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城市物流无人机起降点布局规划研究

交通运输系统工程与信息 2022年第3期22卷 207-214页

作者：张洪海冯棣坤张晓玮刘皞钟罡张连东南京航空航天大学民航学院南京211106

针对城市物流无人机起降点布局规划问题,考虑不同级别的物流无人机起降点,构建以总经济成本最小和客户满意度最高为目标,以禁飞区、无人机性能、容需匹配等为约束的整数规划模型。设计人类学习优化算法(HLO),引入随机学习算子、个体学... 详细信息

针对城市物流无人机起降点布局规划问题,考虑不同级别的物流无人机起降点,构建以总经济成本最小和客户满意度最高为目标,以禁飞区、无人机性能、容需匹配等为约束的整数规划模型。设计人类学习优化算法(HLO),引入随机学习算子、个体学习算子和社会学习算子。在此基础上,基于真实地理信息数据和物流数据设计仿真实验,验证模型与算法有效性。实验结果表明,所建模型可以实现起降点的合理布局规划,适用于大规模资源配置,具备有效性;人类学习优化算法较遗传算法求解精度与收敛速度更优,表现出较佳性能。参数分析表明,基于该仿真环境的最优经济成本权重和客户满意度权重设置为0.4和0.6,最佳算法学习概率参数组合为5/n和(0.8+2/n)。据此可对城市物流无人机起降点布局规划提供决策依据。

关键词：航空运输起降点布局规划人类学习优化算法物流无人机物流配送

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城市区域物流无人机路径规划

交通运输系统工程与信息 2020年第6期20卷 22-29页

作者：张洪海李翰刘皞许卫卫邹依原南京航空航天大学民航学院南京211106

针对城市区域物流无人机路径规划问题,采用栅格法进行环境建模,综合考虑无人机性能、任务性质和城市环境等影响要素,以航程、高度变化和危险度最小为目标函数,构建多约束物流无人机路径规划模型.改进A^*(A-star)算法求解:为合理预估距离... 详细信息

针对城市区域物流无人机路径规划问题,采用栅格法进行环境建模,综合考虑无人机性能、任务性质和城市环境等影响要素,以航程、高度变化和危险度最小为目标函数,构建多约束物流无人机路径规划模型.改进A^*(A-star)算法求解:为合理预估距离,采用欧氏距离与曼哈顿距离线性组合的方式设计启发函数;为提高搜索效率,引入双向搜索策略;为保证平稳飞行,采用B样条(B-spline)法进行路径优化.结果表明:模型可以实现多目标优化,具有有效性;算法与传统A^*算法相比,规划时间少,规划路径航程短,高度变化少,飞行安全稳定.分析参数权重值得出:当3个子目标代价权重系数分别为0.4、0.1和0.5,2种距离权重系数分别为0.15和0.85时,规划路径最优.

关键词：航空运输路径规划改进A^*算法物流无人机双向搜索策略

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城市区域多物流无人机协同任务分配

系统工程与电子技术 2021年第12期43卷 3594-3602页

作者：李翰张洪海张连东刘皞南京航空航天大学民航学院江苏南京211106

针对城市区域多无人机协同物流任务分配问题,综合考虑不同无人机性能、物流时效性、飞行可靠性等影响因素,以经济成本、时间损失和安全风险最小为目标函数,构建多无人机协同物流任务分配模型。因问题规模大、求解复杂度高,设计改进的量... 详细信息

针对城市区域多无人机协同物流任务分配问题,综合考虑不同无人机性能、物流时效性、飞行可靠性等影响因素,以经济成本、时间损失和安全风险最小为目标函数,构建多无人机协同物流任务分配模型。因问题规模大、求解复杂度高,设计改进的量子粒子群算法进行求解。首先,为增强粒子遍历性和多样性,采用均匀化级联Logistic映射进行粒子初始化;其次,为避免算法陷入局部最优解,引入基于高斯分布的粒子变异方式;最后,为提高算法运行效率,运用自适应惯性权重方法对粒子赋值。仿真实验结果表明,所构建的模型能够实现任务分配多目标优化,贴近城市区域无人机物流配送实际;所提算法与传统量子粒子群算法和遗传算法相比,任务分配代价分别下降了5.9%和6.3%;并进一步对参数权重设置进行分析,当3个子目标函数权重系数分别为0.225、0.275和0.500,种群规模为150时,算法规划的结果最优。

关键词：物流无人机任务分配改进量子粒子群算法高斯分布自适应惯性权重

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城市低空物流无人机飞行计划预先调配

系统工程与电子技术 2023年第9期45卷 2802-2811页

作者：张洪海任真苹冯讴歌王非刘皞南京航空航天大学民航学院江苏南京211106

针对城市环境下物流无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)飞行计划调配问题,以UAV运输成本和延误成本最小为目标,建立多约束物流UAV飞行计划预先调配模型。考虑货物类型优先级、物流公司优先级和配送时间优先级提出综合优先级,设计了基... 详细信息

针对城市环境下物流无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)飞行计划调配问题,以UAV运输成本和延误成本最小为目标,建立多约束物流UAV飞行计划预先调配模型。考虑货物类型优先级、物流公司优先级和配送时间优先级提出综合优先级,设计了基于综合优先级的飞行计划预先调配算法求解。以校园配送为仿真环境进行验证,模型和算法能够生成无冲突的飞行时刻表,实现飞行计划预先差异化调配。实验结果表明,综合优先级调配与传统任务优先调配、先到先服务调配相比,每条飞行计划的成本分别降低了21.69%和26.58%;当综合优先级权重组合为0.2、0.4和0.4时,每条飞行计划的成本最低为5.42元,调配结果最佳。

关键词：航空运输飞行计划调配综合优先级物流无人机

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复杂低空物流无人机路径规划

北京航空航天大学学报 2020年第7期46卷 1275-1286页

作者：张启钱许卫卫张洪海邹依原陈雨童南京航空航天大学民航学院南京211106

针对复杂低空物流无人机路径规划问题,考虑空域环境、运输任务等内外限制,以飞行时间、能耗及危险度最小为目标函数,建立多限制条件物流无人机路径规划模型,设计启发算法以快速解算路径。采用栅格法对规划环境表征,引入物流无人机性能... 详细信息

针对复杂低空物流无人机路径规划问题,考虑空域环境、运输任务等内外限制,以飞行时间、能耗及危险度最小为目标函数,建立多限制条件物流无人机路径规划模型,设计启发算法以快速解算路径。采用栅格法对规划环境表征,引入物流无人机性能约束确保路径可飞。针对A^*算法存在的问题及物流无人机航空运输特色,引入栅格危险度因子、货物质量惩罚系数,增加飞行时间、能耗等代价以提升避障能力、降低成本。为匹配所提启发算法解算效率与精度,采用动态加权法对函数赋权。为筛除冗余路径点及保证平稳飞行,采用双向交叉判断法等对原路径优化平滑。为验证所提路径规划模型及启发算法的有效性,对比4种算法规划结果,分析栅格粒度大小与代价权重值对结果的影响。在既定的运输环境及物流无人机性能约束下,研究结果表明:所提算法与A^*算法相比,保证了物流无人机飞行安全、能耗少,将飞行时间由406 s降至386 s,降低了5%;飞行路径点数为129个、栅格危险度因子为11.69,降低了姿态改变次数,保证了运输安全;当栅格粒度大小为5 m,代价权重值为0.4、0.1、0.5时,采用所提算法规划的路径最佳。

关键词：航空运输路径规划 A^*算法物流无人机复杂低空栅格危险度双向交叉判断法

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城市低空物流无人机航迹规划模型研究

交通运输系统工程与信息 2022年第1期22卷 256-264页

作者：张洪海张连东刘皞钟罡南京航空航天大学民航学院南京211106

为提高物流无人机在城市低空环境下配送的安全性和公众接受程度,保证运输经济性,提出一种考虑运行风险、噪声水平和运输成本的城市低空物流无人机航迹规划方法。采用栅格法进行空域环境表征,建立基于风险的城市空域环境模型。结合物流... 详细信息

为提高物流无人机在城市低空环境下配送的安全性和公众接受程度,保证运输经济性,提出一种考虑运行风险、噪声水平和运输成本的城市低空物流无人机航迹规划方法。采用栅格法进行空域环境表征,建立基于风险的城市空域环境模型。结合物流配送要求,建立多目标、多约束的物流无人机航迹规划模型。采用改进A*算法进行求解:为降低航迹代价,设计估价函数预估成本;为保证飞行安全,引入安全保护区确保间隔;为提升搜索效率,采用动态步长加快搜索进程。仿真结果表明:本文模型和算法所得航迹的运行风险小、噪声水平低、运输成本低,能够实现多目标优化。分析模型参数可知,当各子目标代价权重分别为0.6、0.1和0.3时,规划航迹最优。保证其余参数不变,增大安全间隔,则风险代价、运输成本代价总体呈增加趋势,噪声代价减少。在本文规划环境下,参考大疆经纬200无人机参数,在安全间隔取15 m时,综合代价最小。

关键词：航空运输航迹规划改进A*算法物流无人机风险评估

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物流无人机安全路径规划

兵器装备工程学报 2022年第S2期43卷 199-204页

作者：王红星刘群洁岳哲河南理工大学物理与电子信息学院河南焦作454003 河南理工大学测绘与国土信息工程学院河南焦作454003

以城市物流低空环境为背景,提出了基于改进遗传算法的无人机安全路径规划。在适应度函数的设计中考虑了无人机与障碍物的距离代价;为加快搜索效率,提高种群多样性,对遗传算法的初始化方式、交叉和变异算子作出了改进;而后提出了基于次... 详细信息

以城市物流低空环境为背景,提出了基于改进遗传算法的无人机安全路径规划。在适应度函数的设计中考虑了无人机与障碍物的距离代价;为加快搜索效率,提高种群多样性,对遗传算法的初始化方式、交叉和变异算子作出了改进;而后提出了基于次优路径的二次安全变异思想,对次优路径上与障碍物过近的路径点进行二次变异。仿真结果表明,改进后的算法不仅改善了路径平滑度和长度,还能在与障碍物过近处扩大距离。

关键词：物流无人机路径规划无人机避障遗传算法变异算子

考虑多约束因素的物流无人机网络高精度风险分析模型

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Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2024年第2期41卷 218-232页

作者：闫永刚李新飞沈志远魏文斌南京航空航天大学民航学院中国南京211106 中国民用航空局空中交通管理局中国北京100022 中国南方航空有限公司北京分公司中国北京102602 圣何塞州立大学工程学院美国圣何塞95192-0061

物流无人机为全球快递物流业的扩张带来了新的机遇,有效克服了地面运输方式的不足。当前物流无人机仍处于起步阶段,因此有必要分析其运行过程中的碰撞风险。本文采用冲突区碰撞建模理论,根据物流无人机的特点和局限性,研究了其在特定空... 详细信息

物流无人机为全球快递物流业的扩张带来了新的机遇,有效克服了地面运输方式的不足。当前物流无人机仍处于起步阶段,因此有必要分析其运行过程中的碰撞风险。本文采用冲突区碰撞建模理论,根据物流无人机的特点和局限性,研究了其在特定空域飞行内的安全隐患。首先,为了衡量可靠性和故障率等多种因素对物流无人机在特定空域安全运行的影响,建立了物流无人机与其他无人机在特定空域的碰撞风险分析模型。然后,通过分析影响物流无人机安全运行的因素,包括空域条件、人机系统、环境条件和管理条件,建立了在特定空域运行的物流无人机与民用飞机碰撞风险分析模型。为了验证所提出模型的准确性,本研究对这两种情况下的模型进行了求解,并与国际民航组织制定的安全性标准进行了比较。

关键词：物流无人机冲突模型冲突风险低空经济安全运行

改进Theta^(*) 算法的物流无人机城域三维路径规划

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计算机工程与应用 2023年第17期59卷 334-340页

作者：徐伟华聊士超张根瑞熊坚昆明理工大学交通工程学院昆明650500

针对物流无人机城域配送路径规划问题,使用改进栅格法进行环境建模,设计路径安全代价函数提高路径安全性。为了解决Theta^(*)算法在城市区域规划时路径海拔变化较大的问题,同时为减少路径节点数,提高路径平滑性,在算法实际代价函数中引... 详细信息

针对物流无人机城域配送路径规划问题,使用改进栅格法进行环境建模,设计路径安全代价函数提高路径安全性。为了解决Theta^(*)算法在城市区域规划时路径海拔变化较大的问题,同时为减少路径节点数,提高路径平滑性,在算法实际代价函数中引入海拔变化代价及姿态调整代价;在算法搜索路径节点过程中,通过提出视线存在预设策略减少多余检查过程,提高算法搜索效率。与A*算法及Theta^(*)算法对比验证了改进Theta^(*)算法适用性。设计对照实验确定了目标函数权重及估价函数权重最优取值。在随机不同环境及真实环境下进行仿真,结果表明:相比于传统算法,改进Theta^(*)算法规划路径的海拔变化、路径点数、规划时间及路径总代价均有较明显减少,证明了改进策略的有效性,在城域无人机路径规划方面有一定应用价值。

关键词：三维路径规划物流无人机改进Theta^(*)算法城市区域配送