無人機(jī)人機(jī)協(xié)作控制權(quán)限分配方法研究

毛鵬飛 張杰 吳昊

摘 要 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)雜建模和決策算法都得到了長足的進(jìn)步，這兩種進(jìn)步的進(jìn)步又推動了無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)的發(fā)展，使其更加完善，決策更加智能，但是部分問題依舊存在耗時(shí)長、難處理的情況，而目前啟發(fā)式的方法并不能提供滿意解，在這種情況下，就需要人、機(jī)分別完成不同的決策功能，以適當(dāng)?shù)淖詣踊燃墎韺?shí)現(xiàn)決策過程，可以充分結(jié)合人的和自動化系統(tǒng)各自的優(yōu)勢。本文將從人機(jī)能力優(yōu)勢比較，系統(tǒng)自動化等級劃分，決策分配原則和評估準(zhǔn)則，決策分配方法步驟等無人機(jī)人機(jī)協(xié)作控制分配相關(guān)問題進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞 自動化等級 無人機(jī)決策分配 人機(jī)協(xié)同

中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1人機(jī)能力優(yōu)勢比較

一般認(rèn)知上，人類更加擅于進(jìn)行富有創(chuàng)造性和啟發(fā)性的工作，面對未知情況下的歸納總結(jié)能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般自動化系統(tǒng)，而自動化系統(tǒng)則更加擅長處理需要大量計(jì)算的高精度、高準(zhǔn)確度的問題，在存儲數(shù)據(jù)等能力方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類，而未來作戰(zhàn)環(huán)境中面臨的問題既包括大批量的作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的處理和相應(yīng)，也包括未知情況下的目標(biāo)判斷和決策等問題，在當(dāng)前人工智能無法完全代替人類的工作的情況下，就非常迫切的需要人機(jī)有效結(jié)合，那么實(shí)際飛行中就需要對所有的任務(wù)進(jìn)行合理分配，才能達(dá)到所期望的效果。

在環(huán)境或者任務(wù)的復(fù)雜程度不同的時(shí)候，人和機(jī)器所表現(xiàn)出來的應(yīng)對能力也不同，人的行為規(guī)律是基于知識的，在較為復(fù)雜的環(huán)境或者任務(wù)的時(shí)候能夠表現(xiàn)出較高的可靠程度，而在復(fù)雜程度降低的時(shí)候，人的可靠程度也會降低;而計(jì)算機(jī)的行為規(guī)律是基于技巧的，越簡單的環(huán)境下，可靠程度越高。

在關(guān)于人機(jī)能力對比的研究結(jié)論中，最為著名的莫過于Fitts List。它由人機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域的創(chuàng)始人之一P. M. Fitts于1951年提出，在后來的文獻(xiàn)中被廣泛引用。Fitts List指出了人、機(jī)固有的優(yōu)勢和不足，通過兩兩對比可以決策出什么功能適合分配給人，什么功能適合分配給機(jī)。通常情況下，一方的優(yōu)勢恰好是另一方的劣勢，這種情況下看來二者可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，系統(tǒng)性能較單獨(dú)使用任一方也會有所提高。Fitts List成為各種功能分配方法的基礎(chǔ)。

隨著計(jì)算機(jī)及自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人們對自身認(rèn)識的加深，F(xiàn)itts List的人、機(jī)優(yōu)勢分析顯示出一定的局限性，在它的基礎(chǔ)上也出現(xiàn)了一些更新。

2分配原則研究

2.1基于認(rèn)知模型的權(quán)限分配原則

人的處理模式根據(jù)其復(fù)雜程度分為三個(gè)層次：

（1）基于知識的行為：這是最為復(fù)雜的處理模式，對于處理任何還沒有實(shí)現(xiàn)自動化的問題都需要采用這種方法，常常用于處理新的或者是不尋常的情況。這種模式的最大特點(diǎn)是行為中的規(guī)劃的調(diào)度，這是根據(jù)目標(biāo)和問題本身，結(jié)合知識、經(jīng)驗(yàn)的一個(gè)創(chuàng)造性的過程。

（2）基于規(guī)則的行為：這是用來處理常見態(tài)勢的模式，是經(jīng)過訓(xùn)練的、高度自動化的行為序列。該模式由一系列組合的態(tài)勢-行動對（即規(guī)則）組成，處理問題的方法為，精確及時(shí)完成態(tài)勢評估，然后根據(jù)評估結(jié)果采取相應(yīng)的對應(yīng)措施。

（3）基于技能的行為：是一種類似條件反射的模式。該模式不涉及認(rèn)知過程，對于已知的激勵可實(shí)現(xiàn)高度自動化的響應(yīng)。

2.2基于系統(tǒng)本身因素的權(quán)限分配原則

無人機(jī)系統(tǒng)組成中的人和計(jì)算機(jī)各自都具有一定的制約因素，這些因素會在決策過程中產(chǎn)生影響，尤其是對于要進(jìn)行分配的任務(wù)和計(jì)算機(jī)而言，需要考慮更多限制因素。具體分析如下。

2.2.1功能自身約束

（1）優(yōu)先級別：某一個(gè)任務(wù)的相對重要程度或威脅程度。該任務(wù)相對與整個(gè)任務(wù)而言，是關(guān)鍵環(huán)節(jié)還是次要環(huán)節(jié)？

（2）順序約束：功能之間的先后依存關(guān)系。該任務(wù)的完成在何種程度依賴于其他任務(wù)的完成？

（3）時(shí)間約束：功能的時(shí)間特性。某一特定的任務(wù)是與固定的機(jī)會相關(guān)還是與固定的時(shí)間調(diào)度相關(guān)？

（4）空間約束：功能的空間特性。功能的執(zhí)行效果是否取決與特定的場所或地點(diǎn)？

2.2.2代理體能力約束

（1）結(jié)構(gòu)的理解：代理體是否具有合適的知識或者知道怎樣完成該功能（自動化系統(tǒng)進(jìn)行的運(yùn)行方式）？

（2）信息的獲取：代理體為完成某一任務(wù)能否獲得足夠的信息（良好的情景感知）？

（3）資源的獲取：代理體是否具有足夠的信息處理能力（如存儲能力，計(jì)算能力）或物質(zhì)能力（如空閑的機(jī)動面）來完成功能？

（4）執(zhí)行的能力：代理體是否能夠執(zhí)行一系列動作來完成功能？代理體能否及時(shí)的以指定的精度做出響應(yīng)？

2.2.3團(tuán)隊(duì)機(jī)構(gòu)約束（僅對于多無人機(jī)系統(tǒng)）

（1）共享的精神模型：相互協(xié)作代理體之間是否具有共同的或一致的對于問題域的理解，如共同的假設(shè)，共享的合理性？

（2）信息的耦合：每一個(gè)代理體是否有足夠的信息知道其他代理體在執(zhí)行何種任務(wù)，或如何執(zhí)行任務(wù)？

（3）性能和資源的互補(bǔ)性：代理體團(tuán)隊(duì)的性能和資源能否滿足整個(gè)工作域的需求？

（4）授權(quán)機(jī)制：關(guān)于功能分配的動態(tài)決策是如何進(jìn)行的（如，是集中管理還是采用多數(shù)表決的方法）？如何解決沖突問題？

3分配原則的確定

根據(jù)以上分析的內(nèi)容最終確定一下五條分配原則：

3.1比較分配原則

比較就是關(guān)于人與機(jī)器自動化系統(tǒng)特性的分析比較。在分析比較的基礎(chǔ)上，確定各個(gè)功能的優(yōu)先分配，即適合人來實(shí)現(xiàn)的功能就分配給人來做，適合自動化系統(tǒng)完成的任務(wù)就分配給機(jī)器來做。當(dāng)某一功能需要人、機(jī)配合來完成時(shí)，則表明這一功能的分析尚需往更細(xì)的層次分解。人（下轉(zhuǎn)第126頁）（上接第122頁）機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者在充分認(rèn)識系統(tǒng)的目標(biāo)和任務(wù)要求后，必須能很好把握當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展水平，清楚地了解和分析人、機(jī)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，才有可能為實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)進(jìn)行決策，選擇出最佳的人、機(jī)結(jié)合模式。

3.2剩余分配原則

剩余分配原則是指一項(xiàng)功能如果采用技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)的自動化操作可以完成，就可以排斥人的作用。首先把盡可能多的決策功能分配給自動化操作完成，剩余的功能才分配給人。這一條原則在實(shí)際分配決策時(shí)可以和第一條原則結(jié)合在一起來考慮。

3.3經(jīng)濟(jì)分配原則

系統(tǒng)的一項(xiàng)功能是分配給人或機(jī)器還需要從經(jīng)濟(jì)角度來考慮。這里的經(jīng)濟(jì)概念是指系統(tǒng)研制、生產(chǎn)、使用及維護(hù)全壽命周期的總費(fèi)用，其中特別強(qiáng)調(diào)使用的效率。對于人而言，則包括他的選拔、培訓(xùn)等費(fèi)用。系統(tǒng)的有些費(fèi)用在設(shè)計(jì)階段是不易直接衡量的，只能通過預(yù)測的方法來分析比較。因此，究竟是使用人經(jīng)濟(jì)，還是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、運(yùn)行維護(hù)機(jī)器來實(shí)現(xiàn)該功能經(jīng)濟(jì)，都要深入分析考慮。

3.4宜人分配原則

決策功能分配在考慮人的能力限制的前提下，盡可能多地多發(fā)揮人的技能。這意味著既要使系統(tǒng)中人類操作者不要在完成任務(wù)、作業(yè)后疲憊不堪，也不要讓其長時(shí)間感到無事可做，工作警覺性變差。

3.5彈性分配原則

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)、自動化和人工智能技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多不同類型的人機(jī)接口，能夠根據(jù)不同的需求選擇不同的人、機(jī)操作界面完成系統(tǒng)功能。彈性分配的基本思想有兩個(gè)：一個(gè)是由人自己決定參與系統(tǒng)行為的程度;另一個(gè)是智能機(jī)器根據(jù)任務(wù)的難易和操作者的工作負(fù)荷及態(tài)勢感知水平來調(diào)整系統(tǒng)功能的分配。彈性分配原則又稱為動態(tài)分配原則。

4總結(jié)

無人機(jī)在人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)過程中對于人和自動化系統(tǒng)的協(xié)調(diào)要求極高，合理的權(quán)限分配，能夠在效率、安全、可靠性等方面使得無人機(jī)系統(tǒng)性能得到極大提升，本文首先從不同的角度設(shè)計(jì)了人機(jī)協(xié)作時(shí)任務(wù)劃分決策和原則以及對于決策分配方案產(chǎn)生后的評估準(zhǔn)則，其具有極高的參考價(jià)值。伴隨著操作員技能水平、系統(tǒng)智能化程度、運(yùn)算能力、無人機(jī)功能等的提高和豐富，各個(gè)決策的自動化等級必然發(fā)生變化，評估原則也要做出相應(yīng)的調(diào)整。能夠跟隨操作員或自動化系統(tǒng)的狀態(tài)變化做出調(diào)整，能夠使無人機(jī)系統(tǒng)具備更強(qiáng)的適應(yīng)能力，充分發(fā)揮人和計(jì)算機(jī)各自的優(yōu)勢，未來可以考慮采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等方法讓可自主變權(quán)限系統(tǒng)更加智能化，使其能夠在不同的功能層面上實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互和相互幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 張彤，許杉，趙太飛.無線光協(xié)作無人機(jī)編隊(duì)對地覆蓋接入技術(shù)研究[J].激光雜志，2019，40（09）：8-12.

[2] 朱珂，王瑋，楊露彬.“5G+無人機(jī)”技術(shù)的教與學(xué)：場景、路徑與未來應(yīng)用展望[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2019，37（04）：33-41.

[3] 郜富曉.空地協(xié)作組網(wǎng)的無人機(jī)位置部署及能量優(yōu)化機(jī)制研究[D].開封：河南大學(xué)，2019.

[4] 張新宇.無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)抗干擾方法研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2019.

[5] 牛軼峰，沈林成，李杰，王祥科.無人——有人機(jī)協(xié)同控制關(guān)鍵問題[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2019，49（05）：538-554.