無人機人機協作控制權限分配方法研究

毛鵬飛 張杰 吳昊

摘 要 隨著技術的不斷發展，復雜建模和決策算法都得到了長足的進步，這兩種進步的進步又推動了無人機指揮控制系統的發展，使其更加完善，決策更加智能，但是部分問題依舊存在耗時長、難處理的情況，而目前啟發式的方法并不能提供滿意解，在這種情況下，就需要人、機分別完成不同的決策功能，以適當的自動化等級來實現決策過程，可以充分結合人的和自動化系統各自的優勢。本文將從人機能力優勢比較，系統自動化等級劃分，決策分配原則和評估準則，決策分配方法步驟等無人機人機協作控制分配相關問題進行研究。

關鍵詞 自動化等級 無人機決策分配 人機協同

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A

1人機能力優勢比較

一般認知上，人類更加擅于進行富有創造性和啟發性的工作，面對未知情況下的歸納總結能力要遠遠超過一般自動化系統，而自動化系統則更加擅長處理需要大量計算的高精度、高準確度的問題，在存儲數據等能力方面遠遠超過人類，而未來作戰環境中面臨的問題既包括大批量的作戰數據的處理和相應，也包括未知情況下的目標判斷和決策等問題，在當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有效結合，那么實際飛行中就需要對所有的任務進行合理分配，才能達到所期望的效果。

在環境或者任務的復雜程度不同的時候，人和機器所表現出來的應對能力也不同，人的行為規律是基于知識的，在較為復雜的環境或者任務的時候能夠表現出較高的可靠程度，而在復雜程度降低的時候，人的可靠程度也會降低;而計算機的行為規律是基于技巧的，越簡單的環境下，可靠程度越高。

在關于人機能力對比的研究結論中，最為著名的莫過于Fitts List。它由人機系統領域的創始人之一P. M. Fitts于1951年提出，在后來的文獻中被廣泛引用。Fitts List指出了人、機固有的優勢和不足，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。通常情況下，一方的優勢恰好是另一方的劣勢，這種情況下看來二者可以實現優勢互補，系統性能較單獨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。

隨著計算機及自動化技術的迅速發展，以及人們對自身認識的加深，Fitts List的人、機優勢分析顯示出一定的局限性，在它的基礎上也出現了一些更新。

2分配原則研究

2.1基于認知模型的權限分配原則

人的處理模式根據其復雜程度分為三個層次：

（1）基于知識的行為：這是最為復雜的處理模式，對于處理任何還沒有實現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是行為中的規劃的調度，這是根據目標和問題本身，結合知識、經驗的一個創造性的過程。

（2）基于規則的行為：這是用來處理常見態勢的模式，是經過訓練的、高度自動化的行為序列。該模式由一系列組合的態勢-行動對（即規則）組成，處理問題的方法為，精確及時完成態勢評估，然后根據評估結果采取相應的對應措施。

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

2.2基于系統本身因素的權限分配原則

無人機系統組成中的人和計算機各自都具有一定的制約因素，這些因素會在決策過程中產生影響，尤其是對于要進行分配的任務和計算機而言，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）優先級別：某一個任務的相對重要程度或威脅程度。該任務相對與整個任務而言，是關鍵環節還是次要環節？

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

（3）時間約束：功能的時間特性。某一特定的任務是與固定的機會相關還是與固定的時間調度相關？

（4）空間約束：功能的空間特性。功能的執行效果是否取決與特定的場所或地點？

2.2.2代理體能力約束

（1）結構的理解：代理體是否具有合適的知識或者知道怎樣完成該功能（自動化系統進行的運行方式）？

（2）信息的獲取：代理體為完成某一任務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，計算能力）或物質能力（如空閑的機動面）來完成功能？

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

2.2.3團隊機構約束（僅對于多無人機系統）

（1）共享的精神模型：相互協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，共享的合理性？

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

（3）性能和資源的互補性：代理體團隊的性能和資源能否滿足整個工作域的需求？

（4）授權機制：關于功能分配的動態決策是如何進行的（如，是集中管理還是采用多數表決的方法）？如何解決沖突問題？

3分配原則的確定

根據以上分析的內容最終確定一下五條分配原則：

3.1比較分配原則

比較就是關于人與機器自動化系統特性的分析比較。在分析比較的基礎上，確定各個功能的優先分配，即適合人來實現的功能就分配給人來做，適合自動化系統完成的任務就分配給機器來做。當某一功能需要人、機配合來完成時，則表明這一功能的分析尚需往更細的層次分解。人（下轉第126頁）（上接第122頁）機系統的設計者在充分認識系統的目標和任務要求后，必須能很好把握當時的技術發展水平，清楚地了解和分析人、機各自的優缺點，才有可能為實現其目標進行決策，選擇出最佳的人、機結合模式。

3.2剩余分配原則

剩余分配原則是指一項功能如果采用技術上能夠實現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。這一條原則在實際分配決策時可以和第一條原則結合在一起來考慮。

3.3經濟分配原則

系統的一項功能是分配給人或機器還需要從經濟角度來考慮。這里的經濟概念是指系統研制、生產、使用及維護全壽命周期的總費用，其中特別強調使用的效率。對于人而言，則包括他的選拔、培訓等費用。系統的有些費用在設計階段是不易直接衡量的，只能通過預測的方法來分析比較。因此，究竟是使用人經濟，還是設計、生產制造、運行維護機器來實現該功能經濟，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，盡可能多地多發揮人的技能。這意味著既要使系統中人類操作者不要在完成任務、作業后疲憊不堪，也不要讓其長時間感到無事可做，工作警覺性變差。

3.5彈性分配原則

隨著現代科學技術的發展，尤其是計算機、自動化和人工智能技術的發展，出現了很多不同類型的人機接口，能夠根據不同的需求選擇不同的人、機操作界面完成系統功能。彈性分配的基本思想有兩個：一個是由人自己決定參與系統行為的程度;另一個是智能機器根據任務的難易和操作者的工作負荷及態勢感知水平來調整系統功能的分配。彈性分配原則又稱為動態分配原則。

4總結

無人機在人機協同作戰過程中對于人和自動化系統的協調要求極高，合理的權限分配，能夠在效率、安全、可靠性等方面使得無人機系統性能得到極大提升，本文首先從不同的角度設計了人機協作時任務劃分決策和原則以及對于決策分配方案產生后的評估準則，其具有極高的參考價值。伴隨著操作員技能水平、系統智能化程度、運算能力、無人機功能等的提高和豐富，各個決策的自動化等級必然發生變化，評估原則也要做出相應的調整。能夠跟隨操作員或自動化系統的狀態變化做出調整，能夠使無人機系統具備更強的適應能力，充分發揮人和計算機各自的優勢，未來可以考慮采用強化學習、深度學習等方法讓可自主變權限系統更加智能化，使其能夠在不同的功能層面上實現人機的交互和相互幫助。

參考文獻

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