水面无人艇任务规划系统分析

马向峰，韩 玮，谢杨柳

(中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094)

0 引 言

水面无人艇[1-2]是一种无人操作的水面舰艇，能够通过自主规划进行自主航行，并且能够采用自主方式或人工干预方式完成多种任务，主要用于执行危险及不适于有人船只执行的任务，提高作战效能的同时也降低了作战人员的伤亡。通过环境感知、自主控制、信息传输与任务载荷作用等多个环节，可执行多种任务。水面无人艇能在非结构化的、不确定性的海洋环境下执行包括情报侦察、海洋调查、中继通信、警戒巡逻、反水雷、火力打击、信息对抗等多种任务，任务规划系统是其非常重要的组成部分。

无人艇的任务规划系统能根据预设任务进行规划，可输出执行该任务的任务序列，而且能对在海洋调查等任务执行过程中遇到的突发事件进行有效分析并实时调整策略。任务规划在一定程度上标志着无人艇的智能水平，是进行决策和规划的关键组件，科学合理的任务规划能够最大限度发挥无人艇集群的任务执行能力。

1 任务规划系统概念及现状

任务规划是对周围环境进行分析后，根据预定目标，对可选择的动作及所提供的资源限制进行推理，综合制定出实现目标的动作序列。以美国为例，在军事领域的起源来自于“军用飞行器”，到目前为止经历了原始阶段，起步阶段，集约阶段和扩张阶段[3-5]。

在未来的军事应用中，高精尖的武器设备会更加信息化、隐身化、智能化、无人化、轻量化，其中典型的代表就是水面无人艇。无人艇具有良好的隐蔽性能、轻便灵巧的艇体，并且可以减少战场对作战人员的直接伤害。无人艇的任务规划技术则是影响其作战效能的重要因素。

水面无人艇根据电子海图和接受的上级任务首先进行全局规划，任务规划模块在任务信息、海图信息、探测目标信息、环境信息、水文气象信息、接受外界信息的综合影响下，生成无人艇执行机构的执行动作序列。在任务执行的过程中，任务规划模块会根据实时的任务返回信息、当前的环境目标信息与突发情况进行任务规划序列的调整，并会根据新的任务指示进行任务间的协调[6-7]。

无人艇单艇任务规划是为了在无人艇最优航行线路的基础上，规定搭载任务载荷的任务执行动作，完成上级下发的指定任务。同时，任务规划生成的任务执行序列要满足安全性约束、平台机动能力约束、载荷设备性能约束、通信能力约束、传感器探测能力约束、环境条件约束等要求。无人艇多艇集群任务规划重点研究如何使任务目标合理分解到单艇，充分发挥单艇的最大优势，保证多艇间安全、高效的执行相应任务[8 - 11]。

2 任务规划系统类型划分

水面无人艇任务规划系统分类主要包括执行任务类型、执行规划设备属性与任务阶段3 个方面。

图 1 任务规划类型划分Fig.1 Task planning type division

2.1 按照执行任务类型划分

水面无人艇任务规划主要针对不同任务类型进行规划。

水面无人艇的任务类型主要包括情报侦察、海洋调查、中继通信、警戒巡逻、反水雷、火力打击、信息对抗等七大类，其中各任务类型中可详细分为多个典型任务，任务规划则需要根据具体的典型任务类型给出不同的策略和任务规划方案。任务规划模块可在任务执行前和任务执行中根据不同的任务类型和预设、探测到的典型目标进行单艇或无人艇集群的任务规划。其中编队协同任务规划包含各执行节点无人艇与母舰协同规划以及预先规划的各节点无人艇任务分配，单艇任务规划则是分解分配到的任务，得到任务执行序列。

2.2 按照执行规划的设备属性划分

从执行任务规划的设备属性方面将任务规划分为航行路径规划和任务载荷规划。航行路径规划的主要目的是保证平台状态可以满足任务载荷有效工作的要求，任务载荷规划的主要目的是在任务执行过程中的不同阶段为任务载荷设备提供执行动作方案。除此之外的通信链路规划、系统应急响应规划等可以划分至航行路线规划和任务载荷规划范围内。

2.3 按照作战任务阶段划分

任务规划可分为任务分析、规划方案生成、规范推演及效能评估、方案下达及任务执行、任务执行中实时规划，以及在线重新规划等具体规划过程。

其中任务执行中实施规划主要是无人艇根据实时外部情况，对航行路线的自主规划。在线重新规划则由于外部实时情况比预计规划方案变化较多，需要在远程控制台处对任务进行重新规划并进行推演评估，然后重新下达任务规划方案并以此执行。在整个任务执行完毕后，应具备实际任务完成与预先任务规划的对比功能，为后续规划模型提供数据支撑。

3 任务规划系统特点分析

水面无人艇真正具有自主能力的代表性表现是能够与外部环境进行实时交互，表现为能够在执行任务之前完成基于全局信息的全局任务规划，且在任务执行过程中遇到突发事件后进行实时的规划，也表现在突破未知、不可预测的外界环境干扰，能够完成预定的复杂使命。

3.1 环境特点分析

水面无人艇能够在复杂的、不确定的环境下完成特定使命，必须规划出一个有效的任务序列，这对完成任务是必不可缺的。任务规划是水面无人艇系统的重要组成部分，在一定程度上标志着水面无人艇的工作水平，也是提升无人艇智能化水平的重要方向。而无人艇任务规划的难度会随着海洋环境信息复杂性特点而增加，这些特点包括：

1）不确定性

无人艇面对的不确定性包括环境信息不确定、突发情况不确定、探测信息不确定和预测行为不确定等。虽然先进的探测仪器和探测手段能够在环境数据获取中给予很大帮助，但海洋环境的不确定性和随机性却是无法进行准确探测和预测的。由于安装在水面无人艇上的传感器种类和数量不同，使得返回的环境信息是不确定的。另外，水面无人艇在进行行为决策时可能会采用不同的行为选择机制也会造成行为选择及行为影响的不确定性。

2）有限的资源约束

各个系统使用的统一资源量的总和不能超过水面无人艇所提供的这种资源的总量。

3）实时性要求

指的是任务的实时性要求，比如在水面无人艇遇到障碍物时，必须要求水面无人艇能尽快采取动作，保证其安全。

4）运动性能约束

根据水面无人艇自身性能确定的运动情况，比如水面无人艇的最大续航能力、最大转角半径等运动约束情况。

5）活动之间并发性约束

如水面无人艇对目标进行探测时要求水面无人艇的姿态调整同时将视野调整为对准目标的方向。

6）故障情况

无人艇在复杂多变的海洋环境中执行任务，其系统、设备、零部件的损耗及软件方面的故障是不可避免的。

7）任务目标的多样性

水面无人艇需要兼顾探测、跟踪、取证、打击等多种类型的任务，任务目标涵盖多样，既包括水面航行的动静态、高低速、全方位的水面目标，也包括水下目标，不同的目标类型决定了无人艇必须具备处理多样性目标的能力。

8）船舶感知数据分析与处理

水面无人艇运行过程中收集到的数据类型复杂多样、时空耦合且变异特性显著、随机性强、离散性高，需要建立合理的存储机制和检索分析算法，满足基于海量数据的任务规划。

以上各种环境特点的约束决定了进行任务规划时要统筹全局，不仅满足任务的合理分解，还要对资源、效率、时间、难易程度等方面进行合理的优化。

图 2 环境特点Fig.2 Environmental characteristics

3.2 水面无人艇平台特点分析

与其他无人平台相比，水面无人艇平台具有自身的特殊性，在进行无人艇任务规划技术研究时，需要加以分析和明确。

水面无人艇任务规划技术需要考虑以下几个特点：

1）水面无人艇均使用常规推进系统，由于无人艇在水面风浪流的共同作用下进行6 个自由度的运动，这一运动特性决定了水面无人艇是一个欠驱动系统[12]，不易实现精确控制。此外，由于定位系统和海图系统自身的精度约束，导致水面无人艇航迹精度的控制难度比较大。因此，对于单艇的航迹规划以及控制算法需要结合单艇自身的水动力性能和动力推进性能进行优化，确保单艇具备足够的任务执行能力。

2）水面无人艇在执行任务过程中要具备航行任务一体化控制能力，即航行过程中要满足任务载荷对平台及环境的要求。例如在执行探雷任务时，无人艇的航行特性必须满足声呐设备的工况条件。由于水面无人艇会根据不同的任务需求同时搭载多种设备，因此不同的任务载荷下对于无人艇航迹规划和运动响应会有不同的额外约束条件，增加了任务规划设计的复杂性。

3）水面无人艇能够具有执行多种任务的能力，主要依托于能够搭载的不同任务载荷的设备功能。在任务规划阶段，利用单艇可以同时执行多任务的特点，科学合理地进行任务规划，充分发挥集群作战优势，形成无人艇集群综合执行能力，达到集群能力大于单艇能力简单集合的效果。

4）水面无人艇预执行任务的目标来源较为广泛，包括水面舰艇、可疑船只、入侵水面目标、蛙人、水雷等。因此针对不同任务目标进行作战策略分析十分复杂，需要在作战任务方案决策及评估阶段对多种类的目标加以考虑。

5）水面环境复杂，无人艇集群间处于强干扰弱联通状态，保持良好的通信质量难度较大。因此，研究集群之间的信息共享策略以及保证信息通信的可靠性和安全性，是顺利实现任务规划整体方案的重要基础[13]。

图 3 平台特点Fig.3 Platform characteristics

4 典型任务规划方案研究

水面无人艇集群要形成自主作战能力，需具备事前任务规划及预评估能力，指挥员通过任务规划及评估，针对特定任务进行无人艇级别、数量、单艇设备、单艇作战方案、协同方案等配置。以巡逻警戒任务为例进行任务规划的方案研究，主要分为以下几个阶段：

1）固定区域巡逻阶段

根据警戒区域的大小、任务持续的时间和无人艇续航能力，决定所需无人艇的数目，并对水面无人艇集群根据层次协同控制体系架构进行分组划分，指定每组无人艇以及单艘无人艇的巡逻警戒范围。

可以根据最短时间内搜索整个巡逻区域的原则，结合无人艇单艇的探测能力进行路径规划，具体制定每艘无人艇在执行任务时初始的巡逻路径。由于任意巡逻路径都可以分解为直线和圆弧这两类基本航迹的组合，因此无人艇只需具备满足一定精度要求的航迹跟踪能力，就可以完成固定区域巡逻这一动作。

2）态势感知和协同信息融合阶段

无人艇在执行巡逻警戒任务期间会收集大量的信息，根据无人艇搭载设备的不同，这些信息包括水面环境信息、水面目标信息和水下目标信息。依据层次协同控制体系架构将信息汇总之后，需要对这些信息进行融合并形成战场态势图。

在战场环境地图已知的情况下，需要将每艘无人艇获得的局部信息进行融合，形成整体态势图。

在战场环境地图未知的情况下，则需要重点解决同时定位与地图构建问题（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM），即在没有环境先验信息的情况下，无人艇需要在运动过程中不断进行环境的信息探测、信息积累与信息构建，最终建立环境模型，并且根据建立的环境模型不断优化修正自身的运动[14]。

3）目标识别阶段

在警戒巡逻的过程中，需要对探测到的目标进行识别，判断是否具有威胁，判断是否对我方有敌视态度，从而为接下来的作战决策提供依据。

4）作战决策阶段

识别出威胁目标之后，需要根据整体态势进行无人艇集群作战决策，以对目标的捕获概率最大化为原则对集群进行任务分配。

5）警示驱离阶段

在捕获目标后，利用无人艇所搭载的武器模块载荷设备，可对入侵的威胁目标实施警示射击，将可疑目标驱离警示区。完成该作战动作后，返回原有区域继续巡逻警戒。

5 结 语

通过对无人艇任务规划系统概念、发展现状、类型划分等方面的探讨，在基于水面无人艇平台特点基础上，讨论无人艇任务规划系统的研究难点与特点，结合巡逻警戒任务对任务规划系统进行分析研究。通过以上分析研究，对未来任务规划技术进行展望，主要包括以下几个方面：

1）高效性实时规划

在进行全局任务规划后，在外界环境、任务目标的不断变化及突发情况的不断干扰下，需要对已规划的任务路径进行调整，但仅仅依靠在控制端重新进行任务分配和规划的控制策略满足不了无人艇的任务需求，布置在无人艇前端的实时规划系统是必不可少的。同时，由于无人艇执行任务过程中速度较快且战场状态瞬息万变，对实时规划系统提出了更加高效的要求。

2）任务系统融合一体化规划

当前的任务规划研究偏向局部化、节点化，从整个任务系统信息融合后的全局规划方向较少，规划得到的结果往往不是最优和最有效的，应当加强整体全局规划研究，从系统的高度统筹任务规划。

3）复杂任务规划

目前的研究中，对多艇单任务单目标、多艇单任务多目标、单艇单任务多目标及单艇多任务多目标的研究已经较为成熟，但未来战场的复杂性特点对无人艇多艇协同任务提出了更高要求，需要对多艇多任务多目标的规划研究投入更多资源，满足复杂任务、复杂环境背景下的多目标规划要求。