方法详解

问题建模

输入与目标

输入：现场操作员的自然语言指令 $t$（如”更换防振锤”、“清除异物”）。

目标：给出形式化保证——对于规程域内任意合法指令 $t$，系统能将其正确映射到可执行的机器人动作序列，并在物理执行过程中维持安全约束。

关键挑战

现有 LLM 规划方法在语义层面”优雅降级”：当遇到未见过的指令时，可能静默地错误路由，而非显式触发安全机制。这在高压作业等安全关键场景是不可接受的。

SEC：语义嵌入覆盖率

定义

设 $\phi: \mathcal{T} \to \mathbb{R}^d$ 为语义嵌入函数（本文使用 Gemini Embedding 001），$Q = \{q_1,\ldots,q_n\}$ 为任务图节点（词汇表），$\mathcal{D}_{\mathrm{task}}$ 为任务分布，$\tau > 0$ 为覆盖阈值。

直觉：SEC 测量的是”任意从真实任务分布中采样到的指令 $t$，能被词汇表 $Q$ 中的某个节点在嵌入空间内以阈值 $\tau$ 覆盖”的概率。SEC = 1 意味着覆盖无遗漏。

与标准做法的对比

规程约束假设（PCA）

封闭性的关键作用

传统做法将任务分布 $\mathcal{D}_{\mathrm{task}}$ 视为连续分布（需蒙特卡洛采样）。本文的核心洞见是：

电力作业规程（GB 26859、DL/T 741 等）经政府/行业机构文件枚举完备——规程中列出的任务构成一个有限可枚举的支撑集。

这使得 $\mathrm{supp}(\mathcal{D}_{\mathrm{task}})$ 从不可数变为可数，进而将 SEC 从统计量转化为可形式化验证的对象。

PCA 正式表述

Assumption 1（规程约束假设，PCA）：存在 $\epsilon > 0$，使得对所有 $t \in \mathrm{supp}(\mathcal{D}_{\mathrm{task}})$，均有：

其中 $\tau^* = 0.0291$ 为最优阈值（由 Step A 枚举实验确定），$\epsilon = d_{\min}/2 = 0.0971/2$。

PCA 是一个可实验验证的条件，通过以下四步实验方案验证：

四步验证方案

Theorem Q-18：语义 Nyquist 完备性

Theorem 1（语义 Nyquist 完备性，Theorem Q-18）：设词汇表 $Q$ 与嵌入函数 $\phi(\cdot)$ 满足 PCA（Assumption 1）。则：

证明思路（三步）：

1. 封闭性：PCA 成立时，$\mathrm{supp}(\mathcal{D}_{\mathrm{task}})$ 有限可枚举，可直接遍历验证。

2. 覆盖：对每个 $t \in \mathrm{supp}(\mathcal{D}_{\mathrm{task}})$，PCA 保证 $\exists q_i \in Q$ 使得 $\|\phi(t)-\phi(q_i)\|_2 \leq \tau^* - \epsilon < \tau^*$，即 $t$ 被 $Q$ 覆盖。

3. 概率：由于所有支撑集内的 $t$ 均被覆盖，$\mathrm{SEC}(Q,\tau^*) = \mathbb{P}[\cdot] = 1$。$\square$

意义：这是首次将语义覆盖从”统计概率”提升为”确定性等式”。不可覆盖的指令（规程域外）被显式路由至 FAILSAFE，而非静默错误处理。

三层架构

Layer 1 · Procedure（规程层）

负责将自然语言指令解析并映射到 $\mathcal{V}_{167}^{\mathrm{L}}$ 词汇表：

• NL Input Parser：正则表达式 + 关键词匹配，提取语义关键词
• V₁₆₇ᴸ Vocabulary：59 条任务、9 类（巡检/维护/测量/清障/安全/通信/应急/记录/协同）
• Embedding NN Lookup $\phi(\cdot)$：Gemini Embedding 001 计算余弦相似度，阈值 $\tau^*=0.0291$

理论保证：Theorem Q-18 → $\mathrm{SEC}=1$

Layer 2 · HTN Semantic Planning（语义规划层）

将任务 ID 分解为可执行动作序列：

• HTN Decomposer：SHOP2 风格的分层任务网络分解，方法库覆盖 59 条任务
• Action Sequencer & Param Binder：绑定参数（目标塔号、异物类型、能量等级）
• Semantic Guard：执行前 SEC 二次校验 + FAILSAFE 触发逻辑

FAILSAFE 触发条件：$\min_{q_i \in Q}\|\phi(t)-\phi(q_i)\|_2 \geq \tau_{\mathrm{dep}}=0.30$。触发后执行 Hover → RTL → Abort。

Layer 3 · CBF Physical Safety（物理安全层）

实时保证物理约束 $h(x) \geq 0$：

• State Observer：EKF 融合 IMU 与 GPS，输出状态估计 $\hat{x}(t)$
• CBF-QP Solver：$\min_u \|u - u_{\mathrm{nom}}\|^2$ s.t. $\dot{h}(x) + \alpha h(x) \geq 0$
• Actuator Output：电机指令 + E-Stop 继电器

理论保证：前向不变性 $h(x(t)) \geq 0,\,\forall t \geq 0$（Ames et al. 2019）

与相关工作的关键区别