Optimal ressourceallokering til UAV-kommunikationssystemer i katastrofehåndtering

Forskere ved Queen's University Belfast (QUB) og Duy Tan University (DTU) har samarbejdet om et projekt, der har til formål at forbedre kommunikationssystemerne for ubemandede luftfartøjer (UAV). Deres forskning blev tildelt Newton-prisen 2017, modtager £200, 000 af den britiske regering til udvikling af et nyt kommunikationssystem, der kan fungere under ekstreme vejrforhold og i tider med naturkatastrofer.

Mellem 2015 og 2017, det samme team af forskere havde arbejdet på et projekt finansieret af Newton-bevillingen og styret af det britiske råd, kaldet "Opbygning af et fundament for bæredygtig udvikling netværkssamfund for morgendagens byer." Dette projekt havde til formål at udnytte moderne trådløs teknologi og infrastruktur til at imødekomme kravene til forbindelse i forbindelse med naturkatastrofer i Vietnam.

"Efter at have afsluttet vores projekt i april 2017, vi blev inviteret til at indsende vores resultater og fremtidige planer til indkaldelsen af ​​Newton Prize 2017, "Trung Duong, fortalte en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til TechXplore. "Blandt ca. 200 indsendte Newton Fund-projekter, vores projekt var blandt de sidste fem vindere. Vi er stolte over at være blevet tildelt Newton-prisen 2017 og fortsætter med at udvikle vores projekt til næste trin ved at bruge ubemandede luftfartøjer (UAV'er) i missionskritisk kommunikation til katastrofehåndtering."

I perioder med ekstreme vejrforhold eller under naturkatastrofer, teknologi kan gøre en kæmpe forskel, hjælpe med at redde liv og yde hjælp til mennesker, der bor i berørte områder. UAV'er kunne spille en nøglerolle i dette, da de kunne hjælpe med at nå de involverede parter og bære værdifulde ressourcer.

I deres nylige undersøgelse, som blev offentliggjort den IEEE trådløs kommunikationsbrev og forudgivet på arXiv, forskerne udviklede en real-time ressourceallokeringsalgoritme, der kunne maksimere energieffektiviteten til kommunikation indlejret i UAV'er. Deres algoritme fungerer ved i fællesskab at optimere energiindsamlingstiden og strømstyringen for enhed-til-enhed (D2D) kommunikation mellem UAV'er.

"Optimering er central for ethvert problem, der involverer beslutningstagning, hvad enten det er inden for teknik, økonomi eller samfund, " Duong forklarede. "I trådløs kommunikation, optimeringsteknikker bruges ofte til at vælge eller opdatere systemparametrene, for at optimere netværkets ydeevne. Imidlertid, disse optimeringsalgoritmer løser typisk optimeringsproblemer i minut- eller timeskalaer."

Traditionelle konvekse optimeringsmetoder er i øjeblikket stadig dyre, og implementeringen af ​​dem kan være ekstremt tidskrævende. Dette kræver udvikling af nye metoder, hvilket kan være særligt fordelagtigt, når det anvendes i nødsituationer eller naturkatastrofer.

"I missionskritisk kommunikation, der understøtter katastrofehåndtering, såsom brandvæsener, redningshold, og akut lægetjeneste, tiden er en kritisk faktor (f.eks. med en minimumsforsinkelse på millisekund til sekunder), " sagde Duong. "En streng tidsfrist i realtid er det vigtigste krav for sådanne scenarier, især under et konstant skiftende miljø."

At udvikle værktøjer, der virkelig kan gøre en forskel i nødsituationer, derfor, forskere bør identificere måder til at reducere løsningstiden og den beregningsmæssige kompleksitet af optimeringsproblemer. Realtidsressourceallokeringsalgoritmen udviklet af Duong og hans kolleger gør præcis dette, effektivt reducerer køretiden ned til millisekunder.

Deres algoritme kunne integreres i UAV'er, som kunne være til stor hjælp i situationer, hvor netværk er overbelastede, bygninger er blevet ødelagt, og der mangler strøm. I disse tilfælde, UAV'er, der flyver over det berørte område, kan hjælpe førstehjælpere med at vurdere situationen så hurtigt som muligt.

"UAV'er er strengt afhængige af batterier for at fungere, og dermed, for at UAV'er forbliver luftbårne længere, deres mængde ressourcer (inklusive batterier, båndbredde, osv.) skal være godt optimeret, " Duong forklarede. "Dette er meget vigtigt for at udføre vellykkede eftersøgnings- og redningsmissioner inden for de første 72 timer efter katastrofen, i betragtning af, at kommercielt tilgængelige UAV'er kun kan forblive luftbårne i cirka 20 minutter. Derfor, maksimering af levetiden for et multi-UAV-kommunikationsnetværk er afgørende for sådanne applikationer."

Under og efter naturkatastrofer, forstyrret telekommunikationsinfrastruktur kan ofte forhindre beredskabspersonale og evakueringsmandskab i at udføre deres missioner. Ved at reducere UAV-kommunikationstiden ned til millisekunder, den optimale ressourceallokeringsalgoritme for UAV'er udviklet af Duong og hans kolleger kunne hjælpe med at redde liv og give rettidig assistance til overlevende.

"I naturkatastrofer, at bevare kommunikationsforbindelsen giver en livline, " Duong sagde. "Manglen på kommunikation i fjerntliggende områder og dårlige forhold for kommunikation i udviklingslande kan have skadelige virkninger. Vi mener, at vores forskning i realtidsoptimering i UAV-kommunikation er det første forsøg på området for at tackle tidsbegrænsning af UAV, som vil spille en afgørende rolle i katastrofescenarier."

I øjeblikket, teamet, der arbejder på dette Newton-fondsprojekt, består af 3 post-doc og 4 ph.d.-studerende. Disse forskere vil nu fortsætte arbejdet med deres meningsfulde bestræbelser, med fokus på en række yderligere teoretiske og praktiske aspekter.

"Vores næste skridt er at udnytte banebrydende teknologier, (f.eks. distribueret og parallel computing) og integrere maskinlæring i sammenhæng med realtidsoptimering, for at øge behandlingstiden, " sagde Duong. "Vi vil også fortsætte med at formidle vores forskning via videnskabelige tidsskrifter med stor gennemslagskraft, ved konferencer, og til industripartnere."

© 2018 Tech Xplore