面向农业园区污染源监测的多无人机路径优化方法研究.pdf

2021年 2期 大数据与人工智能 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 面向农业园区污染源监测的多无人机路径优化方法研究 杜心怡 徐 玲 苏 莹怡 何羽亭 张 旭 丁 涛 中 国 计 量 大学 浙江杭 州 310018 我 国 现 有各 级农业园 区 和 农业 生产 基 地在 促 进 产 业集聚 和推动经济发展中 贡献 重 大 但 与 此 同 时 园 区 生产 过 程 中 引 发的环 境 问题 也 日益突 出 成 为 环 境 污染 的 集聚 区域 政府 部门 通过 加 强 对 农业园 区 污染 源的 日 常 环 境 监 察 和 巡查 有 利 于 及 时 评 估园 区 范围内 的大气 污染状况 监 控 各 污染 源 排放 现 状 并 快 速确定 超 标排放 污染 源的准确 位置 对 实 现 园 区 大气 污染 的 靶 向 治 理 和 制 定 有 效的 应 急处置 方 案具 有 重要 意义 目前 污染 源的 日 常 环 境 监 察 一 般 采 用 固 定 监 测 站 无 线 传 感器 网络 监 测 车或手 持 式 监 测 仪 等 方 式 超 标污染 源的定 位 一 般 通过将 其 监 测 位置 和 污染物信息 浓度 相 综 合 得到 较 粗 略 的 浓度 分 布图 进 而 估 计 出 污染 源的 位置 1 但由于受 地面 条 件 建筑物 和 城市道路限 制 上 述 监 测 手 段 往往 效率 不 高 同 时由于 监 测 点 位往往 分 布 不 均 匀 且事故 污染 源 附 近不 一定 恰 好 设 有监 测 站或 被 监 测 点所 包围 虽然可 以 通过 增加 监 测 站 数 量 和 观 测 频 率来 提 高环 境 监 测 质 量 但 仍 面 临 着 监 测 范围 有 限 成 本 高 昂且 机 动 性 差 的 问题 目前 研究 结果 表明 无 人 机 环 境 监 测 平 台 具 有 机 动 灵 活 和 监 测 范围广 等 优势 可 以 弥 补 现 有 固 定 监 测 站 和 监 测 车 的 不 足 更 有 利 于对 大气 污染 源 进行 日 常 环 境 巡查 2 3 单架 无 人 机进行 园 区 内 大气 污染 源 监 测时 由于受 无 人 机自 身续航 时 间 限 制 一 次 飞 行 只 能 完成 部分 污染 源 点 位 的 监 测 任 务 监 测 任 务 的 执 行 效率 不 高 4 5 也 不 满足多个 污染 源在 监 测时 间 上 尽 量 保持同 步 性的 要 求 因此 采 用 多 架 无 人 机 来 完成 多个 污染 源 的 监 测 十 分 必 要 6 8 如 何 根据 农业园 区 污染 源 监 测 的 特 定 问题 来 研究构建 目 标 函 数 和 约束 条 件 并 采 用合 适 的 技术 手 段 寻找 园 区 内 大气 污染 源 最 优 的 监 测 路 径 是 本 文 重 点 解 决 的 问题 不 同 于 传 统 的 多 旅 行 商 mTSP 问题 该 方 法 根据 农业园 区 污染 源 监 测 的 特 定 问题 来 构建 目 标 函 数 和 约 束 条 件 目 标 函 数 中 考虑 了 各无 人 机 监 测 路 径 总 长度 最 短 无 人 机 飞 行 路 径转弯 角 最 小 保 证 飞 行 的 平 滑 度 以 减 少 无 人 机 飞 行 能 耗 无 人 机 对 障碍 物 的 躲避半径 最 大 该 项 可 使 得 无 人 机 距离障碍 物 的 路 径适 应 度值 小 以 保 证 最终 得到的 路 径 和 障碍 物 保持 一定 距离 特 定 摘 要 文章 提 出 了 一 种 面 向农业 园区污染 源监测 的多 无 人机 路径 优化方法 该 方法根据 农业 园区污染 源监测 的 特定问 题 来 构 建 目 标 函 数 和 约束条件 目 标 函 数 中 考虑 了 各无 人机 监测 路径 长度 最 短 无 人机 飞 行 路径转弯角 最 小 无 人机对 障碍物 的 躲避半径 最 大 的 问题 特定约束条件包括无 人机 续航 时间 限制 污染 源 排放污染物类 别 限制 无 人机 监测 停留 时间 限制 无 人机 起点 和 终点限制 等 采 用基于 复杂 变 异树 的多 染色体 遗传算法对上 述规划 模 型 进行 求解 得 到 农业 园区污染 源 最优 监测 路径 该 方法可 针 对 特定 农业 园区 快 速 计 算 出 多 无 人机 污染 源监测 的最优 路径 关键词 农业 园区 无 人机 污染 源监测 路径 优化 中图分类号 V279 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2021 02 0024 04 Abstract Thepaperproposesamulti UAVpathoptimizationforagriculturalparkpollutionsourcemonitoring This constructstheobjectivefunctionandconstraintsforthespecific problemofpollutionsourcemonitoringin agriculturalparks TheobjectivefunctiontakesintoaccounttheshortestlengthofeachUAVmonitoringpath thesmallest turningangleofUAVflightpath andthelargestavoidanceradiusofUAVtoobstacles ThespecificconstraintsincludeUAV limit pollutionsourceemissionpollutantcategorylimit UAVmonitoringresidencetimelimit UAVstartingpointandendpoint limit etc Thenthemulti chromosomegeneticalgorithmbasedoncomplexvariationtreeisusedtosolvetheaboveprogramming model andtheoptimalmonitoringpathofpollutionsourceinagriculturalparkisobtained Thiscanquicklycalculate theoptimalpathofmulti UAVpollutionsourcemonitoringforspecificagriculturalparks Keywords agriculturalpark UAV pollutionsourcemonitoring pathoptimization 基金项目 浙江省大学生科研创新活动计划资助项目 编号 2020R409037 通信作者 丁涛 1975 男 博 士 副教授 研究方 向 环 境 智能 监测和 溯 源 24 2021年 2期 大数据与人工智能 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 的 约束 条 件 包括 单架 无 人 机 续航 时 间 限 制 各 污染 源 排 放污染物 类 别 和 排放污染物 数 量 限 制 各 污染 源 无 人 机 停留 时 间 限 制 无 人 机 起 飞 出 发 点 和 终 点 限 制 等 而 后 采 用 基 于 复杂 变异 树 的 多 染 色 体 遗传 算法 来 对 上 述 规 划 模 型进行 求 解 得到 最 优 的 农业园 区 污染 源 监 测 路 径 1优化方法 该 方 法 首先获 取 目 标农业园 区 的环 境 信息 所 述 环 境 信息 包括 无 人 机出 发 基 地和 n个 污染 源 位置 的 坐 标 信息 单架 无 人 机 续航 时 间 无 人 机平均 飞 行 速 度 无 人 机 飞 行 单位 能 耗 无 人 机 悬停 单位 能 耗 各 污染 源 排放 污染物 类 别 和 排放污染物 数 量 各 污染 源 无 人 机 停留 时 间 无 人 机 数 目 m等 而 后 根据 农业园 区 的环 境 信息构 建 大气 污染 源 监 测 的 路 径 优 化 问题 模 型 设 定 模 型 的 特 定 目 标 函 数 和 约束 条 件 最 后 基 于 复杂 变异 树 的 多 染 色 体 遗传 算法 来 对 上 述 规 划 模 型进行 求 解 得到 多个无 人 机最 优 的 农业园 区 污染 源 监 测 路 径 目 标 函 数 F为 minF w 1 L L max w 2 D max D w 3 max 式 中 w 1 w 2 和 w 3 为 监 测 路 径 总 长度 L 无 人 机 对 障碍 物 的 躲避半径 D 无 人 机 飞 行 路 径转弯 角 的 三 个 子 目 标 的 权 重 w 1 w 2 w 3 1 L max D max 和 max 为 预 先 设 定的极大 值 目 的 为 去 量 纲 化 躲避半径 D取 倒 数 的 原 因 是 我 们 期 望 无 人 机 躲避半径越 大 越 好 式 中 L k 为 第 k个无 人 机 的 路 线 飞 行总 时 间 距离 m 为 无 人 机 数 量 n为 园 区 内 污染 源 数 量 C ij 为 无 人 机从 污染 源 i到 污染 源 j的 飞 行 时 间 x i y i 为 第 i 个 污染 源 位置 x j y j 为 第 j 个 污染 源 位置 C tw j 为 无 人 机 在 污染 源 j的 监 测 停留 时 间 v为 无 人 机 的 平均 飞 行 速 度 S为 单架 无 人 机最 长 续航 时 间 最 大 飞 行 距离 为 惩罚 因 子 当 第 k条 路 线 的 L k 大 于 S时 说明 这 条 路 径 不 是 最 优 路 径 通过 惩罚 因子 使 该 条 路 径 为 劣解 从 可 行 解 当 中 剔除 式 中 D m 为 第 m架 无 人 机 的 飞 行 路 径 对 障碍 物 的 躲避 半径 之 和 g为 障碍 物 的 数 量 d k 为 飞 行 路 径距离第 k 个 障碍 物 的 距离 r k 为 障碍 物 的 最 大 外 围 半径 式 中 m 为 第 m架 无 人 机 的 飞 行 路 径 上 转弯 角 之 和 w 为 转弯 角 的 数 量 k 为 飞 行 路 径 上 第 k个 转弯 角 步 骤 S2的 约束 条 件 为 遍历 农业园 区 内 所有 污染 源 监 测 点 无 人 机 起 飞 基 地和 终 点 基 地 均为出 发 点 每 个 污染 源 仅 停留 一 次 单架 无 人 机 续航 能力和 其 他约束 式 中 M为 预 先 给 定的 无 人 机 数 量 m为 优 化 后的 无 人 机 数 量 2优化步骤 面 向 农业园 区 污染 源 监 测 的 多无 人 机 路 径 优 化 方 法 的 计算 过 程 如 图 1所示 具 体 过 程 如 下 1 设置 基 于 复杂 变异 树 的 多 染 色 体 遗传 算法 的 参 数 包括 种 群 数 量 Pop 迭 代 次 数 S 无 人 机 数 量 即 染 色 体 数 量 M 2 初 始化 种 群 根据 当 前 染 色 体 数 量 M 采 用 多 染 色 体编码 的方 式对 种 群 进行 编码 一 条 染 色 体代 表 一 架 无 人 机 的 污染 源 监 测 点 序 列 计算算法 适 应 度 函 数 3 随 机选 择复杂 变异 树 中 不 同 复杂 程度 的 算子 对 各 种 群 进行 优 化 复杂 变异 树分为 简 单 变异算子 一 般 变异算子 和 复杂 变异算子 简 单 变异算 子 包括 交换 Swap 算子 倒 位 Reverse 算子 滑 动 Slide 算子 插入 Insert 算子 和 交叉 Crossover 算子 一 般 变异 算子 为 随 机两 个 简 单 算子 结合 而 成 包括 交换 和 交叉 Swap1mM 25 2021年 2期 大数据与人工智能 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 出 发 基 地 m架 无 人 机 航 行 到 n个 大气 监 测 点 最终回 到 出 发 基 地 每 架 无 人 机 可 到 多个监 测 点 进行 采 样监 测 要 求 每 个监 测 点都 被 采 样监 测 且 每 个监 测 点 只 能 被 一 架 无 人 机 采 样 根据 各 污染 源 排放污染物 类 别 和 排放 污染物 数 量 确定 其采 样 停留 时 间 m架 无 人 机 需 要 在 完 成 监 测 任 务 后 再 回 到 出 发 基 地 要 求 为每 架 无 人 机 规 划 出最 优 的 监 测 路 径 且 无 人 机 数 量最终达 到 最 优 化 已 知 目 标农业园 区 占 地面积 为 36km 2 园 区 内 随 机分 布有 20个 排放污染 源 20个 污染 源的 坐 标信息 污染物排放 类 型 和 无 人 机 停留 时 间为 已知 条 件 单架 无 人 机 续航 时 间为 40min 平均 飞 行 速 度 为 5m s w 1 取 0 95 w 2 取 0 w 3 取 0 05 种 群 数 量 Pop设 定 为 80 迭代 次 数 设 定 为 500 图 1多 无 人机 路径 优化算法 计 算 步骤 26 2021年 2期 大数据与人工智能 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 初 始 无 人 机 数 量 预 设 为 8架 利用 基 于 复杂 变异 树 的 多 染 色 体 遗传 算法 来 对 上 述 规 划 模 型进行 求 解 最终 得到 多个无 人 机最 优 的 农业园 区 污染 源 监 测 路 径 见 图 2 由 图 2可 知 优 化 后的 无 人 机 数 量为 6架 第 1架 无 人 机 的 航 行 路 径 为 1 18 2 1 第 2架 无 人 机 的 航 行 路 径 为 1 15 20 1 第 3架 无 人 机 的 航 行 路 径 为 1 12 19 1 第 4架 无 人 机 的 航 行 路 径 为 1 16 17 11 10 1 第 5架 无 人 机 的 航 行 路 径 为 1 6 5 14 1 第 6架 无 人 机 的 航 行 路 径 为 1 4 9 13 3 8 1 6架 无 人 机 的 飞 行 路 径 总 长度 为 49 0073km 计算程 序 的 迭代 次 数 为 435次 由计算 结果 可 知 该 方 法可 用 于 解 决 农业园 区 污染 源 监 测 的 多无 人 机 路 径 优 化 问题 参考文献 1 陶 于金 李 沛峰 无 人机 系统发 展与 关键 技术 综 述 J 航 空 制 造 技 术 2014 20 34 39 2 李 杨 马舒庆 贾 小 芳 等 基于 无 人 直升 机 探 测 的 北京 地 区 重雾霾 天 气 大 气 颗粒 物 垂直 变 化 特 征 分 析 J 气象 与环 境 学报 2016 32 6 179 183 3 丁 承君 宋赛 冯 玉伯 等 基于 无 人机的 立 体 大 气 环 境 监测 系统设 计 J 传 感 器与 微系统 2020 39 10 62 65 69 4 WangD WangZ PengZ etal Usingunmannedaerialvehicle toinvestigatetheverticaldistributionoffineparticulatematter J In ternational Journal of Environmental Science and Technology 2020 17 1 219 230 5 PengZ WangD WangZ etal Astudyofverticaldistribution patternsofPM2 5concentrationsbasedonambientmonitoringwith unmannedaerialvehicles AcaseinHangzhou China J Atmospheric Environment 2015 123 12 357 369 6 VillaT JayaratneE GonzalezL etal Determinationofthe verticalprofileofparticlenumberconcentrationadjacenttoamo torwayusinganunmannedaerialvehicle J EnvironmentalPollution 2017 230 134 142 7 TommasoV FarhadS KyeM etal Developmentandvalidation ofaUAVbasedsystemforairpollutionmeasurements J Multidisci plinaryDigitalPublishingInstitute 2016 16 12 1 15 8 YangX ZhouX LiuS Developmentofalow costUAV based systemforCH4monitoringoveroilfields J EnvironmentalTechnolo gy 2020 13 1 10 图 2农业 园区污染 源监测 路径 MATLAB仿真 结果 27