物流无人机操作与运维（高级） 课件 单元7 调度与信息

单元7调度与信息整理单元7调度与信息整理单元7调度与信息整理【知识目标】1.理解航迹规划的数学原理，然后基于对航迹规划系统工程的分析，提出物流无人机航迹规划任务。2.掌握飞行计划预先调配问题建模、算法设计、算例仿真与分析。3.学会解决各种调度问题和路径规划问题，掌握无人机物流调度问题中的联系和区别。【技能目标】1.能依据飞行日志数据，实时对无人机运行状态进行分析。2.能依据实际运行环境与系统性能，对飞行任务方案进行必要调整。【素养目标】1.培养认真仔细的工作作风。2.培养安全作业的职业意识。3.具备无人机运营调度中心管理和操作等岗位的能力。单元7调度与信息整理4.提高分析问题、解决问题的能力，具备一定的标准化职业体系认知。5.具备飞行计划预先调配问题建模、算法设计、算例仿真与分析的职业能力。任务1物流配送的无人机智能调度任务描述任务1物流配送的无人机智能调度任务分析相关知识1.配取一体调度模式2.配取分离调度模式3.配送优先、回程带货调度模式1）以配送任务为主进行无人机调度方案设计。2）回程带货任务分配。3）最后，根据任务列表对比，将未完成的取件任务单独取出，检查其在效益最优的情况下能否由配送任务无人机执行，若不能，根据剩余的取件任务，另外进行无人机调度方案设计，即派遣专门的无人机执行取件任务。任务1物流配送的无人机智能调度任务准备1）配送中心和周边客户配送点之间的航线进行预先轨迹规划，设定为固定航线。2）各无人机在航线中正常飞行时近似视为匀速运动。3）无人机对客户进行配送后因续航问题需返回配送中心，因此单个（或合并后的单个）订单任务只包含对一个客户配送点的服务。4）无人机在配送中心和各客户配送点进行起飞或者降落，以及在对应航线上飞行过程中，无人机会占用对应的航线，需在无人机附近预留出一定的空闲空域来预防碰撞。5）配送订单任务的获取、配送中心和客户集中地的空闲时间窗数据获取、调度算法的运行、无人机任务的指派、调度结果的执行的延迟可以忽略不计。6）对于商品快递而言，配送前商品的准备时间较短暂，可不考虑；对于外卖配送而言，各个商家制作货物和送至配送中心的时间计入航线飞行时间，其对客户满意度的影响与航线飞行时间进行统一考虑。任务1物流配送的无人机智能调度7）使用的无人机为相同型号，多个无人机间最小距离限制均相同。任务实施1.获取必要的信息1）需要获取配送中心、客户集中地的状态时间窗，以便对无人机进行合理的安排调度，避免出现航线冲突的情况。2）需要获取所有无人机的编号、状态时间窗、位置时间窗、飞行速度信息，便于指派无人机完成对应的订单任务。3）需要制定好配送中心到各个客户集中地的航线以及对应的飞行时间（可以依据无人机飞行速度计算得到）。4）需要获取无人机起飞与降落所耗费的时间，后续可得到起飞与降落过程所占用的时间，以在调度过程中提前预留出合适的时间来避免冲突。任务1物流配送的无人机智能调度5）对于本模型所需要处理的订单，在输入的数据方面有一些固定的要求，需要一些必要的条件才能够进行调度处理。2.选择配送优先、回程带货调度模式1）无人机接到调度指令，从集散中心出发，到达指定配送网点。2）无人机完成配送任务，并根据调度指令检查该网点任务。3）无人机重复步骤2）的流程，直到完成所有配送任务。4）无人机根据调度指令检查下一网点任务，若有取件任务，则到达并完成取件任务；若无，则无人机返回集散中心，结束此次调度。3.无人机调度模式实施的难点1）为便于申请空域和航线，减少无人机在配送过程中实时规划航线所付出的计算代价，在配送过程中，配送中心通向各客户的线路可设定为固定航线，以此来避免为了实时避障在无人机上安装任务1物流配送的无人机智能调度摄像头、毫米波雷达等设备造成的昂贵成本。2）考虑到无人机的安全问题，在现有的无人机机场及各个配送网点，同一时间下仅允许一架无人机同时起飞或降落，同时考虑到空域的安全性，应避免无人机在空中进行悬停，因而在建立无人机调度模型时需考虑避免无人机碰撞问题，增加硬时间窗约束。任务1物流配送的无人机智能调度3）对于物流配送的应用场景而言，用户发出的请求是在一段时间内不断更新的，因此在调度中心进行任务调度时，应不断地调取更新输入的订单任务序列。4）用户对物流服务的评价主要建立在是否能够在预期时间内送达，因此在进行无人机任务调度分配时，将配送时间与期望时间的差值总和作为总的优化目标，同时增加超时的惩罚成本。5）无人机调度问题本身属于NP-hard问题，而本任务研究的无人机与订单的调度分配问题还增加了避免无人机碰撞这一硬约束条件，所以在执行任务时间的确定上，可能性成倍增长，求解难度较高。4.订单处理方式5.时间窗冲突问题1）无人机机场（见图7-3）可以存储多个无人机。2）无人机机场存储多块电池。任务1物流配送的无人机智能调度3）无人机机场同时只允许一架无人机进行起飞或降落任务，且同时允许一架无人机进行装卸货任务。4）无人机可在机场以自动化形式完成电池的更换，且更换电池时间可视为统一时间。5）考虑到能源消耗以及空域安全、成本问题，要避免无人机在无人机机场空中悬停等待的情况，进而避免其他无人机经过时，多个无人机发生冲突碰撞。任务1物流配送的无人机智能调度任务1物流配送的无人机智能调度6.调度问题模型的目标函数7.简易解决方案及示例性结果展示（1）简易解决方案1）建模：①将无人机调度问题抽象为图论中的路径规划或任务分配问题。②定义目标函数（如最小化总飞行时间或最大化交付效率）。2）算法选择：①使用启发式算法（如遗传算法、蚁群算法等）或者近似算法来处理大规模问题。②对于较小的问题实例，可以使用精确算法（如分支定界法、整数线性规划等）。3）求解：①应用所选算法进行求解，找到可行解集中的最优解。任务1物流配送的无人机智能调度②在迭代过程中记录每次改进的最佳路径。4）验证与调整：①对得到的解进行验证，确保满足所有约束条件。②根据实际情况调整参数，以获得更好的性能。（2）示例性的结果展示表7-1是一个简化的无人机调度问题示例解决方案的表格形式展示。任务1物流配送的无人机智能调度（3）结果分析1）最优解是指在特定情况下，所有无人机的飞行距离和时间加起来达到最小。2）表7-1中的数据仅为示例，并不代表实际数值。3）在实际应用中，还需要考虑无人机电量限制、天气条件等因素。问题管理检查评议任务1物流配送的无人机智能调度任务小结课后训练1.在物流配送过程中，无人机智能调度方法如何有效地提高配送效率和准确性？2.无人机智能调度在应对复杂多变的物流配送环境时，应具备哪些关键技术和策略来确保配送的顺利进行？任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配任务描述1）物流配送点和各个收货点的位置已知。2）每架无人机需要从配送点的不同起降点出发，沿既定航线飞往收货点，完成其配送任务后返回配送点。3）每个起降点有多架无人机等待起飞，每架无人机单次只服务一对起降点。4）无人机满电状态出发，飞行速度预先设定，出发后不再接受新的任务安排。任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配任务分析1.任务背景1）在城市片区内，物流配送点使用可垂直起降的充电旋翼无人机进行小批量货物运输。2）无人机需从配送点出发，沿既定航线飞往收货点，完成任务后返回配送点。3）为确保飞行安全，无人机任务需提前向管制部门提交飞行申请，并由管制部门进行飞行计划审批与飞行时刻调配。2.关键要素1）位置信息：物流配送点及各个收货点的位置已知。2）起降点：每个起降点有多架无人机等待起飞，每架无人机单次仅服务一对起降点。3）无人机特性：无人机满电状态出发，飞行速度预先设定，出发后不再接受新任务。任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配3.目标1）安全性：确保无人机在城市空域内的飞行安全，避免空中冲突。2）效率性：合理调配飞行时刻，提高无人机的配送效率。3）合规性：满足管制部门的飞行计划审批要求。4.方法与流程1）任务规划：依据已知的位置信息，规划无人机的飞行路线。2）资源管理：合理安排起降点上的无人机起飞顺序，避免拥堵。3）飞行审批：向管制部门提交详细的飞行计划，包括起飞时间、飞行路线、预计到达时间等。4）实时监控：在无人机飞行过程中，实时监控其位置与状态，确保按计划执行。任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配相关知识1.无人机飞行计划预先调配模型（1）决策变量无人机飞行计划预先调配的实质是对每条飞行任务依据综合优先级排序后，依次分配一组无冲突的飞行时刻，无人机按照分配的时刻执行。（2）综合优先级飞行计划调配优先级主要包括货物类型优先级、物流公司优先级和配送时间优先级。（3）目标函数在实际货物配送过程中，基于无人机物流运输的经济性，追求较低的运输成本是飞行计划预先调配的重要目标之一。2.建立VRPSPDTW问题模型1）在交通运输网点上分布的每个顾客都有收货和寄货的需求，并且收货和寄货需求必须被同一个无人机在一次性送取货操作的服务下满足。任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配2）服务于这些顾客集的一组无人机集合都有最大容量限制。3）当一个配送无人机离开仓库站点时，在仓库站点处将该无人机的所有顾客的需求货物装载到载荷箱内，此时载荷箱内的货物总量等于该配送无人机配送路线上的每个顾客的收货需求量的总和。4）此外，每个无人机在顾客处都具有明确固定的服务持续耗费的时间，这些服务的耗费时间主要是由从无人机上卸载客户所需要的货物和装载客户要寄出的货物的操作时间所决定的。5）VRPSPDTW问题的优化目标可以是单个目标或者多个目标，例如配送运输所用到的无人机数目、所有无人机总的行驶路径长度、顾客的满意度、每条路径之间的平衡、与时间窗有关的顾客满意度等，或者是前面各个目标的组合或者加权。任务准备1.数据准备1）位置信息：确认所有物流配送点和收货点的确切地理坐标。任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配2）无人机信息：统计每架无人机的基本参数，如满电状态下的最大飞行距离、飞行速度等。3）起降点数据：记录每个起降点的位置以及可以同时起降的无人机数量。2.规划准备1）路线规划：基于位置信息，设计无人机从配送点到收货点的最短或最优飞行路线。2）任务分配：确定每架无人机的服务起降点及其飞行任务。3）时间表制定：根据无人机的飞行速度和飞行距离，计算每架无人机的飞行时间，并据此制定飞行时间表。3.技术准备1）通信设备检查：确保所有无人机的通信设备正常工作，能够与地面站保持联系。2）电池状态确认：检查所有无人机的电池状态，确保每架无人机都能满电状态出发。3）软件更新：如果有必要，更新无人机的导航软件和控制系统到最新版本。任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配4.法规准备1）飞行计划提交：根据任务规划的结果，编制详细飞行计划并向相关管制部门提交申请。2）审批文件准备：准备好所有必要的文件和支持材料，以便快速获取飞行许可。3）应急措施制定：制定应急响应计划，包括无人机故障、恶劣天气等情况下的应对措施。任务实施1.选取配送中心和客户集中地任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配2.订单处理任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配（1）预期完成时间1）根据每条航线的距离和预设的无人机飞行速度计算出预期飞行时间。2）考虑到机场的繁忙程度，为每架无人机分配一个合理的起飞时间窗口。3）计算从起飞到返回整个周期的时间，以此作为订单的预期完成时间。4）将计算得出的预期完成时间及时反馈给客户，便于客户做出相应安排。（2）生成返回任务1）对于每个出发任务，生成对应的返回任务，其出发地和目的地与出发订单相反。2）返回任务的开始时间应该基于无人机完成交付后的预计返程时间和返回起飞时间窗口。任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配3.结果记录与分析（1）调度计划（见表7-5）1）列出每架无人机的起飞时间、飞行路线、预计送达时间、返回起飞时间和预计返回时间。2）确保没有两架无人机在同一时间使用同一个起降点。任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配（2）客户满意度（见表7-6）1）确认所有客户都收到了准确的预计送达时间。2）收集客户反馈，以评估实际送达时间与预计送达时间的一致性。任务2城市低空物流无人机飞行计划预先调配（3）运营效率评估1）统计所有无人机完成任