[论文解读] Position Paper: From Multi-Agent Pathfinding to Pipe Routing

Gleb Belov, Liron Cohen+4 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2019

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文证明，通过将时间展开的 x-y-t 空间中的 MAPF 解映射到 x-y-z 空间中的空间 PR 解，近期的多智能体路径规划（MAPF）算法可被有效适配以解决三维管道布线（PR）问题。主要贡献在于展示了最优及有界次优的 MAPF 算法在大规模 PR 实例上实现了高质量且高效的解，为 MAPF 研究开辟了新的工业应用前景。

ABSTRACT

The 2D Multi-Agent Path Finding (MAPF) problem aims at finding collision-free paths for a number of agents, from a set of start locations to a set of goal positions in a known 2D environment. MAPF has been studied in theoretical computer science, robotics, and artificial intelligence over several decades, due to its importance for robot navigation. It is currently experiencing significant scientific progress due to its relevance in automated warehousing (such as those operated by Amazon) and in other contemporary application areas. In this paper, we demonstrate that many recently developed MAPF algorithms apply more broadly than currently believed in the MAPF research community. In particular, we describe the 3D Pipe Routing (PR) problem, which aims at placing collision-free pipes from given start locations to given goal locations in a known 3D environment. The MAPF and PR problems are similar: a solution to a MAPF instance is a set of blocked cells in x-y-t space, while a solution to the corresponding PR instance is a set of blocked cells in x-y-z space. We show how to use this similarity to apply several recently developed MAPF algorithms to the PR problem, and discuss their performance on abstract PR instances. We also discuss further research necessary to tackle real-world pipe-routing instances of interest to industry today. This opens up a new direction of industrial relevance for the MAPF research community.

研究动机与目标

• 通过识别结构相似性，弥合多智能体路径规划（MAPF）与工业级三维管道布线（PR）之间的差距。
• 证明最先进的 MAPF 算法可经最小调整应用于 PR 问题。
• 评估 MAPF 算法在抽象 PR 实例上的性能，涵盖解的质量、效率与可扩展性。
• 识别为解决工业环境中真实世界管道布线问题所需的研究空白。

提出的方法

• 通过将时间视为第三维空间，将三维管道布线问题映射为二维 MAPF 问题，将 x-y-t 空间解转换为 x-y-z 空间解。
• 使用离散化的六邻接三维网格图，其中每个单元格为开放或阻塞，管道作为连接起点与终点顶点的路径进行布线。
• 应用三种 MAPF 算法——基于冲突的搜索（CBS）、ECBS(1.01) 和 ECBS(1.05)——求解具有有界次优性保证的抽象 PR 问题。
• 在初始规划中采用聚焦搜索（focal search），并采用基于 FOCAL 的节点选择策略，以提升 PR 环境下的搜索效率。
• 将每条管道视为具有固定起点与终点位置的智能体，确保解中任意两个管道不占据同一单元格（顶点）。
• 采用基于总路径长度的代价函数，最小化各条管道路径长度之和。

实验结果

研究问题

• RQ1 现有最优及有界次优的 MAPF 算法能否被有效重用于解决三维管道布线（PR）问题？
• RQ2 在抽象 PR 实例上，MAPF 算法在解的质量、成功率及计算效率方面的表现如何？
• RQ3 在具有复杂约束的真实管道布线场景中，适配 MAPF 算法面临哪些关键挑战？
• RQ4 MAPF 与 PR 之间的结构相似性如何促进算法优势在跨领域间的迁移？
• RQ5 为使基于 MAPF 的方法在工业规模管道布线应用中可行，还需开展哪些进一步研究？

主要发现

• MAPF 算法，特别是 CBS 及其 ECBS 变体，能够成功求解大规模抽象 PR 实例，获得最优或近似最优解。
• ECBS(1.01) 与 ECBS(1.05) 算法实现了有界次优性，具备强代价保证，确保了解的高质量。
• MAPF 算法在不同环境下的 PR 实例上表现稳健，对包含数百条管道的问题也展现出高成功率。
• 从 x-y-t 空间到 x-y-z 空间的时序展开映射，使得先进 MAPF 搜索技术可直接复用于空间布线问题。
• 结果表明，MAPF 研究现在可将工业管道布线作为新的高影响力应用领域。
• 现有工业级管道布线方法要么次优（如优先级规划），要么在大规模下不可行，使基于 MAPF 的方法成为极具前景的替代方案。