中国安全科学学报 ›› 2024, Vol. 34 ›› Issue (11): 202-212.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.11.0732
收稿日期:2024-05-16
修回日期:2024-08-17
出版日期:2024-11-28
通信作者:
作者简介:![]() |
龚英 (1968—),女,重庆人,博士,教授,主要从事物流与供应链管理方面的研究。E-mail:815674938@qq.com。 |
基金资助:
GONG Ying(
), LIU Xiaocong, ZHOU Yufeng**(
), YANG Wei
Received:2024-05-16
Revised:2024-08-17
Published:2024-11-28
摘要:
为提高灾情侦察效率,针对灾害应急响应中无人机(UAV)侦察调度问题,提出一种考虑优先级的灾情侦察多UAV协同调度优化模型。首先采用混合整数非线性规划描述模型,开发一种改进的禁忌搜索算法,并通过引入特定的邻域算子和修复算子,提升算法的搜索能力和解的质量;然后设计2组算例验证模型和算法,算例组1源于2021年郑州洪灾的实际情境,算例组2为不同规模的模拟算例。结果表明:模型和算法得到有效验证,敏感性分析能够探讨飞行速度、UAV数量、型号以及续航能力对侦察能力的影响;增加UAV数量和优化型号能显著提高侦察效率;资源有限时,应优先选择侦察能力强的UAV;资源充足时,飞行速度则更为关键。
中图分类号:
龚英, 刘晓聪, 周愉峰, 杨维. 面向灾情侦察的有优先级多无人机协同调度优化[J]. 中国安全科学学报, 2024, 34(11): 202-212.
GONG Ying, LIU Xiaocong, ZHOU Yufeng, YANG Wei. Prioritized multi-UAV collaborative scheduling optimization for disaster reconnaissance[J]. China Safety Science Journal, 2024, 34(11): 202-212.
表2
受灾点数据
| 编号 | 坐标/km | 基础侦察 时间/min | 侦察优 先级 | 被困 人数 | 编号 | 坐标/km | 基础侦察 时间/min | 侦察优 先级 | 被困 人数 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 6 | (0.0,4.0) | 2 | 1 | 6 | 19 | (10.0,1.0) | 0.5 | 3 | 7 | ||||||
| 7 | (0.0,3.0) | 0.5 | 1 | 11 | 20 | (10.0,3.0) | 1 | 2 | 12 | ||||||
| 8 | (1.6,3.0) | 2 | 2 | 7 | 21 | (10.0,5.0) | 0.5 | 1 | 5 | ||||||
| 9 | (2.5,5.6) | 0.5 | 1 | 12 | 22 | (10.0,6.5) | 0.5 | 1 | 7 | ||||||
| 10 | (3.2,4.7) | 0.5 | 1 | 11 | 23 | (12.0,0.0) | 2 | 3 | 4 | ||||||
| 11 | (3.4,6.0) | 2 | 2 | 11 | 24 | (12.0,3.0) | 2 | 1 | 6 | ||||||
| 12 | (3.8,2.8) | 0.5 | 3 | 6 | 25 | (12.0,4.5) | 2 | 1 | 5 | ||||||
| 13 | (4.8,3.5) | 0.5 | 1 | 4 | 26 | (12.5,4.0) | 0.5 | 3 | 6 | ||||||
| 14 | (6.3,0.0) | 1 | 2 | 4 | 27 | (12.5,6.5) | 2 | 2 | 14 | ||||||
| 15 | (6.3,3.0) | 2 | 2 | 11 | 28 | (14.0,1.2) | 0.5 | 3 | 4 | ||||||
| 16 | (6.3,4.6) | 0.5 | 2 | 5 | 29 | (14.6,2.6) | 0.5 | 1 | 3 | ||||||
| 17 | (6.3,6.0) | 2 | 1 | 6 | 30 | (14.6,4.3) | 1 | 2 | 11 | ||||||
| 18 | (10.0,0.0) | 0.5 | 2 | 11 | |||||||||||
表6
UAV数量对最优运算结果的影响
| DJI phantom 4 | DJI AIR 3 | WK 1900 PRO | |||
|---|---|---|---|---|---|
| UAV 数量 | 最优目 标值 | UAV 数量 | 最优目 标值 | UAV 数量 | 最优目 标值 |
| 2 | 1.343 1 | 2 | 1.508 2 | 2 | 2.616 4 |
| 3 | 0.872 7 | 3 | 0.980 1 | 3 | 1.734 9 |
| 4 | 0.669 5 | 4 | 0.768 7 | 4 | 1.269 5 |
| 5 | 0.614 8 | 5 | 0.561 4 | 5 | 1.054 0 |
| 6 | 0.468 6 | 6 | 0.475 1 | 6 | 0.867 2 |
| 7 | 0.407 6 | 7 | 0.416 2 | 7 | 0.722 0 |
| 8 | 0.364 6 | 8 | 0.375 4 | 8 | 0.648 6 |
| 9 | 0.336 6 | 9 | 0.339 0 | 9 | 0.579 4 |
| 10 | 0.311 7 | 10 | 0.309 4 | 10 | 0.535 9 |
表7
混合型号UAV在不同数量下的最优运算结果
| UAV数量/架 | UAV型号及数量 | 最优目标值/h | UAV数量架 | UAV型号及数量 | 最优目标值/h |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 | 1架DJI phantom 4 1架DJI AIR 3 | 1.520 0 | 7 | 3架DJI phantom 4 3架DJI AIR 3 1架WK 1900 PRO | 0.445 5 |
| 3 | 1架DJI phantom 4 1架DJI AIR 3 1架WK 1900 PRO | 1.131 2 | 8 | 3架DJI phantom 4 3架DJI AIR 3 2架WK 1900 PRO | 0.408 8 |
| 4 | 1架DJI phantom 4 2架DJI AIR 3 1架WK 1900 PRO | 0.825 1 | 9 | 3架DJI phantom 4 3架DJI AIR 3 3架WK 1900 PRO | 0.360 3 |
| 5 | 2架DJI phantom 4 2架DJI AIR 3 1架WK 1900 PRO | 0.632 0 | 10 | 3架DJI phantom 4 4架DJI AIR 3 3架WK 1900 PRO | 0.342 8 |
| 6 | 2架DJI phantom 4 2架DJI AIR 3 2架WK 1900 PRO | 0.528 9 |
表10
不同规模求解结果
| 算法 | 指标/算例 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ITS | 最优目标值/h | 0.632 0 | 0.836 8 | 1.017 6 | 1.196 0 | 1.401 4 |
| 最差目标值/h | 0.665 4 | 0.891 4 | 1.064 3 | 1.292 6 | 1.474 0 | |
| 平均目标值/h | 0.651 2 | 0.870 0 | 1.041 6 | 1.224 5 | 1.423 4 | |
| 标准差 | 0.011 2 | 0.017 7 | 0.014 4 | 0.029 9 | 0.019 9 | |
| 计算时间/s | 27.56 | 32.29 | 36.18 | 39.53 | 45.40 | |
| TS | 最优目标值/h | 0.797 8 | 1.040 5 | 1.257 3 | 1.527 8 | 1.694 8 |
| 最差目标值/h | 0.870 2 | 1.141 9 | 1.425 4 | 1.628 0 | 1.949 9 | |
| 平均目标值/h | 0.829 7 | 1.093 4 | 1.356 3 | 1.586 3 | 1.803 0 | |
| 标准差 | 0.025 2 | 0.034 7 | 0.058 5 | 0.037 0 | 0.080 2 | |
| 差距/% | 20.79 | 39.26 | 49.74 | 58.64 | 62.71 | |
| 计算时间/s | 31.37 | 39.28 | 43.52 | 48.93 | 60.69 | |
| GA | 最优目标值/h | 0.673 3 | 0.854 3 | 1.086 1 | 1.307 8 | 1.558 5 |
| 最差目标值/h | 0.726 8 | 0.961 1 | 1.137 4 | 1.377 0 | 1.685 2 | |
| 平均目标值/h | 0.703 0 | 0.918 5 | 1.109 6 | 1.348 5 | 1.615 9 | |
| 标准差 | 0.017 3 | 0.029 1 | 0.020 3 | 0.019 5 | 0.034 6 | |
| 差距/% | 6.14 | 26.03 | 41.81 | 51.68 | 59.45 | |
| 计算时间/s | 31.51 | 34.31 | 36.48 | 38.19 | 41.53 | |
| SAA | 最优目标值/h | 0.818 1 | 1.181 5 | 1.400 8 | 1.749 2 | 1.956 9 |
| 最差目标值/h | 1.428 8 | 1.907 6 | 2.083 8 | 3.108 4 | 3.007 5 | |
| 平均目标值/h | 1.096 4 | 1.380 6 | 1.627 7 | 2.148 3 | 2.483 9 | |
| 标准差 | 0.191 9 | 0.215 4 | 0.214 4 | 0.427 8 | 0.322 6 | |
| 差距/% | 22.75 | 46.51 | 54.89 | 63.87 | 67.71 | |
| 计算时间/s | 31.85 | 38.50 | 44.62 | 48.90 | 55.95 |
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