基于著色Petri網(wǎng)的無(wú)人機(jī)偵察戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃

張?jiān)丛? 高 陽(yáng), 朱 鵬, 劉錦濤, 谷樹(shù)山

(1. 海軍航空大學(xué)第一飛行訓(xùn)練基地教練機(jī)模擬訓(xùn)練中心, 遼寧 葫蘆島 125000; 2. 陸軍工程大學(xué)指揮控制工程學(xué)院, 江蘇 南京 210042)

0 引 言

無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃分系統(tǒng)主要完成路徑規(guī)劃、有效載荷規(guī)劃、方案評(píng)估及選擇等功能。這些功能按照規(guī)劃的對(duì)象及任務(wù)背景的側(cè)重點(diǎn)可以分為三層:行動(dòng)規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃以及航跡規(guī)劃。行動(dòng)規(guī)劃主要完成多機(jī)的任務(wù)分配及其協(xié)同規(guī)劃,具體需要結(jié)合任務(wù)要求、所處態(tài)勢(shì)及有效資源,給出最優(yōu)任務(wù)分配及對(duì)應(yīng)的行動(dòng)方案;戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃主要對(duì)單機(jī)作戰(zhàn)中的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃,具體需要結(jié)合任務(wù)要求、約束條件、所處態(tài)勢(shì)以及載機(jī)及武器系統(tǒng)的使用限制等,確定機(jī)載傳感器(如雷達(dá))的使用等動(dòng)作的參數(shù)及各種動(dòng)作在空間及時(shí)間上的關(guān)系;航跡規(guī)劃即根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行性能模型、任務(wù)要求規(guī)劃出最優(yōu)航跡。

在上述三層規(guī)劃中,行動(dòng)規(guī)劃及軌跡規(guī)劃研究較為充分,人工勢(shì)場(chǎng)法、A*算法以及諸如模擬退火算法、禁忌搜索算法、遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等智能算法都在這些規(guī)劃領(lǐng)域得到了應(yīng)用,但是與任務(wù)執(zhí)行最緊密的戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃領(lǐng)域,相關(guān)研究較少。戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃一方面要滿足載機(jī)及機(jī)載設(shè)備的物理特性要求;另一方面又要滿足任務(wù)要求及指揮員的意圖。所以,在設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃的功能中,需要設(shè)計(jì)一種易于戰(zhàn)術(shù)知識(shí)表達(dá)的結(jié)構(gòu),強(qiáng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)者與戰(zhàn)術(shù)制定者之間的溝通及交流。同時(shí),該結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠有效的將任務(wù)按照計(jì)劃、目標(biāo)的順序進(jìn)行有序分解,最終得到無(wú)人機(jī)的動(dòng)作序列,例如平飛、躍升、俯沖、開(kāi)機(jī)、投彈等,并按照序列固化、參數(shù)可調(diào)的原則將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)離散動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。而且,不同的計(jì)劃與計(jì)劃、目標(biāo)與目標(biāo)之間不是孤立的,不僅受到可利用資源的影響,而且互相也存在影響。所以,戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃的重點(diǎn)是對(duì)任務(wù)的有序分解及其目標(biāo)的推理。

在美國(guó)飛行員助手項(xiàng)目中,采用了計(jì)劃-目標(biāo)圖(plan-goal graph,PGG)作為計(jì)劃-目標(biāo)層次分解的工具。PGG是具有一定抽象及聚合特點(diǎn)的圖表,以不同形狀的節(jié)點(diǎn)表示計(jì)劃及目標(biāo),計(jì)劃和目標(biāo)之間通過(guò)具有約束值的線段交替連接。PGG中,最頂層節(jié)點(diǎn)代表系統(tǒng)最抽象的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(用),與之連接的是高度聚合的計(jì)劃節(jié)點(diǎn),由一系列抽象行為組成。隨著PGG的逐層向下,節(jié)點(diǎn)代表的內(nèi)容越來(lái)越具體,最底層節(jié)點(diǎn)代表飛行員或者agent可以執(zhí)行的動(dòng)作。PGG的引入不僅給飛行員及設(shè)計(jì)人員提供了結(jié)構(gòu),用于戰(zhàn)術(shù)知識(shí)的分析,而且該結(jié)構(gòu)可用于飛行員信息需求的解釋、預(yù)測(cè)以及確定飛行員助手系統(tǒng)中各個(gè)模塊之間功能的交互。雖然PGG具有如上優(yōu)勢(shì),但是由于缺乏數(shù)學(xué)定義,無(wú)法有效對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,而且PGG圖不具備擴(kuò)展能力以及動(dòng)態(tài)特性,無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分析。本文以無(wú)人機(jī)戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃問(wèn)題中的資源分配及目標(biāo)推理為研究對(duì)象,采用著色Petri網(wǎng),在對(duì)總體任務(wù)按照計(jì)劃——目標(biāo)順序分解為子任務(wù)后,分別設(shè)計(jì)了消耗類資源規(guī)劃、正效應(yīng)規(guī)劃及負(fù)效應(yīng)規(guī)劃建模方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)各子任務(wù)的建模,最后利用該方法對(duì)無(wú)人機(jī)偵察任務(wù)進(jìn)行建模,驗(yàn)證了方法的有效性。

1 著色Petri網(wǎng)

Petri網(wǎng)的建模元素包括庫(kù)所、變遷、有向弧以及托肯,為了增強(qiáng)Petri網(wǎng)的建模能力,眾多學(xué)者嘗試對(duì)上述建模元素進(jìn)行擴(kuò)展,分層、時(shí)延、隨機(jī)Petri網(wǎng)都是針對(duì)庫(kù)所及變遷進(jìn)行的擴(kuò)展,這些擴(kuò)展Petri網(wǎng)極大豐富了其可描述對(duì)象。但是依然存在一個(gè)問(wèn)題,即沒(méi)有數(shù)據(jù)概念。為了解決這一問(wèn)題,著色Petri網(wǎng)主要對(duì)托肯及有向弧進(jìn)行擴(kuò)展,使其能夠?qū)?shù)據(jù)納入到網(wǎng)結(jié)構(gòu)的描述中,具體擴(kuò)展內(nèi)容如下。

(1) 每個(gè)標(biāo)記附加一個(gè)顏色數(shù)據(jù)值。

(2) 對(duì)各條有向弧定義標(biāo)記類型和通過(guò)條件。

(3) 對(duì)變遷定義變遷表達(dá)式函數(shù),對(duì)觸發(fā)條件進(jìn)行約束。

以下給出著色Petri網(wǎng)形式化定義。

多元組CPN=(∑,,,,,,,,)為著色Petri網(wǎng),其中:

(1) ∑是類型的非空有限集,也稱為顏色集;

(2)是有限庫(kù)所集合;

(3)是有限變遷集合;

(4)是有向弧集合;

(5)是節(jié)點(diǎn)函數(shù),:→×∪×;

(6)是顏色函數(shù),:→∑;

(7)是變遷表達(dá)式函數(shù),也可以稱為守護(hù)函數(shù),:→Expression,滿足:?∈:[Type(())]=∧Type(Var(()))?∑。其中,Type()表示變量的類型;Var(expr)表示表達(dá)式Expr的變量集;

(8)是弧表達(dá)式函數(shù),:→Expression,滿足:?∈:[Type(())=()∧Type(Var(()))?∑],其中,為()中的庫(kù)所,()表示居于()上的所有多重集的集合;

(9)是初始化函數(shù),:→CloseExpression,滿足:?∈:[Type(())=()]。

2 計(jì)劃-目標(biāo)層次分解

基于Petri網(wǎng)的計(jì)劃-目標(biāo)層次分解通過(guò)一個(gè)樹(shù)結(jié)構(gòu),利用Petri網(wǎng)中的庫(kù)所及變遷描述目標(biāo)、計(jì)劃以及行動(dòng)。計(jì)劃由子目標(biāo)以及一組有序的行動(dòng)序列構(gòu)成,行動(dòng)序列從庫(kù)所起始,通過(guò)變遷連接到其他庫(kù)所,這些變遷代表了可以執(zhí)行的行動(dòng)。目標(biāo)同樣用庫(kù)所起始,通過(guò)變遷連接到其他計(jì)劃。

樹(shù)結(jié)構(gòu)由庫(kù)所及變遷組成,其中計(jì)劃節(jié)點(diǎn)可以包含多個(gè)子目標(biāo)節(jié)點(diǎn),這些子目標(biāo)必須全部完成,該計(jì)劃才能實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)/子目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以包含多個(gè)計(jì)劃節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)多個(gè)計(jì)劃中的任何一個(gè)都能完成該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。子目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和計(jì)劃節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖如圖1和2所示。

圖1 子目標(biāo)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Subgoal node structure

圖2 計(jì)劃節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Plan node structure

在圖1的子目標(biāo)節(jié)點(diǎn)中,頂部庫(kù)所的容量限制為1,當(dāng)變遷、中任一變遷觸發(fā),中的托肯被移除,防止另一組計(jì)劃激活。在圖2的計(jì)劃節(jié)點(diǎn)中,雖然的容量依然為1,但是當(dāng)變遷觸發(fā),和子目標(biāo)節(jié)點(diǎn)都獲得一個(gè)托肯,從而允許一個(gè)計(jì)劃下的多個(gè)子目標(biāo)可以同時(shí)進(jìn)行。在圖1的子目標(biāo)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖底部,還需要對(duì)所有計(jì)劃支路分別設(shè)置獨(dú)立的變遷,并將這些支路匯合。當(dāng)所選計(jì)劃支路實(shí)現(xiàn)之后,設(shè)置的變遷觸發(fā),從而將托肯置于“完成”庫(kù)所中,以表示子目標(biāo)完成。而對(duì)于圖2所示的計(jì)劃節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖,需要在底部對(duì)所有支路設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的變遷,只有當(dāng)所有支路的“完成”庫(kù)所都獲得托肯之后,變遷才能觸發(fā),從而實(shí)現(xiàn)頂部計(jì)劃庫(kù)所。

3 消耗類資源規(guī)劃建模方法

資源可以分為兩類:消耗類資源以及再生類資源。例如,通信信道屬于再生類資源,而時(shí)間或是燃油屬于消耗類資源。在使用Petri網(wǎng)技術(shù)對(duì)任務(wù)按照計(jì)劃、目標(biāo)順序進(jìn)行層次分解的基礎(chǔ)上,使用著色技術(shù),將每一計(jì)劃及其行動(dòng)序列所消耗的資源納入模型當(dāng)中,并將這些資源信息從結(jié)構(gòu)圖底部自下而上的傳遞,最終得到資源信息總覽。利用資源信息總覽,首先可以基于可利用資源判斷某個(gè)目標(biāo)是否可以安全完成,或者在執(zhí)行某個(gè)目標(biāo)的計(jì)劃過(guò)程中,判斷是否有足夠資源完成其他目標(biāo),其次可以用于在目標(biāo)的多個(gè)計(jì)劃中選擇消耗資源最少的計(jì)劃。由于再生類資源對(duì)目標(biāo)、計(jì)劃的影響較小,本文不作分析。

圖3給出了消耗類資源模型,圖中庫(kù)所、變遷、變遷表達(dá)式、弧及弧表達(dá)式含義如表1所示。圖3中,庫(kù)所關(guān)聯(lián)了一個(gè)著色托肯,從而可以描述數(shù)據(jù),代表著某消耗類資源,當(dāng)前余量為100。對(duì)庫(kù)所關(guān)聯(lián)兩個(gè)變遷,變遷檢查該資源余量,判斷當(dāng)前余量是否大于消耗量,當(dāng)變遷表達(dá)式≥時(shí),變遷觸發(fā)。變遷代表某行動(dòng)對(duì)該資源的消耗為,當(dāng)變遷表達(dá)式-≥0時(shí),變遷觸發(fā)。需要注意的是,弧是雙向的,代表變遷并不改變庫(kù)所的資源量。

表1 消耗類資源模型各元素含義

圖3 消耗類資源模型Fig.3 Consumable resources model

圖3僅對(duì)單一消耗類資源進(jìn)行建模,當(dāng)存在多種消耗類資源時(shí),需要將這些資源的消耗量匯總到資源信息總覽。如果某類資源較為稀缺或者在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中需要大量使用,則可以在匯總過(guò)程中,對(duì)該類資源附加更高權(quán)值。

資源信息總覽包含兩類數(shù)值,第一類是每一類資源的消耗量,第二類是資源消耗總量。第一類數(shù)值用于判斷某個(gè)目標(biāo)是否能夠安全完成,如果可以且目標(biāo)被選擇,則預(yù)留出消耗量資源,第二類數(shù)值用于判斷資源消耗總量情況,從而選擇最優(yōu)計(jì)劃支路。對(duì)于每一個(gè)目標(biāo)及計(jì)劃,需要關(guān)聯(lián)兩個(gè)資源信息總覽數(shù)值分別描述最優(yōu)計(jì)劃(best plan, BP)消耗量以及最次(worst plan,WP)計(jì)劃消耗量。

圖4給出了如何將資源信息總覽作為庫(kù)所加入到計(jì)劃-目標(biāo)層次分解結(jié)構(gòu)圖中,從而實(shí)現(xiàn)子目標(biāo)最優(yōu)計(jì)劃分支的推理。圖4中庫(kù)所及變遷的含義如表2所示。當(dāng)庫(kù)所(子目標(biāo)1)獲得托肯,首先對(duì)、及庫(kù)所(計(jì)劃1、2、3)的資源信息總覽(、及庫(kù)所)進(jìn)行比較,假設(shè)沒(méi)有其他因素限制計(jì)劃的選擇,那么與最優(yōu)計(jì)劃相關(guān)聯(lián)的變遷將會(huì)觸發(fā)。

圖4 最優(yōu)計(jì)劃推理結(jié)構(gòu)Fig.4 The most optimal plan reasoning structure

表2 最優(yōu)計(jì)劃推理結(jié)構(gòu)圖中庫(kù)所含義

當(dāng)各計(jì)劃、子目標(biāo)的資源信息總覽自底向上匯總至頂部目標(biāo),任務(wù)主體可以根據(jù)這些信息判斷是否采取行動(dòng)去完成該目標(biāo),以及判斷正在進(jìn)行的目標(biāo)是否還能順利完成。圖5給出了當(dāng)目標(biāo)序列加入新目標(biāo)到新目標(biāo)完成之后,資源信息總覽更新的過(guò)程,圖中各元素含義如表3所示，其中更新資源用表示，原資源用表示。

圖5 基于資源信息總覽的任務(wù)目標(biāo)推理Fig.5 Mission goal reasoning based on resources information summary

表3 基于資源信息總覽的任務(wù)目標(biāo)推理圖中各元素含義

其中,變遷的變遷表達(dá)式為=,并傳遞新目標(biāo)所需要的資源,變遷的變遷表達(dá)式為=-。

任務(wù)管理層模型保存著主體選擇完成的全部目標(biāo)的資源信息總覽,存儲(chǔ)在庫(kù)所中,所以在執(zhí)行一個(gè)新目標(biāo)的行動(dòng)序列之前,首先要通過(guò)變遷更新資源信息總覽,并根據(jù)資源余量判斷是否能夠?qū)⑿履繕?biāo)安全的加入到目標(biāo)序列中,如果有充足的資源余量,則加入新目標(biāo)并執(zhí)行。當(dāng)新目標(biāo)完成之后,再一次更新資源信息總覽,同時(shí)利用圖4所示模型更新資源余量。

4 正效應(yīng)規(guī)劃建模方法

正效應(yīng)是指在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中,任務(wù)主體可能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)目標(biāo),這些目標(biāo)的觸發(fā)條件可能相同,對(duì)應(yīng)的計(jì)劃及產(chǎn)生的效果也可能相同,所以,僅僅執(zhí)行其中一個(gè)計(jì)劃即可以同時(shí)完成兩個(gè)目標(biāo)的要求。當(dāng)正效應(yīng)出現(xiàn)在計(jì)劃——目標(biāo)層次模型的頂部時(shí),經(jīng)過(guò)有效推理,可以避免大量的重復(fù)工作以及資源的消耗。

正效應(yīng)的判斷首先可以通過(guò)計(jì)劃產(chǎn)生的效果來(lái)判斷。當(dāng)兩個(gè)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)相同效果時(shí),只需要執(zhí)行其中一個(gè)。但是,存在一種情況,即兩個(gè)計(jì)劃的觸發(fā)條件不能同時(shí)滿足,此時(shí)必須待第二個(gè)計(jì)劃的觸發(fā)條件再次滿足才能實(shí)現(xiàn)正效應(yīng)。

圖6給出了基于Petri網(wǎng)的正效應(yīng)推理模型,各元素含義如表4所示。當(dāng)推理網(wǎng)中及庫(kù)所獲得托肯,代表子目標(biāo)準(zhǔn)備執(zhí)行,執(zhí)行之前需要判斷該目標(biāo)所要到達(dá)的效果(變量網(wǎng)中庫(kù)所的著色托肯值)是否已經(jīng)達(dá)成,即變遷觸發(fā),開(kāi)始進(jìn)行正效應(yīng)推理。當(dāng)庫(kù)所的著色托肯值不符合目標(biāo)所達(dá)效果,庫(kù)所獲得托肯,代表該子目標(biāo)未實(shí)現(xiàn),變遷觸發(fā),庫(kù)所獲得托肯,開(kāi)始執(zhí)行相應(yīng)的計(jì)劃。當(dāng)計(jì)劃執(zhí)行完畢之后,變遷觸發(fā),通過(guò)弧獲取庫(kù)所托肯值,然后通過(guò)弧將庫(kù)所托肯值設(shè)置為目標(biāo)效果值。

圖6 正效應(yīng)推理模型Fig.6 Positive effect reasoning model

表4 正效應(yīng)推理模型各元素含義

總體目標(biāo)網(wǎng)中庫(kù)所存儲(chǔ)著待完成目標(biāo)效果托肯值,托肯數(shù)等于待完成目標(biāo)數(shù),變遷檢查各變量網(wǎng)中的變量托肯值,在子目標(biāo)實(shí)現(xiàn)之后,庫(kù)所托肯值設(shè)置為目標(biāo)效果值,變遷觸發(fā),將庫(kù)所中滿足條件的托肯移入庫(kù)所中,當(dāng)中的全部托肯移入時(shí),觸發(fā),庫(kù)所獲得托肯,代表總體目標(biāo)完成。

需要說(shuō)明的是,變量網(wǎng)中庫(kù)所存儲(chǔ)的著色托肯值允許其他計(jì)劃關(guān)聯(lián)的變遷進(jìn)行修改。

5 負(fù)效應(yīng)規(guī)劃建模方法

負(fù)效應(yīng)存在于3個(gè)以上的目標(biāo)之間,其中兩個(gè)或多個(gè)目標(biāo)同屬于相同計(jì)劃。假設(shè)計(jì)劃包含兩個(gè)子目標(biāo),和,而且、之間存在因果關(guān)系,即目標(biāo)產(chǎn)生的結(jié)果是目標(biāo)觸發(fā)的前提條件,此時(shí)目標(biāo)正在執(zhí)行。同時(shí),存在另一個(gè)正在進(jìn)行的計(jì)劃,其對(duì)應(yīng)目標(biāo)為,而且目標(biāo)產(chǎn)生的結(jié)果與目標(biāo)相反。那么,目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)就會(huì)阻礙目標(biāo)的觸發(fā),導(dǎo)致計(jì)劃無(wú)法完成,浪費(fèi)了用于目標(biāo)的資源。負(fù)效應(yīng)可以通過(guò)將目標(biāo)的執(zhí)行安排在、目標(biāo)之前或者之后來(lái)避免。

圖7給出了基于Petri網(wǎng)的負(fù)效應(yīng)推理模型,各元素含義如表5所示。圖7中，庫(kù)所與庫(kù)所表示的子目標(biāo)與同屬于一個(gè)計(jì)劃,且觸發(fā)條件是的結(jié)果,為了避免其他計(jì)劃對(duì)的影響,對(duì)變遷添加變遷表達(dá)式,使與結(jié)果相關(guān)的變量庫(kù)所中增加一個(gè)保護(hù)托肯,如圖7變量網(wǎng)中的紅色托肯,當(dāng)其他可能更改庫(kù)所值的目標(biāo)執(zhí)行前,需要檢查庫(kù)所中是否包含保護(hù)托肯。當(dāng)與相關(guān)的計(jì)劃及其行動(dòng)執(zhí)行完畢,觸發(fā)改變相關(guān)變量庫(kù)所托肯值的同時(shí),將庫(kù)所中的保護(hù)托肯移除,從而允許其他影響庫(kù)所的目標(biāo)可以開(kāi)始執(zhí)行。

圖7 負(fù)效應(yīng)推理模型Fig.7 Negative effect reasoning model

表5 負(fù)效應(yīng)推理模型各元素含義

6 無(wú)人機(jī)偵察戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃

為了綜合驗(yàn)證本文提出方法的有效性,以無(wú)人機(jī)偵察任務(wù)為背景,首先使用計(jì)劃——目標(biāo)層次分解方法將任務(wù)進(jìn)行逐層分解,然后將正效應(yīng)規(guī)劃、最優(yōu)計(jì)劃選擇,變量管理圖(包含負(fù)效應(yīng)規(guī)劃)、總體目標(biāo)管理圖(包含基于消耗類資源規(guī)劃)用于層次分解圖中,最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)偵察任務(wù)的戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃。

任務(wù)背景:一架無(wú)人機(jī)需要前往A地執(zhí)行偵察地形任務(wù),前往B地執(zhí)行偵察敵情任務(wù),在獲得偵察結(jié)果之后,需要將情報(bào)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳送至基地,但是當(dāng)存在干擾或者其他原因?qū)е聜鬏斚到y(tǒng)無(wú)法正常工作時(shí),需要無(wú)人機(jī)立即返回基地上傳數(shù)據(jù)。

上述任務(wù)的關(guān)鍵庫(kù)所及變遷含義如表6所示,總體目標(biāo)管理圖、變量管理圖、層次分解結(jié)構(gòu)圖分別如圖8～圖10所示。

表6 部分元素含義

圖8 偵察任務(wù)總體目標(biāo)管理圖Fig.8 General goals management graph of reconnaissance mission

圖9 偵察任務(wù)變量管理圖Fig.9 Variables management graph of reconnaissance mission

圖10 偵察任務(wù)層次分解結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Hierarchical decomposition graph of reconnaissance mission

在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中,燃油、數(shù)據(jù)鏈分別屬于消耗類資源和再生類資源,本文只將燃油消耗類資源納入模型中。為了闡述負(fù)效應(yīng)規(guī)劃的應(yīng)用,將位置信息歸為特殊資源,無(wú)人機(jī)需要根據(jù)任務(wù)要求更新位置信息,同時(shí)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。例如,在前往A地過(guò)程中,禁止執(zhí)行前往B地目標(biāo)。偵察任務(wù)的目標(biāo)總共包括:前往A地、前往B地、偵察A地、偵察B地、傳輸A地情報(bào)、傳輸B地情報(bào)。

無(wú)人機(jī)在領(lǐng)受任務(wù)之后,層次分解結(jié)構(gòu)圖中的托肯歷經(jīng)(,,,)到達(dá)各子目標(biāo)庫(kù)所中(,,,,,),并針對(duì)各子目標(biāo)下的計(jì)劃執(zhí)行正效應(yīng)規(guī)劃,托肯進(jìn)入正效應(yīng)規(guī)劃起始庫(kù)所(,),由于所有子目標(biāo)均沒(méi)有被實(shí)現(xiàn),即不存在正效應(yīng),所以各子目標(biāo)均處于待命狀態(tài),等待條件滿足使對(duì)應(yīng)變遷觸發(fā)執(zhí)行對(duì)應(yīng)計(jì)劃。在各子目標(biāo)庫(kù)所獲取托肯同時(shí),總體目標(biāo)管理網(wǎng)中變遷的觸發(fā)使庫(kù)所獲得6個(gè)托肯,代表所有待完成子目標(biāo)。

此時(shí),變遷及具有發(fā)生權(quán),假設(shè)無(wú)人機(jī)首先選擇前往A地,在前往A地之前需要判斷燃油是否足夠啟動(dòng)該計(jì)劃,對(duì)應(yīng)的過(guò)程如下:變遷獲取前往A地計(jì)劃消耗的燃油信息(存儲(chǔ)在庫(kù)所中),總體目標(biāo)管理網(wǎng)中變遷更新資源信息總覽,并與變量管理網(wǎng)中的剩余燃油庫(kù)所進(jìn)行比較,判斷剩余燃油是否足夠。假設(shè)剩余燃油滿足飛往A地要求,變遷觸發(fā),同時(shí)通過(guò)變遷對(duì)變量管理網(wǎng)中的位置庫(kù)所添加保護(hù)托肯,飛往B地目標(biāo)在執(zhí)行之前首先要檢查位置庫(kù)所是否包含保護(hù)托肯,此時(shí)由于含有保護(hù)托肯,所以變遷無(wú)法觸發(fā)。

在到達(dá)A地之后,變遷觸發(fā)代表該子目標(biāo)完成,對(duì)應(yīng)總體目標(biāo)管理圖中觸發(fā),將到達(dá)A地子目標(biāo)托肯移入,同時(shí)更新資源信息總覽,變量管理圖中觸發(fā),對(duì)剩余燃油量進(jìn)行修改。隨后,無(wú)人機(jī)開(kāi)始執(zhí)行偵察任務(wù)區(qū)域A子目標(biāo),在該子目標(biāo)完成時(shí),即變遷觸發(fā),對(duì)應(yīng)變量管理圖中變遷觸發(fā),移除位置庫(kù)所中的保護(hù)托肯,從而允許飛往B地子目標(biāo)可以開(kāi)始執(zhí)行。

在飛往B地過(guò)程中,傳輸A區(qū)域信息中的變遷,同時(shí)也滿足觸發(fā)條件,由于位置庫(kù)所被飛往B地子目標(biāo)的執(zhí)行重新添加保護(hù)托肯,需要返回基地的計(jì)劃支路不可能執(zhí)行,而且,即使無(wú)人機(jī)沒(méi)有執(zhí)行飛往B地計(jì)劃,也會(huì)由于該計(jì)劃會(huì)消耗燃油,使傳輸A區(qū)域信息子目標(biāo)優(yōu)先執(zhí)行通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳輸計(jì)劃,只有在數(shù)據(jù)鏈無(wú)法使用情況下,返回基地的計(jì)劃支路才可能執(zhí)行。

隨著各子目標(biāo)的全部完成,總體目標(biāo)管理圖中的獲取6個(gè)托肯之后,變遷觸發(fā),使庫(kù)所得到托肯。同時(shí),層次分解結(jié)構(gòu)圖中的獲得托肯,代表偵察任務(wù)的全部完成。

7 結(jié)束語(yǔ)

戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃的重點(diǎn)是對(duì)任務(wù)的有序分解及其目標(biāo)的推理。本文首先利用Petri網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的計(jì)劃-目標(biāo)層次分解,所得結(jié)構(gòu)圖有助于戰(zhàn)術(shù)知識(shí)的表達(dá)。其次,在討論了戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃中消耗類資源規(guī)劃及目標(biāo)間的正效應(yīng)、負(fù)效應(yīng)規(guī)劃問(wèn)題的基礎(chǔ)上,利用著色Petri網(wǎng)中的著色托肯能夠描述數(shù)據(jù)的特點(diǎn),對(duì)計(jì)劃-目標(biāo)層次分解結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行改進(jìn)并引入正效應(yīng)規(guī)劃,設(shè)計(jì)總體目標(biāo)管理圖配合層次分解結(jié)構(gòu)圖實(shí)現(xiàn)了消耗類資源規(guī)劃、設(shè)計(jì)了變量管理圖實(shí)現(xiàn)了負(fù)效應(yīng)規(guī)劃。最后,以無(wú)人機(jī)偵察任務(wù)為例,采用本文提出的方法對(duì)其建模,驗(yàn)證了本方法的有效性,即不僅能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)的計(jì)劃-目標(biāo)層次描述,而且能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)、計(jì)劃的在線推理,允許任務(wù)主體根據(jù)外部態(tài)勢(shì)自動(dòng)選擇合適的目標(biāo),避免沖突以及資源的浪費(fèi),最終實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)的規(guī)劃。

從偵察任務(wù)層次分解結(jié)構(gòu)圖可以看出,針對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單無(wú)人機(jī)偵察戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃任務(wù),由于需要考慮諸多因素,導(dǎo)致網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且不能表達(dá)任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間因素,在今后的研究中,可以將分層及時(shí)延概念引入結(jié)構(gòu)圖中,簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)并能模擬時(shí)間帶來(lái)的影響。