基于多目標決策的USV系統(tǒng)可變自主實現(xiàn)機制研究.pdf

1、水面無人艇（Unmanned Surface Vehicle，簡稱USV），是一種具有一定的自主能力的、無人操作的水面機器人系統(tǒng)。通過掛載智能任務控制系統(tǒng)，USV能夠在遠離用戶的海洋環(huán)境下，獨立執(zhí)行危險以及其他不適于有人船只執(zhí)行的任務。正是具有這樣的任務執(zhí)行能力，USV得到了各國海軍的廣泛重視。近些年，隨著USV的研究和發(fā)展，其自主能力得到不斷的提升，同時人們對于 USV執(zhí)行復雜任務的期望也越來越高，引發(fā)不確定事件處理能力有限的問題。對

2、于此類問題，有研究人員提出利用可變自主機制來解決。但是，對于可變自主實現(xiàn)機制的研究目前仍處于起步階段，存在諸多挑戰(zhàn)性問題。因此，對于 USV可變自主實現(xiàn)機制的探索，無論是從理論意義還是應用前景來說，都具有重要的研究價值。本文將圍繞著USV可變自主實現(xiàn)機制為核心，分別研究USV可變自主系統(tǒng)體系結構模型、上下文感知的態(tài)勢推理、用戶因素建模機制以及自主等級決策方法。本文的主要研究工作概括如下：
　　(1)研究了一種支持可變自主控制的US

3、V體系結構模型，解決了針對多種不確定性因素影響下用戶動態(tài)加入 USV控制過程的問題。將傳統(tǒng)觀察、判斷、決策和行動的控制流程與多目標決策理論相結合，建立 OOADA（Observe-Orient-Adjustable Autonomy-Decide-Act，OOADA）的可變自主控制流程。進一步，研究了具體的USV可變自主系統(tǒng)體系結構模型，其中包括關鍵性的可變自主控制模塊的詳細構造。通過USV仿真系統(tǒng)的搭建以及導航任務的實驗，驗證了該模型

4、能夠有效解決USV自主等級決策、控制與實施的問題。
　　(2)以導航任務為重點，研究了基于上下文感知理論的態(tài)勢推理方法。針對USV自主能力受多種不確定性影響的問題，根據上下文感知的理論基礎，研究了人機交互的推理方法。該方法包括表征 USV和用戶交互的各種不確定信息的采集，以及利用期望效用函數進行USV系統(tǒng)性能分析。在USV執(zhí)行導航任務的仿真實驗過程中，模擬多種不確定性事件以驗證 USV關于人機交互的推理能力。實驗結果證明，利用了上

5、下感知推理，能夠幫助 USV有效識別交互需求，準確預測不同自主等級下的交互結果，為自主等級決策提供全面的數據依據。
　　(3)研究了USV可變自主系統(tǒng)中的用戶模型，將用戶因素分兩個方面與自主等級決策建立關聯(lián)。其中，用戶偏好是利用多屬性決策理論評價用戶工作負荷對于自主等級的影響；用戶態(tài)勢認知能力是通過馬爾可夫決策模型預測用戶認知結果對于自主等級的影響。通過仿真實驗，利用 USV導航任務分別測試同一用戶不同狀態(tài)和不同用戶對于自主等級決

6、策的影響。驗證結果說明 USV區(qū)分不同的用戶認知能力是必要的，同時用戶模型在系統(tǒng)中有效控制了用戶的工作負荷。
　　(4)研究了基于多屬性決策的USV自主等級決策方法。引入組織排序法解決 USV自主等決策目標不可公度的問題，利用優(yōu)先函數評價不同等級之間每個性能目標的優(yōu)勢，減少了數據預處理帶來的評價誤差；利用賦值有向圖對每個自主等級進行效用并合，建立全部自主等級的完全序，獲得自主等級決策的最優(yōu)解。仿真實驗對比了可變自主機制與全自主機制