《自主无人机编队监视任务弹性模型研究》123页

低成本无人机编队作为协同搜索与区域监视的替代方案已获认可。该类无人机采用低可靠性组件组装，存在单机故障风险。因无人机兼具通信节点功能，设备故障导致的机体损失将同时降低编队覆盖效率与通信效能。以飞行自组网（FANET）场景为例，通信节点故障可能导致包含多节点的网络子域陷于孤立状态。本研究核心目标是创建弹性分析模型，用于评估单体无人机故障对编队效能的影响，进而提升系统整体抗逆能力。拟议方案通过基于代理的建模与模拟实现无人机编队行为仿真，将无人机建模为自主代理，监控区域转换为二维网格矩阵。代理间实时通信可获取所有网格单元的通行与占用数据，使得无人机代理能测算最优移动路径并精确获取各单元格访问频次。

各无人机模型参照民用固定翼飞行器构建，配置通用执行机构与控制模块。单体故障事件基于可靠性故障树模型模拟实现，失效无人机将从现役单元池中移除。每次单体故障后，系统生成新网络拓扑，为网格内各节点（无人机）构建最小距离树。拓扑重构既能适应节点失效，也可应对因节点移动引发的结构变化。该模型可输出关键参数：受损节点数量与位置、故障前后系统效能、编队恢复时间预测等以量化弹性水平。研究攻克三项核心目标：筛选适合无人机场景建模工具链、突破既有研究局限开发编队弹性评估模型、通过多维度仿真验证模型有效性。本研究填补学界空白——既有成果多侧重通信中断（如节点失效）影响，忽视无人机本体可靠性要素。鉴于低成本易损型无人机的广泛应用趋势，该控制要素具有关键研究价值。

所提出的无人机编队故障弹性模型可模拟单体无人机故障对编队通信效能的影响，并识别缓解任务中断的应对措施。该模型弥补了当前缺乏评估单体故障下无人机编队弹性的系统性分析工具的缺陷。

本研究填补了学术空白——既有研究多聚焦系统通信中断（如节点失效），忽视无人机本体的可靠性考量。随着低成本易损型小型无人机的广泛部署，该要素具有关键研究价值。正如前文所述，无人机市场正加速向自主化、小型化/低成本化转型，尤其在军事与救灾领域的集群应用趋势显著。这一发展趋势必然伴随单体故障的不可规避性，使得设备可靠性分析与本研究的重要性凸显。为无人机技术界提供基于单元可靠性的系统弹性评估工具，具有以下潜在贡献：

a. 该模型可仿真无人机编队在搜索/监视任务中的效能表现并计算弹性指标。若在任务设计初期应用，可指导系统架构与组件优化，提升编队抗逆能力，增强任务执行信心。

b. 模型提供多维度仿真框架，涵盖编队规模、监控区域（网格）尺寸、单体故障概率、通信链路最大间距等参数。此类框架助力设计人员解析系统涌现行为，实现前瞻性设计。

c. 模型支持编队配置的经济性评估。通过仿真编队性能与故障恢复能力（弹性），决策者可探索预算约束下最具成本效益的任务实施方案。

具体而言，本研究推动了无人机系统弹性领域的前沿认知。无人机编队的群体行为难以通过解析工具精确建模，因其本质是多组件交互影响的复杂系统。传统方法往往无法构建全面描述组件互动的解析模型。而本研究采用的基于代理的建模仿真方法采取自下而上路径，通过刻画个体代理的群体行为特征，实现对自主无人机编队等复杂系统的行为建模。

尽管未涉及代理行为的学习与自适应机制，但基于代理的建模框架为评估编队结构变化对系统效能的影响提供了有效手段。该框架适用于硬件/软件升级、组件改进或故障引发的个体行为变更场景，可量化网络拓扑变化对移动网络路由算法参数调整需求的影响，同时评估单元损失对编队效能的冲击。此前研究（如Tran 2015、Tran等2017、Bai等2020）将单元故障视为随机事件，未考虑可靠性差异。本研究突破此局限，构建了精准反映低成本小型无人机故障特性的弹性评估方法，相比既有研究提供更精确的预测能力。