1. 无人船航行任务需求分析与任务剖面建模
任务输入与约束提取
给定水域巡检任务：无人船从码头起点 A 出发，沿湖岸线外侧巡检 6 个关键点位（P1–P6），最终返回码头终点 B。任务方给出的原始需求只有一句话——“2 小时内完成巡检，全程保持与岸基通信，遇障能自主绕行”。要把它变成可设计、可验收的自主航行需求，必须先做三件事：量化约束、拆分阶段、给每阶段挂验收指标。
下面按工程习惯把原始需求逐条转成可测参数。示例数值为教学假设，实际项目应以任务书、船型手册和现场踏勘为准。
| 约束类别 | 原始表述 | 量化参数（示例） | 来源/依据 |
|---|---|---|---|
| 航速 | 2 小时内完成 | 巡航速度 1.5 m/s，最高 2.2 m/s | 航程 ÷ 时间预算反推 |
| 续航 | 全程不换电 | 可用电量 ≥ 航程 × 单位航程能耗 × 1.3 裕度 | 电池容量与实测功耗 |
| 转弯半径 | 沿湖岸巡检 | 最小转弯半径 3 m（低速档） | 船体操纵性试验 |
| 通信中断容忍 | 保持岸基通信 | 允许连续失联 ≤ 30 s，累计失联 ≤ 5% | 链路覆盖评估 |
| 避障 | 遇障自主绕行 | 障碍检测距离 ≥ 15 m，绕行后 10 s 内回归航线 | 感知能力与安全距离 |
| 定位精度 | 巡检点位 | 到点判定半径 2 m | GNSS 精度 + 任务要求 |
关键反推：总航程约 5.2 km（含 6 个点位绕行），若按 1.5 m/s 巡航，纯航行时间约 58 min；加上 6 个点位各停留 3 min 巡检、2 次避障绕行各 1 min，合计约 78 min，留出 42 min 裕度应对通信降级与返航，满足 2 小时约束。若把巡航速度压到 1.0 m/s，纯航行就需 87 min，裕度不足，因此巡航速度下限应设为 1.3 m/s。
任务剖面建模
任务剖面（Mission Profile）把一次完整任务按航行状态与功能需求的变化切成若干阶段，每个阶段对应一组自主航行功能与验收指标。它不是简单的“起点→终点”直线，而是包含离泊、加速、巡航、到点巡检、避障绕行、返航、靠泊等状态切换的序列。下图给出本例的任务剖面结构：横向为阶段推进，纵向标注每阶段的核心功能与验收判据。
任务剖面表（可直接填写）
把上面的剖面结构落成表格，就是设计、编码和验收共用的“任务剖面表”。每行一个阶段，字段固定，便于逐项核对。下表为本例的示例填写结果，时间与距离为按前述航程和速度推算的预期值，非实测。
| 阶段 | 触发条件 | 核心功能 | 关键参数 | 预期时长 | 验收判据 |
|---|---|---|---|---|---|
| S0 离泊 | 任务启动 | 定位初始化、离泊路径 | 0.5 m/s，航向保持 ±5° | 2 min | 离泊无碰撞，定位有效 |
| S1 加速 | 离开码头 10 m | 速度闭环、航向稳定 | 0.5→1.5 m/s，加速度 ≤0.3 m/s² | 1 min | 速度超调 ≤10% |
| S2 巡航 | 达到 1.5 m/s | LOS 航路点跟踪、心跳监测 | 1.5 m/s，横向偏差 ≤1 m | 约 40 min | 横向偏差收敛，失联告警正常 |
| S3 到点巡检 | 距点位 ≤2 m | 定点保持、载荷触发 | 停留 3 min，位置漂移 ≤1 m | 6×3 min | 6 点位全部触发成功 |
| S4 避障绕行 | 障碍 ≤15 m | 检测、局部重规划、回归 | 绕行速度 ≤1.0 m/s | 按需，≤1 min/次 | 无碰撞，≤10 s 回归航线 |
| S5 返航靠泊 | 6 点位完成 | 返航规划、减速、靠泊 | 进港 ≤0.5 m/s | 约 12 min | 靠泊位置误差 ≤0.5 m |
约束冲突与取舍检查
需求分析最容易出错的地方不是漏项，而是约束之间互相打架却没被发现。本例至少有三处需要显式检查：
- 航速 vs 转弯半径：1.5 m/s 巡航时转弯半径会明显大于 3 m。若巡检点位附近岸线曲折，必须在到点前降速到 0.8 m/s 以下，否则无法满足 3 m 转弯半径。剖面表中 S3 应增加“进点降速”子状态。
- 通信中断 vs 避障：失联期间若同时遇到障碍，船必须能本地自主避障而不能等待岸基指令。因此 S4 的避障逻辑必须完全船载闭环，通信只用于上报，不参与实时控制。
- 续航 vs 停留巡检：定点保持 3 min 期间电机仍在工作，6 个点位共 18 min 的悬停能耗需计入续航裕度，不能只按航行里程估算。
把这三条写进剖面表的“备注/风险”列，就形成了设计输入的一部分。若某条冲突无法在现有船型上解决，应回到任务方协商放宽指标（例如允许个别点位降速通过、或把通信中断容忍从 30 s 放宽到 60 s），而不是在实现阶段硬扛。
快速复查清单
- 原始需求是否每条都转成了带数值的约束？
- 航程、时间、能耗三者是否做过反推校验并留出裕度？
- 剖面阶段是否覆盖了离泊、加速、巡航、到点、避障、返航全流程？
- 每个阶段是否都有触发条件、核心功能、关键参数、验收判据四要素？
- 约束冲突是否已识别并给出取舍或协商结论？
- 所有示例数值是否明确标注为假设/预期，而非实测？