面向灾害应急的不确定性无人系统协同调度研究

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在面向灾害应急救援工作时,因灾害所产生的损害导致通信链路受损,需要对灾区环境中的通信系统进行恢复,以便指挥中心能够及时获取灾区信息,展开救援任务。传统的灾害应急部署通信基站进行通信的成本高,还影响灾害救援效率,随着无人系统技术的日渐成熟,基于无人系统构建的异构物联网成为灾害救援的首选。在现实的灾难场景中,灾难事故往往存在着突发、决策的非程序化,以及不确定性大等特点。因此,本文首先针对应急异构物联网节点空间位置数据和位置参数估值上下界存在的不确定性,提出基于无人机空基中继的异构物联网模型,使用鲁棒优化算法解决不确定性参数对于异构物联网模型的影响。本文的主要工作和研究内容如下:(1)本文分析了灾害应急场景下的不确定性因素,对不确定性的表征进行了定性定量的研究。考虑到灾害应急场景中地面通信系统受损的情况,首先构建了以无人机作为空中中继基站的异构物联网确定性模型,以达到地面物联网设备与空中无人机中继基站的通信功率最小化的目标,从而实现同时接入的地面物联网设备数量约束、同时变分簇全范围约束、以及高可靠性通信约束,建立了基于增广向量的无人机空基中继确定性优化问题。因为此优化问题是非凸的、非线性的,很难直接得到最优解,因此本文中采用了正交变换方式对问题加以松弛,以便将非凸问题转化为凸优化问题进行求解。(2)模型性能与地面物联网终端设备定位精度存在较大关联,定位信息的细微扰动和参数上下界估值不合理可能导致模型求解无效,因此考虑模型中实时空间定位参数和参数上下界估值存在不确定性影响,应用椭球不确定集对物联网设备定位数据和参数上下界估值进行不确定性描述,将包含参数不确定性的优化模型转换为确定性形式的优化模型,进而得到空中无人机中继通信功率优化问题的鲁棒对等模型,对其进行求解,并对两类不确定性参数对所建立模型的影响进行分析。仿真实验结果表明,本文中所使用的鲁棒优化算法与相同实验环境下的松弛二次约束二次规划(Relaxed Quadratic Constraint Quadratic Program,RQCQP)算法比较,有着很好的鲁棒性能,在通信能耗抑制方面也有着不错的成效。
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