3.3 飞行程序：HTN 行为规划与序列生成

3.3 飞行程序：HTN 行为规划与序列生成

本节摘要：常用套路不该每次从头搜索。本节把领域知识预制成飞行程序库：HTN 用方法库描述"这类活怎么干"，复合任务按前置条件选方法、展开成子任务网络、终止于原语；行为树负责程序的反应式执行。程序库与搜索的正确关系是主次分明——程序为主、搜索填缝，从零搜出的计划既慢又脆。

老机长的飞行包里没有演算纸，只有翻旧的标准程序手册。起飞、巡航、进近，每一阶段按检查单走，遇偏离才临场处置——他不是每次都从牛顿力学重新推导怎么飞，而是站在几十年飞行经验编译成的程序上。规划舱需要同样的手册：飞行程序库。上一节搜索的定位随之修正——程序库里命中的套路直接展开，搜索只负责程序没覆盖的缝隙与兜底。从零搜出的计划在教科书里优雅，在生产环境里既慢又脆：环境稍有风吹草动，整份计划作废。

HTN：把"怎么干"写成方法库

分层任务网络（HTN）的词汇表很小：原语任务是行动舱接口表上的动作；复合任务是"转运托盘"这类需要展开的活；方法是复合任务的展开配方——带前置条件（什么情况下适用）与子任务网络（展开成什么）。规划过程就是从顶层复合任务出发，反复选方法、展开，直到计划里只剩原语。它和 3.1 节的递归分解是同一思想的工业级形态：加上了多方法择优——同一复合任务可有多种配方，按当前信念选适用的那个。

方法库的价值密度在前置条件上。"装载托盘"这个复合任务可以有两条方法：托盘在近处且机械臂可达，走"直接夹取"配方；托盘压在底下，走"先清障再夹取"配方。前置条件写的是什么？读信念、查航图——感知舱的输出在这里直接参与决策。方法库因此是知识的热区：领域经验沉淀于此，审计与改进都围绕它。

from dataclasses import dataclass
from typing import Callable

@dataclass
class Method:
    name: str
    precondition: Callable        # 读信念，返回是否适用
    subtasks: list                # 复合或原语任务名序列

METHODS = {
    "transport_pallet": [         # 顶层复合任务：转运托盘
        Method("direct_route",
               lambda b: b.read("pallet_pos").conf > 0.8,
               ["navigate", "grasp", "navigate", "release"]),
        Method("clear_then_route",
               lambda b: b.read("pallet_blocked").value,
               ["inspect", "clear_obstacle",
                "transport_pallet"]),   # 可递归引用自身
    ],
    "navigate": [
        Method("topo_then_local",
               lambda b: b.read("map_ready").value,
               ["plan_topo_route", "follow_local_path"]),
    ],
}

def htn_plan(task, board, depth=0):
    """HTN 展开：选适用方法，递归到原语序列。"""
    if depth > 10:
        raise RecursionError("方法库疑似循环展开")
    if task in PRIMITIVES:
        return [task]
    for m in METHODS.get(task, []):
        if m.precondition(board):
            plan = []
            for sub in m.subtasks:
                plan.extend(htn_plan(sub, board, depth + 1))
            return plan
    raise ValueError(f"任务 {task} 无适用方法：信念不足或库缺配方")
​

与 3.1 节骨架对照，多了三样工业件：方法表外置成数据（加配方不改代码）、前置条件读信念（方法选择随感知更新）、递归自引用合法（"先清障再转运"里的转运又走一遍全流程）。深度限额照旧是保险丝——真正防循环靠方法库的静态审查。

行为树：程序的反应式执行

HTN 产出的是事前计划，执行时的反应式调度交给行为树。行为树把程序组织成树：叶子是动作或条件，内部节点控制流转——顺序节点依次执行、选择节点按优先级试、并行节点同发。它的特长是失效恢复的常规化："抓取"失败不必推翻整份计划，选择节点回退到上一分支重试即可。工程分工因此清晰：HTN 管展开（这份活分几步），行为树管执行（每步成了没成、败了怎么退），两者衔接点是任务单的原语序列。

行为树的最小执行骨架也一并交付——HTN 展开结果由它落地：

class Node:
    """行为树节点：状态三分 成功 / 失败 / 运行中。"""
    SUCCESS, FAILURE, RUNNING = "成功", "失败", "运行中"

class Sequence(Node):
    def __init__(self, children): self.children = children
    def tick(self, board):
        for child in self.children:
            r = child.tick(board)
            if r is not Node.SUCCESS:
                return r                  # 有一步未成即整段未成
        return Node.SUCCESS

class Fallback(Node):
    def __init__(self, children): self.children = children
    def tick(self, board):
        for child in self.children:
            r = child.tick(board)
            if r is not Node.FAILURE:
                return r                  # 有一步能走就走它
        return Node.FAILURE               # 全败上抛复飞

class ActionLeaf(Node):
    def __init__(self, step, executor):
        self.step, self.executor = step, executor
    def tick(self, board):
        receipt = self.executor.submit(self.step.action,
                                       self.step.params)
        return Node.SUCCESS if receipt.ok else Node.FAILURE
​

图：HTN 与行为树的分工——事前展开与事中执行

联调测试与故障排查

程序库的联调是配方回归：为每个复合任务准备一组信念快照（正常、边缘、异常），断言方法选择与展开结果符合预期；再加覆盖审计——统计生产日志里各方法的命中频次，长期零命中的配方是死代码，高频命中且常失败的配方是改进对象。展开结果还要过 3.1 节的静态校验（原语合法、依赖有序），两道关都不能省。

按症状排查："无适用方法"报错是前置条件全灭——信念不足（感知该补）或库缺配方（该新增方法），两种病根方向完全不同，先看报错时的信念快照；展开结果僵硬（环境变了程序不转弯）是前置条件写得太宽，配方在不该适用的局面被选中，收紧条件或增加分支；程序与搜索打架（同一任务两次跑结果不同）是程序命中与搜索兜底的边界没划清，命中日志必须显式记录来源。

⚠️ 常见坑：把方法库当成代码的附属注释随手维护。方法库是知识资产，要有版本、要有回归、要有命中统计——没有审计的程序库会在三个月内变成没人敢动的黑匣子。

本节要点回顾

• 程序为主、搜索为辅：常用套路预制展开，搜索填缝兜底；从零搜索的计划既慢又脆。
• HTN 三件套：复合任务、方法（前置条件加子任务网络）、原语；前置条件读信念，方法选择随感知更新。
• 行为树管执行：顺序、选择、并行节点把失败恢复常规化；HTN 展开与行为树执行以原语序列衔接。
• 配方回归与命中审计：方法库要有版本与回归，死配方与常败配方都要有下落。
• "无方法可用"两种病根：信念不足找感知，配方缺失补方法库——方向相反，先看快照。

程序库让航线有了骨架，但再好的程序也写在无风的日子。下一节请出气象：感知有误差、执行有偏差、环境会变脸——不确定性下的规划怎么打。