第 2 周 无人机系统与复杂任务建模

节点合同、角色与系统边界

石守谦

2027 春季 · 资料核对至 2026-10-15

把任务描述清楚

从“去某处协作救援”出发，明确：

• 节点能看到什么、能做什么
• 目标和完成条件是什么
• 有哪些资源与时间限制
• 出现异常后怎样处理

复用W1提交的任务，不先讨论模型规模。合同需要让另一个小组可以独立实现接收端。不同能力的节点必须拒绝自己无法执行的请求。

无人机节点的组成

子系统	向协作模块提供的能力
飞控与导航	位姿、速度和执行状态
传感器与载荷	环境观测和资源状态
计算模块	感知、记忆和决策
通信模块	消息收发与链路信息

这里给出抽象边界而不是某一型号的硬件参数。高层任务分配通常不应绕过现有飞控约束。飞控频率和推理预算需要具体平台测量，不能使用未经核验的固定毫秒值。

状态、观测与动作

概念	救援任务中的例子
状态	火点、人员和资源的真实状态
观测	测量结果与收到的报告
动作	选择航点、请求补给、发送消息

强调真实状态是用于建模的概念，不是默认可访问的变量。后续仿真可以提供state作为标签或评价依据，但运行输入不能直接读取不可见真值。

任务描述包含哪些内容

内容	示例
目标	检查区域 R 的疑似目标
空间范围	区域边界与坐标系
时间要求	生效时间与截止时间
资源要求	电量、载荷和设备能力
完成条件	覆盖要求与结果格式

不要让一串自然语言替代所有约束。任务目标可以来自自然语言，但下发前应转换成有类型、带单位、可检查的结构。区域边界与截止时间必须有同一解释。

目标与约束

目标描述希望改善的结果，例如完成时间和覆盖质量。

约束规定允许的方案，例如可用电量、载荷和活动范围。

先确定可行范围，再比较方案。

用电量不足的例子说明。为了得到更高任务收益，优化器可能愿意支付惩罚。教学中先使用可行性检查，再优化可行方案；不声称这样的检查已经保证真实飞行安全。

把运行边界写进任务说明

• 《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》规定飞行及相关活动的管理要求
• 项目说明应包含活动范围、责任主体与异常处置
• 仿真项目也应明确这些约束的表示方法

policy-uav · 国务院、中央军委，令第761号，2023；2024-01-01施行

本页介绍法规与系统建模的关系，不提供具体飞行审批建议。条例于2023年公布、2024年1月1日起施行；教学中的空间范围、身份追踪与异常处置字段是系统设计举例，不能一概声称由某条法规逐字要求。

来源与阅读边界： - 无人驾驶航空器飞行管理暂行条例. 国务院、中央军委，令第761号，2023；2024-01-01施行. https://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/FLFG/202401/t20240115_222642.html 核验深度：官方文件及正文。使用边界：仅用于教学背景；具体飞行活动仍需核对适用条件。

身份、能力与角色

概念	用途
身份	识别节点、追踪消息来源
能力	描述设备能力和可用资源
角色	描述当前任务分工

角色可以变化，身份保持可追溯。

回应用户关心的“找正在做某事的节点”。任务选择可以按角色和能力，但消息最终仍需解析到可达节点。不能因角色变化而失去消息来源和执行责任。

任务从提出到结束

阶段	记录内容
提出	目标、约束与版本
接受	负责节点与资源安排
执行	进度、变化与异常
完成或撤销	结果、原因与资源释放

请学生考虑断网后的重发：同一个任务不能重复扣除物资。可以使用task_id和版本处理幂等。此处的合同是课程设计建议，不冒充成熟的低空业务标准。

一条结构化任务描述

{
  "task_id": "inspect-R-07",
  "version": 2,
  "target_enu_m": [120, 45, 30],
  "deadline_s": 300,
  "required_capability": "thermal"
}

另行约定时间原点、ENU 原点和高度基准。

解释ENU是East-North-Up局部坐标。deadline_s只有在约定时间原点后才有意义。本例是教学schema，不能直接作为设备控制协议。让学生补充资源消耗和完成条件。

坐标与单位必须明确

数值	需要说明的含义
高度 30	海拔、离地高度或相对起点高度
位置 [120,45]	经纬度或局部坐标
速度 10	m/s 或 km/h

消息记录坐标系、单位和相关版本。

W5会系统讨论标定与相对位姿。这里先建立不可省略的元数据意识。坐标转换模型本身存在误差，接收端不能因为字段齐全就假设位置准确。

测量时间与接收时间

消息	测量时间	接收时间
B 的旧位置	10.0 s	11.2 s
B 的新位置	11.0 s	11.1 s

新测量可能先到达，接收顺序需要单独处理。

这个乱序例子将贯穿W4和W8。跨节点计算年龄需要时钟同步或已知误差界；不能直接拿两个不同机器的原始时钟相减。接收时间仍有助于本地超时检测。

消息中的明确字段与学习表示

类型	适合表达的内容
明确字段	时间、坐标、资源、身份与版本
学习表示向量	经过学习得到的压缩特征

第 6 周讨论 学习表示向量 的训练与验证。

先把latent定义为模型学习出的向量，不预用embedding机制。精确数值和协议版本通常更适合显式字段。可解释并不等于全部信息都必须转成自然语言。

消息格式的约定

source_id / source_seq / task_id
schema_version / model_version
frame / event_time / expiry
role / capability / confidence
payload_type / payload_length / payload

接收端据此检查来源、时效和兼容性。

这些是候选字段，并非要求每个包都重复发送所有文本字段。实际编码可以采用紧凑二进制结构，必须据此计算wire bytes。source_seq有助于去重，但需要处理重启和序号回绕。

三类图中的连接含义

无线连接、任务依赖和模型读取分别描述不同关系。

无线连接、任务依赖和模型读取分别描述不同关系。

这些名称是课程分析框架。Model graph不等于实时时刻所有节点都建立物理连接。远端信息可以通过多跳或历史缓存进入模型，但其来源、年龄和成本要可追踪。

远处的任务依赖怎样实现

E 掌握补给物资，C 需要补给。

当前可用路径为 E—F—C。

需要决定：谁转发、何时发送，以及消息能否及时到达。

一个静态并集图中存在路径，不能保证消息在截止时间前通过。后续W4介绍时序路径。让学生说明F移动后是否值得保持两段通信，以及这会牺牲什么任务收益。

消息的传递范围

方式	直接接收者
广播	本次广播可达的邻居
单播	指定的接收节点
多跳传播	经中继逐步到达远处节点

跨区信息需要安排传播路径与资源。

纠正文档中的潜在歧义：低频广播摘要不天然等于全局一致性。广播通常不为每个接收者单独确认，unicast也不保证永远成功。W3与W4会进一步讨论无线层。

按角色寻找协作伙伴

请求：“请正在检查西侧区域、且有余力的节点协助。”

1. 匹配角色与能力
2. 检查成员信息的时效
3. 解析目标节点与传输路径
4. 接收方确认任务

给出反例：两个节点同时匹配一个角色，但实际上都已离开该区域。role-based addressing仍需要新鲜的成员关系、冲突处理和确认，不能完全删除节点身份。

不同过程更新什么

过程	更新对象
本地控制	当前动作
节点推理	内部估计与记忆
运行期通信	测量和协作信息
模型训练	模型参数
联邦学习	各参与者的训练更新

fedavg · AISTATS 2017

FL先定义为一种聚合分布式训练更新的机制，W11再深入。网络消息可能影响hidden state，而训练更新改变权重，这是不同对象。不要在每次邻居变化时默认启动一轮FL。

来源与阅读边界： - Communication-Efficient Learning of Deep Networks from Decentralized Data. AISTATS 2017. https://proceedings.mlr.press/v54/mcmahan17a.html 核验深度：官方摘要。使用边界：Federated Learning 不等于运行期消息传递，也不自动保证隐私。

研究设想：任务与网络共同变化

任务分工、运动、无线连接和信息形成反馈

调整分工会改变运动；运动又改变信息可达范围。

connectivity · RSS 2025 · timeconnect · RSS 2026

推导：角色分配影响目的地与驻留时间，运动改变链路，链路影响观测和任务判断。可先固定角色训练局部控制，再加入低频角色调整，避免从零同时学习全部环节。检验：与固定角色、固定中继、联合策略三种方法比较，设置遮挡移动和资源迁移，计入额外运动能耗。联合方案若无法在同预算下改善任务结果，应缩小耦合设计。

来源与阅读边界： - A Probabilistic Measure of Multi-Robot Connectivity and Ergodic Optimal Control. RSS 2025. https://www.roboticsproceedings.org/rss21/p100.html 核验深度：官方摘要已核对；Link端PDF下载超时。使用边界：trajectory 连通度不等于数据包传输成功。 - Time-Aggregated Connectivity Maintenance for Multi-Robot Networks. RSS 2026. https://www.roboticsproceedings.org/rss22/p043.html 核验深度：官方摘要已核对；Link端PDF下载超时。使用边界：CBF 保证受模型与可行性假设限制，不等于无线投递保证。

计算一条消息的大小

教学设定：64 个 float32 数值，附加字段占 32 B。

$$64\times4+32=288\ \mathrm{B}$$

每秒发送 5 次，共 1440 B/s。

空口开销还包括帧头、重传与中继。

逐步核算4字节来自float32。不要把1440 B/s误称为空口总流量，也不要把B/s与bit/s混用。让学生再乘以节点数量，讨论broadcast共享与多跳复制会如何改变总成本。

消息能否按时使用

教学设定：截止时间为 200 ms。

环节	耗时
感知与编码	70 ms
排队与传输	80 ms
解码与决策	60 ms
合计	210 ms

总和210毫秒超过截止时间10毫秒。所有参数都是教学假设，不是设备实测。让学生讨论压缩可能增加编码耗时，因此通信量下降未必减少端到端时延。

高层动作怎样进入执行

高层输出可以是航点、目标区域、期望速度或任务答复。

• 使用带类型和单位的接口
• 检查能力、资源与有效期
• 记录执行结果和异常处理

把MPC说明为预测控制，CBF说明为用约束构造控制安全条件的方法，本课不在此推导。不能写“有MPC/CBF就自动安全”。模型误差、状态估计和不可行性仍会破坏前提。

泛化实验改变什么

测试变化	检查重点
新地点	环境与链路变化
新任务	目标理解与分工
新节点数量	聚合与通信规模
新能力组合	接口兼容与任务安排

要求项目选择一个具体轴做holdout。单纯更换随机seed不能证明新任务泛化，新节点数量泛化也不能证明新传感器可兼容。后续W15给出数据切分要求。

从专家学习局部控制

Tolstaya 等使用 GNN 学习共享的局部控制器。

这为训练提供了一条路线：先学习有明确参考的局部行为，再扩大任务范围。

swarmgnn · CoRL 2019 / PMLR 2020

会议为CoRL2019，PMLR出版时间为2020，避免年份混淆。依据官方摘要，不宣称该方法已经覆盖用户设想的全部异构救援系统。模仿学习能避免一开始就从稀疏全局奖励训练所有模块。

来源与阅读边界： - Learning Decentralized Controllers for Robot Swarms with Graph Neural Networks. CoRL 2019 / PMLR 2020. https://proceedings.mlr.press/v100/tolstaya20a.html 核验深度：官方摘要已核对；Link端PDF下载超时。使用边界：CoRL届次2019，出版年2020，不能混写。

把失败经验用于规划

EvoCF 从失败中提炼约束，生成并评价新的计划。

课程将讨论：怎样把失败记录转化为下一次决策可以使用的信息。

evocf · ICML 2026

依据官方摘要进行概念介绍，不引入未核验的基准数值。这里的高层计划不能替代本地避障与控制。研究目标包括可审计的决策链，而不只是生成自然语言任务列表。

来源与阅读边界： - EvoCF: Multi-Agent Collaboration via Agentic Memory-Driven Evolutionary Counterfactual Planning. ICML 2026. https://proceedings.mlr.press/v306/chi26b.html 核验深度：官方摘要已核对；Link端PDF下载超时。使用边界：embodied simulation 不证明机载实时性能。

先运行一个小型系统

先固定场景、角色和一项输出。

• 输入：本地观测与邻居消息
• 输出：区域选择或局部地图
• 对照：独立运行、周期通信、简单规则
• 指标：任务误差、通信量与迟到率

这是课程实现建议。固定角色并不否定最终动态分工愿景，而是让第一轮训练有可定位的失败原因。若最简单规则都无法运行，应先修复接口和数据，再扩大模型。

小组互查接口说明

请另一组判断：

1. 能否正确解释坐标和时间？
2. 能否判定任务是否完成？
3. 怎样处理重复、乱序和过期消息？
4. 断联或执行失败后怎样继续？

教师可用W1的一页任务作为输入，让小组互当发送端与接收端。有效批评应落到一个字段、一个事件序列或一个失败动作，避免仅说“系统不够完整”。

接下来的知识准备

本周形成任务描述、节点能力和消息格式。

后续学习：

• W3：无线链路与通信资源
• W4：路由与状态传播
• W5：定位与测量误差
• W6：协作表示的学习

保持申报书的授课顺序和教师边界。将schema作为后续所有实验的共同输入，不要每周另换任务和单位。学生可以修改合同，但需说明版本和对旧日志的影响。