2. 无人系统任务建模

任务建模是任务优先级与资源调度算法的输入基础。如果任务模型描述不准确，后续无论采用多先进的调度策略，都无法得到符合实际需求的结果。无人系统中的任务来源多样——地面站下发的侦察指令、机载传感器触发的目标跟踪、集群协同中的中继转发、突发故障后的返航请求——它们在到达时间、资源需求、价值权重和时限约束上差异巨大。本节围绕五个核心维度展开：任务到达过程、任务属性、任务依赖关系、任务价值以及截止期，并给出可落地的建模方法。

一、任务到达过程建模

任务到达过程描述任务在时间轴上的产生规律。最常用的模型是泊松过程：假设任务到达相互独立，在时间间隔 Δt 内到达 k 个任务的概率服从泊松分布 P(k)=((λΔt)^k / k!)·e^(−λΔt)，其中 λ 为单位时间平均到达率。例如某侦察无人机在巡航阶段平均每 30 秒收到一次新任务，则 λ≈0.033 个/秒。泊松模型适合描述随机、独立、稀疏的到达事件。

但无人系统任务往往不是完全随机的。周期性侦察任务按固定周期到达，属于确定性到达；集群协同中一个节点发现目标后可能引发多个节点同时产生跟踪任务，属于突发到达。因此实际建模时可采用混合模型：周期性任务用固定周期 T 描述，随机任务用泊松过程描述，突发任务用成批到达（batch arrival）描述，即一次到达 B 个任务。到达过程建模的输出是一组带时间戳的任务序列，作为调度器的输入流。

二、任务属性建模

每个任务需要一组属性来完整刻画其调度需求。核心属性包括：任务标识 ID、到达时间 a_i、最坏执行时间 C_i、资源需求向量 R_i（如 CPU 占用、带宽、电量、载荷通道）、任务类型（感知、计算、通信、控制）、价值权重 v_i、截止期 d_i、以及可抢占标志。其中资源需求向量是多维的，因为无人系统同时受计算、通信、能量等多类资源约束。

以一次目标跟踪任务为例，其属性可表示为：C_i=200 ms 机载计算时间，R_i=(CPU 15%, 下行带宽 2 Mbps, 云台占用 1 路)，v_i=8（1~10 分制），d_i=到达后 1.5 s 内必须完成首次跟踪锁定。这些属性直接决定任务能否被调度以及优先级如何计算。建模时应统一量纲和参照系，例如所有时间以毫秒为单位、所有价值以 1~10 归一化，避免后续比较时出现尺度混乱。

三、任务依赖关系建模

无人系统任务很少孤立存在。典型依赖包括：顺序依赖（任务 B 必须在任务 A 完成后才能开始，如“先侦察再打击”）、数据依赖（任务 B 需要任务 A 的输出数据）、资源互斥依赖（两个任务不能同时占用同一载荷通道）、以及条件依赖（仅当某事件发生时才触发）。依赖关系可用有向无环图 DAG 表示：节点为任务，有向边表示前置约束。

建模时需为每条依赖边标注类型和最小时间间隔。例如边 A→B 标注“数据依赖，间隔≥50 ms”，表示 B 最早在 A 完成后 50 ms 才能启动。若依赖图中存在环，则说明任务定义有误，必须拆解或重新定义。DAG 的拓扑排序结果给出了任务可执行的偏序关系，是调度器判断任务就绪状态的依据。

四、任务价值建模

任务价值 v_i 反映任务对系统整体目标的贡献程度。建模方法有三种常见思路。第一种是静态分级：将任务分为关键（v=10）、重要（v=7）、一般（v=4）、可选（v=1）四级，简单直观但粒度粗。第二种是加权评分：从目标重要性、时效敏感性、信息增益等维度分别打分后加权求和，例如 v_i = 0.5×目标等级 + 0.3×时效系数 + 0.2×信息增益，适合需要精细区分的场景。第三种是动态价值：价值随时间衰减，如 v_i(t) = v_i0 · e^(−α(t−a_i))，其中 α 为衰减系数，用于描述“越晚完成价值越低”的任务，如目标跟踪和拦截。

选择哪种方法取决于任务特性。对于打击决策这类高价值任务，静态分级即可；对于持续监视类任务，动态衰减更符合实际。建模时需注意价值量纲统一，建议归一化到 [0,1] 或 [1,10]，便于与截止期等指标联合计算优先级。

五、截止期建模

截止期 d_i 是任务必须完成的最晚时刻。建模时需区分硬截止期、软截止期和相对截止期。硬截止期一旦错过则任务失败甚至造成严重后果，如避障控制任务；软截止期允许一定超时，但价值随超时下降；相对截止期以到达时间为基准，d_i = a_i + D_i，其中 D_i 为相对时限。无人系统中多数任务采用相对截止期，因为任务到达时间不确定。

截止期建模还需考虑执行时间的不确定性。若 C_i 存在波动，可用最坏执行时间 C_i^wc 参与可行性判断，即要求 a_i + C_i^wc ≤ d_i。对于依赖任务，截止期需沿 DAG 反向传播：若 T3 的截止期为 d_3，且 T2→T3 的最小间隔为 g_23，则 T2 的有效截止期应满足 d_2 ≤ d_3 − g_23 − C_3^wc。这种反向传播是保证依赖链整体可调度的关键步骤。

六、综合建模示例

假设某无人系统在 t=0 时刻收到任务 T1（侦察，C=300 ms，v=6，d=2000 ms），T1 完成后 50 ms 触发 T2（识别，C=500 ms，v=8，d=1500 ms），T2 完成后触发 T3（打击决策，C=150 ms，v=10，d=800 ms）。按反向传播校验：T3 最晚开始时刻为 800−150=650 ms；T2 最晚完成时刻为 650−0=650 ms（假设无间隔），T2 最晚开始为 650−500=150 ms；T1 最晚完成为 150−50=100 ms，T1 最晚开始为 100−300=−200 ms，说明从 t=0 开始已无法满足 T3 的硬截止期。此时调度器应触发降级策略：或放宽 T3 截止期，或提升 T1、T2 优先级并压缩其执行时间。这一判断过程正是任务建模为调度提供的核心输入。

综上，任务建模不是简单罗列字段，而是建立一套可计算、可校验、可传播的约束体系。到达过程决定输入流形态，属性决定单任务可行性，依赖关系决定任务间偏序，价值与截止期共同决定优先级排序依据。五者结合，才能为后续调度算法提供完整、一致、可执行的输入模型。