3. 任务链基本概念与建模

任务链不是把若干动作简单排成一条线，而是把“要达成什么、由谁在什么条件下做、做完后系统处于什么状态、消耗了哪些资源”组织成可执行、可验证的整体。要设计出可落地的任务链，首先必须统一核心术语的含义，再理解任务之间的时序、逻辑与资源依赖，最后选择合适的建模方法并确定建模粒度。

3.1 核心术语：任务、子任务、动作、约束、资源、状态

在无人系统任务规划中，这六个术语构成任务链的最小语义集合，它们之间存在明确的层级与引用关系：

• 任务（Task）：面向目标的可交付单元，例如“对A区完成一次侦察覆盖”。任务有明确的完成判据，通常由多个子任务组成。
• 子任务（Subtask）：任务分解后的中间目标，例如“起飞并爬升至120 m”“沿蛇形航线扫描A区”“回传图像并降落”。子任务仍可继续分解，直到可被动作直接实现。
• 动作（Action）：不可再分或不再分解的执行原语，直接对应平台能力，例如“设置航向角”“开启相机”“悬停5 s”。动作是任务链真正落到执行器上的最小单位。
• 约束（Constraint）：限制任务链可行解的条件，分为时序约束（如“必须在B之前完成A”）、逻辑约束（如“A与B互斥”）、资源约束（如“同一时刻仅一架无人机占用起降点”）和物理约束（如最小转弯半径、续航时间）。
• 资源（Resource）：执行动作所需占用的有限对象，包括平台、载荷、通信链路、频谱、起降位、算力与能源。资源具有容量与占用时间两个关键属性。
• 状态（State）：系统在某一时刻的完整描述，例如“无人机位于(120, 300, 120)，电量78%，相机开启，链路正常”。状态是判断任务能否推进、动作是否生效的依据。

一个常见误区是把“任务”和“动作”混用。判断标准很简单：如果某单元需要判断“是否达成目标”，它是任务或子任务；如果它只描述“执行什么指令”，它是动作。任务链的可执行性，恰恰取决于从任务到动作的分解是否完整、约束是否被显式表达。

3.2 时序、逻辑与资源三类依赖

任务链中节点之间的关系可归纳为三类依赖，它们共同决定执行顺序与可行性：

• 时序依赖：规定先后关系，如“爬升完成后才能进入航线”“图像回传完成后才能降落”。时序依赖只约束顺序，不约束是否必须执行。
• 逻辑依赖：规定条件与选择关系，如“若目标识别成功则跟踪，否则重新扫描”“A与B互斥，只能选其一”。逻辑依赖决定分支与条件触发。
• 资源依赖：规定对有限资源的占用与释放，如“起降位同一时刻只允许一架无人机使用”“相机与激光雷达共用供电通道，不能同时满功率工作”。资源依赖往往不是顺序问题，而是并发容量问题。

三类依赖必须分别建模。只画顺序箭头会丢失逻辑分支与资源冲突；只做资源分配会忽略时序与条件。实际任务链中，一个节点可能同时受三类依赖约束，例如“在起降位空闲（资源）且前序侦察完成（时序）且天气满足条件（逻辑）时执行降落”。

3.3 三种主流建模方法

状态机（State Machine）适合状态清晰、转移条件明确的场景。它把系统描述为有限状态集合与转移函数，例如无人机任务可建模为“待命→起飞→爬升→巡航→侦察→返航→降落→完成”，每条转移边标注触发事件与守卫条件。状态机的优点是语义直观、易于验证死锁与不可达状态；缺点是状态数随并发对象增加而膨胀，多机协同时容易出现状态爆炸。

Petri网（Petri Net）适合表达并发、资源竞争与同步。库所（Place）表示条件或资源，变迁（Transition）表示动作或事件，托肯（Token）表示当前可用资源或已满足条件。例如用两个库所分别表示“起降位空闲”和“无人机待降落”，一个变迁表示“降落”，变迁触发需同时消耗两个托肯并释放“起降位空闲”。Petri网的强项是能形式化分析可达性、有界性与冲突，适合多机共享资源、任务并发的场景；代价是模型规模较大，非专业读者理解门槛较高。

行为树（Behavior Tree）适合表达分层决策与可复用行为。它由控制节点（顺序、选择、并行）和叶节点（条件、动作）组成，从根节点按tick机制向下执行。顺序节点要求子节点依次成功，选择节点在任一子节点成功时返回成功，并行节点可同时执行多个分支。行为树的优点是模块化、可读性强、便于在线调整优先级，广泛用于单机自主任务与机器人行为组织；缺点是对严格时序与资源容量的形式化验证支持弱于Petri网。

三种方法并非互斥。工程中常见组合是：用状态机描述平台级任务阶段，用Petri网分析多机资源冲突，用行为树组织单机内部的动作选择与异常恢复。

3.4 建模粒度与可执行性权衡

建模粒度决定任务链的“分辨率”。粒度过粗，任务链无法直接执行，例如只写“完成侦察”而不说明航线、高度、相机参数与触发条件；粒度过细，模型节点数量急剧膨胀，规划与验证成本上升，且容易把平台底层控制细节混入任务层。

一个实用的粒度判断原则是：动作层应止于平台可接受指令的接口。如果平台提供“飞往航点”接口，则“飞往航点”就是一个动作，不必再分解为“设置航向—调整油门—稳定姿态”。如果平台只提供速度与角速度指令，则“飞往航点”应作为子任务，由若干动作组成。粒度选择应与执行接口、验证需求和通信周期匹配。

可执行性还取决于约束是否可判定。例如“尽快完成侦察”无法直接判定，应转化为“在T+300 s内完成A区覆盖，覆盖率≥95%”。资源约束也应给出容量与占用时间，如“起降位容量1，单次占用90 s”。只有约束可量化、状态可观测，任务链才具备可执行与可验证的基础。

3.5 建模检查清单（可直接使用）