[논문 리뷰] AUV optimal path for leak detection

Olivier Marceau, Jean-Michel Vanpeperstraete|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 01.

Underwater Vehicles and Communication Systems참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 복잡한 해양 환경에서 AUV의 최적의 보우스트로피안 경로를 생성하기 위해 베이지안 검색 이론과 계층적 알고리즘을 활용한 다목적 최적화 프레임워크를 제안한다. 이는 탐지 지연과 경로 소요 시간을 모두 최소화한다. 제안된 방법은 균일한 속도로 주행하는 보우스트로피안 경로보다 우수한 성능를 보이며, 다양한 AUV 자율성 수준에서 파레토 최적 경로를 제공한다.

ABSTRACT

This paper studies an optimal autonomous underwater vehicule (AUV) path planning method for both reducing average delay before pollutants detection in underwater mining, oil or gas fields and reducing AUV occupancy time. The proposed technique, based on the bayesian search theory framework and multi-objective optimization, extracts optimal boustrophedon paths for leak detection in complex environment. We describe a multi-objective nonlinear mixed integer optimization model for both reducing global nondetection probability and path duration. We then propose a hierarchical algorithm combining two functions. The main function is a multi-objective cross entropy which places the tracklines. The second function sets the optimal speeds on each trackline by means of an interior point method. Numerical simulations show that the proposed framework is a very promising approach because the optimal paths cross spill of highly probable leaks before less probable ones. We show that our optimized paths outperform boustrophedon paths of same duration with uniform speed and spacing of trackline. Thanks to Pareto efficiency approach, our tool propose optimal trajectories for numerous AUV autonomies. Hence it can be used for both real time path planning and design purpose.

연구 동기 및 목표

• 해양 광산, 오일 및 가스 분야에서 오염물질을 탐지하기까지 평균 지연 시간을 최소화하기 위해.
• 복잡한 해양 환경에서 누출 탐지 임무 동안 AUV의 경로 소요 시간을 최소화하기 위해.
• 낮은 전역 비탐지 확률과 짧은 경로 소요 시간을 균형 잡는 경로 계획 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다양한 AUV 자율성 수준에 맞는 파레토 최적 경로를 생성함으로써 실시간 경로 계획 및 임무 설계를 지원하기 위해.

제안 방법

• 전역 비탐지 확률과 경로 소요 시간을 동시에 최소화하기 위한 다목적 비선형 혼합정수계획모델을 수립한다.
• 누출 확률 분포를 기반으로 최적의 트랙라인 배치를 결정하기 위해 다목적 크로스엔트로피 알고리즘을 적용한다.
• 에너지 효율성과 시간 효율성을 고려해 각 트랙라인에 대한 최적의 속도를 계산하기 위해 내부점법을 사용한다.
• 경로 생성 과정에서 누출 가능성이 높은 영역을 우선순위로 배치하기 위해 베이지안 검색 이론을 통합한다.
• 트랙라인 배치와 속도 할당을 순차적으로 최적화하는 계층적 알고리즘 구조를 적용한다.
• 다양한 AUV 자율성 제약 조건 하에서 탐지 성능과 임무 소요 시간을 균형 잡는 파레토 효율적 해를 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 해양 환경에서 누출을 탐지하기 위해 AUV 경로 계획을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 AUV 기반 누출 탐지에서 탐지 지연을 최소화하고 경로 소요 시간을 줄이는 데서 발생하는 상호 상충 관계는 무엇인가?
• RQ3 제안된 방법은 균일한 속도와 간격을 갖는 표준 보우스트로피안 패턴에 비해 어떻게 향상되는가?
• RQ4 이 프레임워크는 다양한 지속 가능성 수준을 갖는 AUV에 대해 파레토 최적 경로를 얼마나 잘 생성할 수 있는가?
• RQ5 베이지안 검색 이론은 경로 계획 과정에서 높은 누출 가능성이 있는 영역을 효과적으로 우선순위로 배치하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 낮은 확률의 누출 플룸보다 높은 확률의 누출 플룸을 먼저 가로질러 최적의 경로를 생성함으로써 탐지 효율성을 향상시킨다.
• 최적화된 경로는 동일한 소요 시간과 균일한 속도를 갖는 표준 보우스트로피안 경로보다 탐지 성능 측면에서 뚜렷이 뛰어나다.
• 파레토 효율성의 활용으로 다양한 AUV 자율성 수준에 맞는 최적의 경로를 생성할 수 있다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 탐지 지연과 전체 임무 시간을 모두 감소시키는 데서 이 방법의 효과성을 확인할 수 있었다.
• 계층적 알고리즘이 트랙라인 배치와 속도 최적화를 성공적으로 분리하여 계산의 실현 가능성을 향상시켰다.
• 이 프레임워크는 다양한 AUV 능력에 적응 가능하기 때문에 실시간 경로 계획과 사전 임무 설계 모두에 적합하다.