异构海上无人系统的协同运行中的能量-信息-决策耦合优化 冯东英、 廖欣、 张柳华、 杨景峰、 沈伟龙、 王莉、 杨晨光

《Drones》：Energy–Information–Decision Coupling Optimization for Cooperative Operations of Heterogeneous Maritime Unmanned Systems Dongying Feng, Xin Liao, Liuhua Zhang, Jingfeng Yang, Weilong Shen, Li Wang and Chenguang Yang

　　

摘要

随着海上无人系统在环境监测、海洋巡逻和应急响应中的应用日益广泛，在复杂多变的海洋环境中实现高效的多平台协作仍然是一个关键挑战。无人机（UAV）具备灵活且覆盖范围广的感知能力，但受到能量限制；而无人水面船（USV）则具有较长的续航时间，可以充当移动平台和能量供应节点。现有研究大多侧重于单一因素的优化，缺乏对能量、信息（通信和定位）以及任务决策之间耦合关系的系统分析。为了解决这一问题，本文提出了一种用于协作式海上无人系统的能量-信息-决策耦合优化方法。建立了一个统一的耦合模型，将任务完成、能量消耗、通信延迟和补给调度整合到一个多目标优化框架中。设计了一种双层优化算法：上层优化无人水面船的航行轨迹和能量供应策略，下层优化无人机的路径规划和任务分配。引入了闭环自适应机制，以在动态任务和能量约束下实现最佳协作。通过大量仿真结合实际实验数据，从任务效率、能量平衡、通信延迟和系统鲁棒性等方面评估了该方法的效果，并通过消融研究量化了耦合模块的贡献。结果表明，与不耦合或单一因素优化策略相比，所提出的方法在多个性能指标上均表现出显著优势：任务完成率超过93%，总能量消耗减少了约6%，补给等待时间缩短了28%以上。这有效提升了海上无人系统的协作效率和鲁棒性，并为大规模、复杂的海洋任务提供了理论和方法指导。