2024年ASOC SCI2区TOP，多机制群优化算法+多风场输电线路巡检中多无人机任务分配与路径规划，深度解析+性能实测

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1.摘要

随着电力系统规模的不断扩大，复杂环境下的电力线路及设施的巡检与维护面临更大挑战。目前，基于无人机的输电线路巡检技术受到越来越多的研究关注，多无人机的任务分配与路径规划是两个关键问题。本文首先构建了一个三维的巡检环境模型，并考虑山地环境中多个风场的影响因素进行建模与测量。针对多无人机任务分配问题，定义了一个考虑风场影响的多指标混合代价函数，并提出改进的双向蚁群-离散蜜獾算法（BACOHBA）进行求解。针对多风场条件下的多无人机路径规划问题，提出改进的蜜獾-果蝇算法（HBAFOA）进行优化求解。

2.考虑风场影响的多无人机任务分配

考虑风场影响的多无人机任务分配问题可描述如下：在一张被划分为多个风场区域的地图上分布有$n$个任务点，假设在执行任务期间，各风场区域内的风力保持不变。共有$m$架无人机从同一起点出发，访问地图上的多个任务点，并最终返回起点。在此过程中，每个任务点只能被访问一次，不能重复访问，同时各无人机需满足自身的约束条件，从而为每架无人机获得最优的任务访问序列。

考虑多旅行商问题（MTSP）数学模型：
$$minF=\sum _{i=1}^n\sum _{j=1}^n{C}_{ij}{X}_{ij}$$

$$\begin{array}{c}\text{s.t.}\{\begin{array}{rlrl}& \sum _{i=q_2}^{q_n}{X}_{ij}=1& & j\in {\mathcal{Q}}_N\\ & \sum _{j=q_2}^{q_n}{X}_{ij}=1& & i\in {\mathcal{Q}}_N\\ & \sum _{i=q_2}^{q_n}\sum _{j=q_2}^{q_n}{X}_{ij}=n-m-1& & \end{array}\end{array}$$

对于飞行成本$C_{ij}$，两个任务点之间的成本函数定义为：
$$\begin{array}{c}\{\begin{array}{rl}{F}_{\text{Amin}}(i,j)& ={\omega }_1{c}_1{C}_{\text{Adist}}(i,j)+{\omega }_2{c}_2{C}_{\text{Atime}}(i,j)+{\omega }_3{c}_3{C}_{\text{Achange}}(i,j)\\ {\omega }_1+{\omega }_2+{\omega }_3& =1\end{array}\end{array}$$

3.基于双向蚁群和离散蜜獾算法求解多无人机任务分配问题(BACOHBA)

离散蜜獾算法

在多无人机任务分配问题中，多架无人机对应的不同任务执行序列被组合起来，作为蜜獾的位置，即一个解的表示。假设在一个包含10个任务点、3架无人机的任务场景中，所有无人机均从任务点1出发，并最终返回到任务点1，且所有任务点在整个过程中不得被重复访问。
Route 1 = { 1 , 2 , 10 } Route 2 = { 1 , 3 , 4 , 7 } Route 3 = { 1 , 5 , 6 , 8 , 9 } \begin{equation*} \begin{aligned} \text{Route}_1 &= \{1, 2, 10\} \\ \text{Route}_2 &= \{1, 3, 4, 7\} \\ \text{Route}_3 &= \{1, 5, 6, 8, 9\} \end{aligned} \end{equation*} Route1​Route2​Route3​​={1,2,10}={1,3,4,7}={1,5,6,8,9}​​

去掉共同的起始点1后进行组合得到 X = { 2 , 10 , 3 , 4 , 7 , 5 , 6 , 8 , 9 } X=\{2,10,3,4,7,5,6,8,9\} X={2,10,3,4,7,5,6,8,9}，对应解决方案（蜜獾的位置）。

蜜獾之间的距离被定义为一组序列转换操作，即将一个解中需要经过的中间任务点，通过若干变换操作，从该解中的一个位置转换到另一个解中的对应位置。假设存在两个蜜獾，其位置：
X 1 = { 2 , 3 , 5 , 10 , 4 , 6 , 7 , 8 , 9 } X 2 = { 2 , 3 , 4 , 5 , 7 , 6 , 10 , 9 , 8 } \begin{array} {c}X_1=\{2,3,5,10,4,6,7,8,9\} \\ X_2=\{2,3,4,5,7,6,10,9,8\} \end{array} X1​={2,3,5,10,4,6,7,8,9}X2​={2,3,4,5,7,6,10,9,8}​

两只蜜獾之间的距离为：
$$Dist=\{⟨3,4⟩,⟨5,7⟩,⟨7,6⟩,⟨10,9⟩\}$$
其中，$⟨i,j⟩$是交换算子，表示将处于其他位置的点$j$移动到紧跟在点$i$之后位置。

4.考虑风场的多无人机路径规划

在对多架无人机进行合理的任务分配后，每架无人机将得到自己的任务序列，并根据该任务序列依次检查任务点。在进行无人机路径规划时，将飞行距离、飞行时间、飞行高度差和飞行能耗作为成本指标：
$$F_{Bmin}=\sum _{i=1}^m\sum _{j=1}^{n_i}\sum _{k=1}^{n_{pij}-1}{f}_B$$

5.结果展示

之前做的案例：

PS：应用创新强，适合定制

6.参考文献

[1] Li K, Yan X, Han Y. Multi-mechanism swarm optimization for multi-UAV task assignment and path planning in transmission line inspection under multi-wind field[J]. Applied Soft Computing, 2024, 150: 111033.

7.代码获取

8.读者交流