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复杂动态环境下多无人机韧性协同任务规划算法

赵学健 谢璐璐 王恩良

赵学健, 谢璐璐, 王恩良. 复杂动态环境下多无人机韧性协同任务规划算法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT260138
引用本文: 赵学健, 谢璐璐, 王恩良. 复杂动态环境下多无人机韧性协同任务规划算法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT260138
ZHAO xuejian, XIE lulu, WANG enliang. Resilience-Aware Cooperative Mission Planning Algorithm for Multi-UAV Systems in Complex Dynamic Environments[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT260138
Citation: ZHAO xuejian, XIE lulu, WANG enliang. Resilience-Aware Cooperative Mission Planning Algorithm for Multi-UAV Systems in Complex Dynamic Environments[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT260138

复杂动态环境下多无人机韧性协同任务规划算法

doi: 10.11999/JEIT260138 cstr: 32379.14.JEIT260138
详细信息
    作者简介:

    赵学健:男,教授、副院长、硕士生导师,研究方向为低空技术、无人机规划

    谢璐璐:女,硕士研究生,研究方向为低空技术、无人机规划

    王恩良:男,博士生研究生,研究方向为神经架构原理、强化学习

    通讯作者:

    赵学健 zhaoxj@njupt.edu.cn

  • 中图分类号: V249.1

Resilience-Aware Cooperative Mission Planning Algorithm for Multi-UAV Systems in Complex Dynamic Environments

  • 摘要: 针对复杂动态环境下多无人机协同任务规划中任务动态到达、平台故障、禁飞约束与链路质量波动并存所导致的任务分配与航路规划强耦合问题,本文构建动态韧性任务与航路耦合规划模型,将任务价值、航路代价、能耗、干扰惩罚、时间窗、能力约束、冲突消解和链路质量纳入统一优化框架,并以补偿负载与韧性指标刻画中断风险对系统效能的影响。在此基础上提出韧性感知混合群智能优化算法(Resilience-Aware Hybrid Swarm Optimization, RAHSO):以聚类与遗传初始化生成高质量初始解,用粪甲虫优化器(dung beetle optimizer, DBO)与粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)混合搜索结合遗传算法(genetic algorithm, GA)与变邻域搜索(variable neighborhood search, VNS)实现全局探索与局部精修,引入死锁检测与修复保障分配结果的无环一致性,并设计基于近端策略优化(Proximal Policy Optimization, PPO)的事件驱动在线重规划模块以应对紧急任务插入与无人机故障。在仿真平台上构建静态、规模扩展、动态事件和中断四类场景开展对比与消融实验,结果表明RAHSO在任务完成率、累计任务价值、平均能耗、恢复时间和韧性指数等指标上具备稳定优势,并在保证在线重规划实时性的前提下兼顾任务效率与系统韧性。
  • 图  1  复杂动态环境下多无人机协同任务规划场景示意图

    图  2  基于DBO与PSO混合框架的无人机任务与航路协同规划算法流程图

    图  3  典型仿真场景中任务与无人机初始位置示意图

    图  4  静态场景下不同算法累计任务价值的箱线分布

    图  5  不同任务规模下算法平均求解时间随任务数变化曲线

    图  6  大规模任务场景下完成率与平均求解时间的二维对比

    图  7  动态事件场景下累计任务价值随时间变化曲线

    图  8  动态事件场景下任务价值下降与恢复时间对比

    图  9  不同中断概率下韧性指数变化曲线

    图  10  不同模块配置下累计任务价值对比

    图  11  不同模块配置下静态场景收敛曲线比较

    表  1  实验软硬件环境配置

    项目 配置
    CPU Intel Core i7 - 12700K @ 3.60GHz(12核)
    GPU NVIDIA GeForce RTX 3080 10GB GDDR6X
    内存 32 GB DDR4 3200 MHz
    操作系统 Ubuntu 20.04 LTS64位
    仿真平台 AirSim 1.8.0+Unreal Engine场景
    深度学习框架 PyTorch 2.2(CUDA 12.1)
    优化器 Adam,初始学习率$ 1×10^{-4} $
    编程语言 Python 3.10
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    表  2  对比算法概览与关键参数

    算法 原始文献 方法类别 信息结构 关键参数设置
    韧性感知混合群智能优化算法(Resilience-Aware Hybrid Swarm Optimization, RAHSO) 本文 混合启发式+PPO 集中训练,
    分布执行
    粒子数100,最大迭代200;DBO权重线性衰减;PSO惯性权重线性衰减,认知/社会因子1.5;PPO折扣0.99,剪裁0.2,学习率$ 1\times {10}^{-4} $,
    批量256
    自适应精英二进制粒子群算法(Adaptive Elite Binary Particle Swarm Optimization,
    AE-BPSO)
    [22] 群智能优化 集中式 粒子数80,最大迭代200,惯性权重0.9→0.5,自适应精英策略用于局部搜索增强
    动态联盟任务分配算法(Dynamic Coalition Task Allocation, DCTA) [23] 分布式协同分配 局部通信 最大协商轮数20,领导节点动态选举,
    邻居更新步长0.5,通信半径150 m
    时序图任务卸载算法(Temporal Graph Task Offloading, TGTO) [24] 中心式图优化 中心式 时序窗口30步,预测视窗50 s,中心优化器步长0.01,最大迭代300
    加权遗传算法(Weighted Genetic Algorithm, WGA) [25] 遗传优化 集中式 种群规模100,代数200,交叉概率0.8,变异概率0.1,收益/能耗/延迟按0.5/0.3/0.2加权
    分布式回报聚合任务分配算法(Iterative Reward Aggregation Distributed Assignment, IRADA) [26] 分布式优化 局部通信 通信半径150 m,回报折扣0.95,
    任务刷新周期10 s,邻域更新次数5
    改进近端策略优化算法(Improved Proximal Policy Optimization, Improved PPO) [27] 深度强化学习 集中训练 Actor-Critic三层多层感知机(Multilayer Perceptron, MLP)(64-64-64),折扣0.99,剪裁0.2,学习率 $ 1\times {10}^{-4} $,每轮更新10次
    广义一致性捆绑拍卖算法(Generalized Consensus-Based Bundle Algorithm, G-CBBA) [28] 拍卖与捆绑分配 分布式 最大拍卖轮数15,捆绑长度上限10,
    收益折扣0.9,冲突解算采用贪心回退
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    表  3  评价指标定义与含义

    指标 数学定义 含义说明
    任务完成率(%) $ \eta =\left(\dfrac{{\mathrm{N}}_{\text{comp}}}{\mathrm{M}}\right)\times 100\% $ 成功完成任务数占总任务数的比例
    累计任务价值 $ \mathrm{U}=\displaystyle\sum\limits_{\mathrm{j}\in {\mathcal{T}}_{\text{comp}}}{\mathrm{r}}_{\mathrm{j}} $ 已完成任务价值的累计值,
    用于刻画任务价值获取能力
    平均能耗(Wh) $ \overline{\text{E}}=\dfrac{1}{\text{N}}\displaystyle\sum\limits_{\text{i=1}}^{\text{N}}{\text{E}}_{\text{i}} $ 单架无人机平均能量消耗
    平均任务延迟(s) $ \overline{\mathrm{D}}=\dfrac{1}{{\mathrm{N}}_{\text{comp}}}\displaystyle\sum\limits_{\mathrm{j}\in {\mathcal{T}}_{\text{comp}}}\left(\mathrm{t}_{\mathrm{j}}^{\text{finish}}-\mathrm{t}_{\mathrm{j}}^{\text{release}}\right) $ 任务从发布到完成的平均时长
    韧性指数 $ \mathrm{R}=\dfrac{{\mathrm{U}}_{\text{disturbed}}}{{\mathrm{U}}_{\text{baseline}}} $ 扰动场景下相对于基线场景的性能保持程度
    平均求解时间(ms) $ {\overline{\mathrm{T}}}_{\mathrm{r}}=\dfrac{1}{{\mathrm{N}}_{\mathrm{r}}}\displaystyle\sum\limits_{\mathrm{k}=1}^{{\mathrm{N}}_{\mathrm{r}}}{\mathrm{T}}_{\mathrm{r},\mathrm{k}} $ 单次规划过程的平均运行时间,主要用于静态任务
    和规模扩展实验。
    平均恢复时间(s) $ [{\overline{T}}_{rec}=\dfrac{1}{{N}_{evt}}\displaystyle\sum\limits_{e=1}^{{N}_{evt}}\left(t_{e}^{stable}-t_{e}^{event}\right)] $ 动态事件发生后系统恢复到稳定执行状态
    所需的平均时间。
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    表  4  静态任务场景下各算法性能对比

    算法 任务
    完成率(%)
    累计任务
    价值
    平均能耗
    (Wh)
    平均任务
    延迟(s)
    RAHSO 98.5 1285 74.3 38.6
    AE-BPSO 91.9 1181 79.7 46.5
    DCTA 90.4 1137 82.6 49.2
    TGTO 88.7 1113 84.0 51.4
    WGA 92.6 1197 77.5 45.0
    IRADA 94.3 1212 76.0 43.2
    Improved PPO 96.1 1251 75.4 40.1
    G-CBBA 93.5 1203 78.3 45.4
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    表  5  不同任务规模下任务完成率对比

    任务数M 任务完成率(%)
    RAHSO AE-BPSO IRADA ImprovedPPO G-CBBA
    40 99.3 95.6 96.2 97.8 96.1
    80 98.8 93.9 95.3 96.9 94.9
    120 98.1 92.0 94.5 95.6 93.1
    160 97.1 89.5 92.4 94.3 91.0
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    表  6  动态事件下累计任务价值与恢复性能对比

    算法 静态累计任务
    价值
    动态累计任务
    价值
    任务价值下降
    (%)
    静态任务完成率
    (%)
    动态任务完成率
    (%)
    任务完成率下降
    (百分点)
    平均恢复时间
    (s)
    RAHSO 1285 1229 4.4 98.5 95.8 2.7 35
    IRADA 1212 1125 7.2 94.3 90.1 4.2 52
    Improved PPO 1251 1166 6.8 96.1 92.4 3.7 47
    G-CBBA 1203 1106 8.1 93.5 89.3 4.2 61
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    表  7  不同中断概率下韧性指数与归一化任务价值对比

    中断概率p RAHSO韧性指数 RAHSO归一化收益 AE-BPSO韧性指数 AE-BPSO归一化收益 IRADA韧性指数 IRADA归一化收益
    0.0 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
    0.2 0.96 0.95 0.92 0.91 0.95 0.94
    0.4 0.91 0.89 0.84 0.82 0.88 0.87
    0.6 0.86 0.83 0.75 0.73 0.81 0.79
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    表  8  不同模块配置下RAHSO的静态性能比较

    算法变体任务完成率(%)累计任务价值平均能耗(Wh)平均任务延迟(s)
    完整RAHSO98.5128574.338.6
    变体A(去除PPO)96.4123776.041.0
    变体B(去除DBO)95.3120978.744.6
    变体C(去除GA+VNS)95.9122176.140.4
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    表  9  动态事件场景下不同模块配置的恢复性能比较

    算法变体动态累计任务价值任务价值下降(%)动态任务完成率(%)任务完成率下降(%)平均恢复时间(s)
    完整RAHSO12294.495.82.735
    变体A(去除PPO)110910.390.26.258
    变体B(去除DBO)11187.592.13.243
    变体C(去除GA+VNS)11446.392.83.140
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    A1  DCTA、TGTO与WGA在任务规模扩展实验下的完整结果

    任务数M算法任务完成率(%)平均求解时间(ms)
    40DCTA93.8178
    40TGTO91.5241
    40WGA95.4162
    80DCTA90.7286
    80TGTO88.2472
    80WGA93.5253
    120DCTA
    120TGTO82.1918
    120WGA90.4371
    160DCTA
    160TGTO
    160WGA86.9528
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    A2  AE BPSO、DCTA、TGTO与WGA在动态事件场景下的恢复性能

    算法 静态
    累计
    任务
    价值
    动态
    累计
    任务
    价值
    任务价
    值下降
    (%)
    静态任务
    完成率
    (%)
    动态任务
    完成率
    (%)
    任务完成
    率下降
    (%)
    平均
    恢复
    时间(s)
    AE-BPSO 1181 1053 10.8 91.9 85.4 6.5 78
    DCTA 1137 1008 11.3 90.4 83.7 6.7 84
    TGTO 1113 972 12.7 88.7 81.1 7.6 95
    WGA 1197 1079 9.9 92.6 86.9 5.7 72
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    A3  A3 DCTA、TGTO、WGA、Improved PPO与G CBBA在不同中断概率下的韧性指数与归一化任务价值

    中断概率 p 算法 韧性指数 归一化任务价值
    0 DCTA 1 1
    TGTO 1 1
    WGA 1 1
    Improved PPO 1 1
    G-CBBA 1 1
    0.2 DCTA 0.9 0.89
    TGTO 0.88 0.86
    WGA 0.91 0.9
    Improved PPO 0.94 0.93
    G-CBBA 0.92 0.91
    0.4 DCTA 0.8 0.78
    TGTO 0.76 0.74
    WGA 0.83 0.81
    Improved PPO 0.87 0.85
    G-CBBA 0.84 0.82
    0.6 DCTA 0.71 0.68
    TGTO 0.66 0.63
    WGA 0.74 0.71
    Improved PPO 0.8 0.77
    G-CBBA 0.76 0.73
    下载: 导出CSV
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  • 修回日期:  2026-07-06
  • 录用日期:  2026-07-06
  • 网络出版日期:  2026-07-19

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