié)點的類型來判斷是有人機(jī)還是無人機(jī)。本文針對一架有人機(jī)與多架無人機(jī)組成的任務(wù)編隊，執(zhí)行偵察或攻擊等任務(wù)，進(jìn)行任務(wù)協(xié)同研究。假設(shè)當(dāng)前有N個節(jié)點，其中包含一架有人機(jī)和N-1架無人機(jī)，將M個子任務(wù)分配給這N個節(jié)點，節(jié)點集合記為Role_nodei={Role_node1,Role_node2, ···,Role_noden}, 1≤i≤N，任務(wù)集合為targetj={target1,target2,···,targetm},1≤j≤M。構(gòu)建任務(wù)分配矩陣N×M Dis

式中，Role_nodej={id,type,team_id,homePos,state,ability,value,task_queue}，id表示每個節(jié)點的唯一標(biāo)識，type表示節(jié)點類型，type∈ {MAV,UAV}，MAV表示有人機(jī)，UAV表示無人機(jī)。team_id表示節(jié)點所在的team，homePos={x,y}，表示節(jié)點的起始位置，是節(jié)點的起始坐標(biāo)點。state表示節(jié)點的工作狀態(tài)，空閑、執(zhí)行任務(wù)中或失效等，ability會根據(jù)節(jié)點的角色，有不同權(quán)重的能力描述，0表示沒有該能力，1表示該能力最強，value表示節(jié)點的價值，taskqueue={target1,target3,…} 是分配的任務(wù)隊列。targetj={id,tag,ability_need,priority,reward,threat,state,is_change}，id表示每個任務(wù)的唯一標(biāo)識，tag標(biāo)記任務(wù)類型，比如攻擊任務(wù)還是偵察任務(wù)等，ability_need表示該任務(wù)的能力需求，0表示沒有該能力的需求，1表示需要該能力且需求度最大。priority代表任務(wù)優(yōu)先級，reward表示任務(wù)完成價值，threat表示任務(wù)威脅，state代表任務(wù)狀態(tài)已完成還是未分配、已分配，is_change說明任務(wù)是否產(chǎn)生變化，比如面任務(wù)區(qū)域是否有擴(kuò)大或縮小，點任務(wù)是否改變坐標(biāo)位置。

3.2 任務(wù)協(xié)同效能函數(shù)構(gòu)建

3.2.1 任務(wù)完成收益函數(shù)

任務(wù)完成收益是根據(jù)任務(wù)價值和優(yōu)先級決定的。任務(wù)的價值會根據(jù)優(yōu)先級增長，越緊急的任務(wù)，完成之后的收益越高。

3.2.2 任務(wù)執(zhí)行損失函數(shù)

任務(wù)執(zhí)行損失包括任務(wù)威脅損失、節(jié)點航跡代價和節(jié)點消耗代價三部分。

（1）任務(wù)威脅損失函數(shù)

任務(wù)威脅損失是指分配到任務(wù)的節(jié)點在完成該任務(wù)時，會因為任務(wù)的威脅能力造成自身有一些損失。是根據(jù)節(jié)點的價值和任務(wù)的威脅能力決定的。

（2）節(jié)點航跡代價函數(shù)

節(jié)點航跡代價是指被分配任務(wù)的節(jié)點在執(zhí)行任務(wù)過程中飛往任務(wù)的代價消耗。

式中，len(rangeij)是節(jié)點飛往任務(wù)的距離，V(Rolenodei)是節(jié)點的速度。

（3）節(jié)點消耗代價

節(jié)點消耗代價是指節(jié)點在完成所分配任務(wù)時所會消耗的能力。

任務(wù)執(zhí)行損失：

3.2.3 節(jié)點任務(wù)負(fù)載

在任務(wù)分配過程中，對于將任務(wù)分配給哪一個，本文考慮將節(jié)點任務(wù)負(fù)載考慮進(jìn)去，以便能更好地達(dá)到任務(wù)分配的全局最優(yōu)。

單個節(jié)點的任務(wù)負(fù)載為：Nodeload(Role_nodei)，所有節(jié)點平均負(fù)載為

式中，M為節(jié)點數(shù)目。

3.2.4 任務(wù)協(xié)同效能函數(shù)

其中，當(dāng)節(jié)點不滿足當(dāng)前所分配任務(wù)所需要的能力或節(jié)點執(zhí)行任務(wù)的航程不應(yīng)大于它的最大航程時，任務(wù)協(xié)同效能為0。

3.3 任務(wù)協(xié)同條件約束

（1）每個任務(wù)只需要一個有人機(jī)或無人機(jī)執(zhí)行，即滿足

（2）節(jié)點航程約束

節(jié)點執(zhí)行任務(wù)的航程不應(yīng)大于它的最大航程，即滿足

式中 ，Lmax為該節(jié)點的最大航程。

（3）執(zhí)行時間約束

滿足任務(wù)執(zhí)行時間最小，即滿足

（4）有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)編隊執(zhí)行完任務(wù)之后效能最大，即滿足

4 實驗結(jié)果及分析

該實驗是以有人機(jī)/無人機(jī)攻擊任務(wù)協(xié)同為場景，驗證本文研究的有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同模型的有效性。該場景下，任務(wù)集合為多個目標(biāo)點的集合。其中，有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)編隊共5架，攻擊任務(wù)中的初始任務(wù)點共9個。

在進(jìn)行任務(wù)協(xié)同之前，先將傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議分配與本文的基于拓展合同網(wǎng)協(xié)議的任務(wù)分配進(jìn)行對比，這里主要對比的是靜態(tài)任務(wù)分配階段，因后續(xù)涉及的一系列動態(tài)分配過程，傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議并未對此給出分配方法，而這也是本文實時性和動態(tài)性的由來。本實驗在基礎(chǔ)條件一樣的情況下，將傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議分配方法與本文提出的基于合同網(wǎng)擴(kuò)展的任務(wù)分配方法分別進(jìn)行200組實驗，將每10組的執(zhí)行時間取平均值，進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行時間的對比。這20組平均值繪制如圖3所示。

圖3 任務(wù)分配對比圖Fig.3 Task assignment comparison chart

表1 有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)編隊屬性信息表Table 1 MAV/UAV task formation attribute information table

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，基于擴(kuò)展合同網(wǎng)協(xié)議的任務(wù)分配的執(zhí)行時間在80%以上的時間都要比傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議分配的任務(wù)執(zhí)行時間短，以此說明本文提出的擴(kuò)展合同網(wǎng)協(xié)議的任務(wù)分配是有效的。

4.1 靜態(tài)任務(wù)分配

如圖4所示為傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議任務(wù)分配及基于擴(kuò)展合同網(wǎng)協(xié)議的靜態(tài)任務(wù)分配的軌跡圖，圖5所示為每個節(jié)點的負(fù)載圖。根據(jù)兩種方法的負(fù)載圖可知，在靜態(tài)任務(wù)分配時，本文所提出的方法分配任務(wù)的執(zhí)行時間比傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議分配任務(wù)的執(zhí)行時間短，以此來證明本文所提出的方法有效。同時，根據(jù)分配圖可知，UAV5的攻擊能力為 0.6，但傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議的分配方法卻將攻擊能力需求為0.7的任務(wù)4分配給UAV5，這屬于不合理現(xiàn)象，更加印證了本文提出的任務(wù)協(xié)同方法的有效性。此時，有人機(jī)/無人機(jī)武器數(shù)量為{92，4，1，2，0}。

圖4 靜態(tài)任務(wù)分配Fig.4 Static task assignment

圖5 節(jié)點任務(wù)負(fù)載圖Fig.5 Node task load graph

4.2 任務(wù)點變化

在本輪任務(wù)協(xié)同時，有人機(jī)監(jiān)測到在第3秒時任務(wù)4發(fā)生了移動，所以引發(fā)了對任務(wù)4的重分配，此時有人機(jī)/無人機(jī)武器數(shù)量為{92，4，5，2，0}。能力足夠的無人機(jī)根據(jù)通過本模型設(shè)計的效能函數(shù)計算得出各自對于完成任務(wù)4的效能，來向有人機(jī)投標(biāo)，因為任務(wù)4所需要的武器數(shù)量為4，滿足該武器需求的無人機(jī)有UAV2、UAV3，根據(jù)效能函數(shù)的計算發(fā)現(xiàn)該任務(wù)由UAV3執(zhí)行時間更短、效能更高，所以該任務(wù)由UAV3執(zhí)行。有人機(jī)/無人機(jī)武器數(shù)量更新為{92，4，1，2，0}。任務(wù)變化之后的任務(wù)分配圖如圖6所示。

圖6 任務(wù)點變化的任務(wù)分配Fig.6 Task assignments that vary at task points

4.3 節(jié)點失效

在本輪任務(wù)協(xié)同中，有人機(jī)監(jiān)測到在第5秒時UAV2失效了，但UAV2的任務(wù)隊列中還有任務(wù)7沒有完成，所以有人機(jī)全面接管UAV2的任務(wù)隊列，對任務(wù)隊列里未完成的任務(wù)進(jìn)行任務(wù)重分配。若任務(wù)隊列里有多個未完成的任務(wù)，分配按照任務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行。此時，任務(wù)隊列里只有一個任務(wù)7，所以通過表2可得任務(wù)7所需要的武器數(shù)量為 2，所以有人機(jī)向有能力完成該任務(wù)的UAV4招標(biāo)，UAV4在計算了自己的效能函數(shù)之后向有人機(jī)投標(biāo)，有人機(jī)將任務(wù)7分配給UAV4，同時UAV2失效，我們也認(rèn)為它沒有能力執(zhí)行接下來的所有任務(wù)，所以將武器數(shù)量置為 0，且標(biāo)記為已失效。此時，有人機(jī)/無人機(jī)武器數(shù)量更新為{92，0，1，0，0}。UAV2失效后的任務(wù)分配如圖7所示。

表2 任務(wù)初始信息表(按照優(yōu)先級排序)Table 2 Task initial information table (sorted by priority)

圖7 UAV3失效后的任務(wù)分配Fig.7 Task assignment after UAV3 failure

4.4 動態(tài)任務(wù)

在本輪任務(wù)協(xié)同中，有人機(jī)監(jiān)測到在第7秒時出現(xiàn)了新的任務(wù)10，此時任務(wù)10由有人機(jī)接管并進(jìn)行任務(wù)重分配。該任務(wù)所需的攻擊武器為20，而目前沒有能滿足該能力的無人機(jī)，所以該任務(wù)由有人機(jī)執(zhí)行。動態(tài)任務(wù)分配如圖8所示。

圖8 動態(tài)任務(wù)分配Fig.8 Dynamic task assignments

本輪將新任務(wù)10分配給了MAV，有人機(jī)/無人機(jī)武器數(shù)量更新為{72，0，1，0，0}。

在之后的任務(wù)執(zhí)行過程中戰(zhàn)場再沒有其他突發(fā)狀況產(chǎn)生，至此所有任務(wù)分配協(xié)同完成。本文所提出的擴(kuò)展合同網(wǎng)協(xié)議的任務(wù)協(xié)同方法在面對戰(zhàn)場的突發(fā)情況時有應(yīng)對措施，且有較高的實時性，實驗情況較好。

5 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議分配方法上進(jìn)行拓展，建立有人機(jī)/無人機(jī)任務(wù)協(xié)同模型。在投標(biāo)時減少投標(biāo)者的數(shù)量，緩解了傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議分配方法中廣播方式進(jìn)行招標(biāo)產(chǎn)生的通信量，減少了資源的浪費，且在分配時考慮無人機(jī)能力，確保除突發(fā)事件外任務(wù)分配之后能順利完成。同時，在任務(wù)執(zhí)行過程中讓有人機(jī)實時監(jiān)測，對于戰(zhàn)場突發(fā)狀況能及時處理，解決了傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議分配方法只能執(zhí)行離線任務(wù)的缺點，提高了其實時性。與傳統(tǒng)合同網(wǎng)協(xié)議分配方法相比，本文提出的任務(wù)協(xié)同方法減少了任務(wù)的執(zhí)行時間，具有較好的實時性和可行性。