1.3 飞行状态板：状态、目标与行为

1.3 飞行状态板：状态、目标与行为

本节摘要：状态板是整架飞行器的单一事实源。本节定义它的三块仪表——状态（我在哪）、目标（我去哪）、行为（我在做什么）；讲清状态的表示层次（位姿、资源、信念）与目标栈的压弹机制；给出行为仲裁的优先级规则，并解释为什么"两个舱段各写一份状态"是全册要反复围剿的头号病灶。

模拟舱训练里，教员扮演的塔台翻来覆去只问同样的问题：你现在在哪？你要去哪？你正在做什么？答不上来就复训。智能体的驾驶舱也一样——上一节空转通过的主回路，每一拍都在读写这三样数据，而它们必须写在同一块状态板上。本节的任务就是设计这块板：字段怎么定、目标怎么管、两段舱体同时想动舵听谁的。这三件事定不好，后面感知舱、规划舱、行动舱的算法写得再漂亮，也会在接缝上互相打架。

三块仪表与一条铁律

状态板的三块仪表对应三个永恒问题。状态回答"我现在在哪"：不只是物理位姿，还包括资源余量（电量、时间预算）与对环境的信念估计；目标回答"我要去哪"：可以是单一目标，也可以是一叠按优先级压放的目标栈；行为回答"我正在做什么"：当前生效的动作模式名，外加它的进度与来源（规划层指派还是反应层接管）。

一条铁律管住三块仪表：单一事实源（Single Source of Truth）。全机任何舱段想读写状态、目标、行为，都必须经过状态板的接口，禁止私下持有副本。理由在第 1.1 节的误诊里已经预演过：两份状态必然漂移，漂移的故障表现是"时好时坏"——比稳定出错可怕得多，因为它不可复现。这条铁律在工程上还有一个等价说法：状态板是全机唯一的共享可变对象，其余一切数据要么不可变，要么舱段私有。

状态的表示：位姿、资源与信念

状态字段不是越多越好，每多一个字段就多一份维护成本和一处不一致的机会。最小字段集按用途倒推：规划舱要用什么，状态板就得有什么。

这张表的关键列是"谁写"：每个字段至多一个主要写入者。位姿由感知舱写、行动舱只做航位推算备份，是典型分工；要是行动舱也直接写位姿，字段就有了两个真相，漂移只是时间问题。写不下去了怎么办——比如感知舱定位丢失——字段的降级策略也要预先声明：标记为"过期"而不是删掉，让规划舱看到灰色的仪表而不是黑洞。

部分可观测的空域（第 1.1 节的四属性）还要求状态板存信念状态而非裸读数：障碍物的位置带着置信度、消失在视野里的目标保留记忆估计。信念的更新算法是第 2 章的主题，这里只定契约：信念字段必须带时间戳与置信度，规划舱有权按需查询"这份情报几岁了"。

import threading
from dataclasses import dataclass, field
from time import monotonic

@dataclass
class Reading:
    value: object
    stamp: float          # 单调时钟时间戳
    conf: float = 1.0     # 置信度
    def age(self): return monotonic() - self.stamp

class FlightBoard:
    """单一事实源：所有跨舱段读写走这扇门。"""
    def __init__(self, stale_after=2.0):
        self._lock = threading.RLock()
        self._data = {}                     # 字段名 -> Reading
        self._stale_after = stale_after     # 超龄即视为过期

    def write(self, key, value, conf=1.0, writer=""):
        with self._lock:
            old = self._data.get(key)
            # 写入者校验：位姿只许感知舱与行动舱推算写
            if old and old.writer not in (None, writer) and key in LOCKED:
                raise PermissionError(f"{writer} 无权写 {key}")
            self._data[key] = Reading(value, monotonic(), conf, writer)

    def read(self, key, max_age=None):
        with self._lock:
            r = self._data.get(key)
        if r is None:
            return None                     # 黑洞：明确告知没有
        if max_age and r.age() > max_age or r.age() > self._stale_after:
            r.stale = True                  # 过期：降级为灰色仪表
        return r
​

实现里埋了近防呆：LOCKED 字段的写入者白名单在接口层挡住越权直写，时间戳与置信度强制随身——这两样是第 2 章状态估计和第 3 章不确定性规划的口粮。把契约做进数据结构，比写在文档里指望自觉靠谱得多。

目标的表示与目标栈

目标比状态难表示，因为它带着"程度"：有的目标满足即止（货送到就行），有的目标越优越好（路径越短越省电）。工程上把前者建模为满足型目标（谓词为真即达成），后者建模为效用型目标（评价函数打分取优）。多数真实任务是混合体：送货是满足型，途中的路径选择是效用型。

多目标并存时用目标栈管理：新目标压栈、完成弹栈、被高优先级目标抢占时挂起而非丢弃。塔台插话"先避让"就是一次压栈——避让目标压过送货目标，避让完成、栈顶弹出，送货目标原地恢复。目标栈让"打断与恢复"从特例变成常规操作，这是飞行器应对动态空域的核心机制之一。

from enum import IntEnum

class Priority(IntEnum):
    SAFETY = 0      # 数值最小 = 优先级最高
    MISSION = 5
    OPPORTUNITY = 9 # 顺路捡货这类机会目标

class GoalStack:
    def __init__(self):
        self._stack = []

    def push(self, goal):
        self._stack.append(goal)
        self._stack.sort(key=lambda g: g.priority)  # 栈顶最小优先

    def preempt(self, goal):
        """高优先级目标入栈，返回被挂起的目标清单供日志记录。"""
        suspended = [g for g in self._stack if g.priority > goal.priority]
        self.push(goal)
        return suspended

    def top(self):
        return self._stack[0] if self._stack else None

    def complete_top(self, board):
        done = self._stack.pop(0)
        board.write("behavior", f"resume:{done.name}", writer="planner")
​

仲裁规则随之定型：规划舱永远只服务栈顶目标；同优先级的目标按到达顺序公平排队；安全目标永不让位。栈深要设上限——目标栈长得离谱通常说明任务分解出了问题，该回第 3 章重拆任务，而不是继续压栈。

行为仲裁：谁有权动舵

最后一格仪表是行为。反应式流派（1.2 节）把行为做成了主角：多条行为同时活跃，谁赢？经典答案是优先级仲裁——避障行为永远压过巡航行为，这与目标栈的 SAFETY 优先互为表里：目标栈管"想做什么"，行为仲裁管"此刻允许做什么"，两道闸都过，舵面才动。

仲裁的工程要点在于行为间接口统一：每个行为对外只报"我建议的动作 + 我的紧迫度"，仲裁器按（优先级，紧迫度）排序取头名。把仲裁集中在一个点，出问题时才有唯一的排查位置——分布式仲裁（行为互相感知互相让路）听起来民主，实际上是没人负责。

图：飞行状态板与目标栈——塔台三问的仪表化

联调与故障排查

状态板的联调围绕一致性断言展开：循环里周期性检查"位姿与最近回执是否自洽""目标栈顶与行为名是否对应""每个字段的写入者是否在白名单里"。断言失败即报警，宁可误报也不放过双写。

三类高频病对症下药：状态漂移（同一数据两处真相）——用写入者白名单根治，出事后先查绕过接口的直写路径；目标遗忘（挂起的目标再没恢复）——目标栈操作必须全部落航行日志，第 5 章的黑匣子舱会把这个机制做成硬要求；仪表黑洞（读接口返回 None 引发下游崩溃）——区分"没有数据"与"数据过期"，给下游明确的降级语义，禁止用异常当控制流。

⚠️ 常见坑：把状态板做成大而全的上帝对象。字段一旦谁都能写，单一事实源就名存实亡。板子要小、白名单要严、降级语义要明。

本节要点回顾

• 三块仪表：状态（位姿、资源、信念）、目标、行为——对应塔台永恒的问题：在哪、去哪、在做什么。
• 单一事实源：状态板是全机唯一共享可变对象；字段带时间戳与置信度，主要写入者唯一并做白名单校验。
• 目标分型：满足型用谓词、效用型用评价函数；多目标用目标栈管理，打断与恢复走压弹机制，规划只服务栈顶。
• 行为仲裁：集中式按优先级与紧迫度排序；目标栈管意图，行为仲裁管当下放行。
• 排错三病：状态漂移查直写、目标遗忘查日志、仪表黑洞查降级语义。

至此整机检验收尾，飞行器拿到了滑跑许可。下一章钻进机头的感知舱：仪表上的读数，到底是怎么从物理世界里被造出来的。