一种物流无人机航路网络规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种物流无人机航路网络规划方法及系统，方法包括：采集规划区域的飞行环境数据，采用栅格法对规划区域进行离散化建模，根据栅格内是否存在障碍物，筛选出供物流无人机通行的自由栅格；针对每个自由格栅，从物流无人机个体行为与运行环境两个层面提取物流无人机航路网络运行影响要素的特征参数；根据自由栅格与其特征参数，综合考虑航路网络管理者与决策者双重影响构建物流无人机航路网络双层规划模型并求解，获得物流无人机航路网络。本发明专利技术综合考虑物流无人机飞行性能、运行环境及配送需求生成物流无人机航路网络，推动航路网络规划向精细化、协同化、动态化方向发展，提升了无人机在智慧物流领域的服务能力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种物流无人机航路网络规划方法及系统


[0001]本专利技术属于无人机航路网络规划
，具体涉及一种物流无人机航路网络规划方法及系统。

技术介绍

[0002]随着电子商务的急速发展，物流配送需求不断加剧，催生了新型物流配送方式的兴起。物流无人机由此应运而生，如何在兼顾无人机运行安全和高效的前提下，保障大规模无人机平稳、有序飞行，成为关键问题。物流无人机航路网络作为无人机执行任务的空中媒介，是一种面向低空物流运输场景的空域结构。根据航路网络规划程度差异，可将其分为局部航路网络规划和全局航路网络规划。局部航路网络规划是对已有航路网络的航段和节点进行局部优化调整。全局航路网络规划是对某区域的航路网络进行全新的布局规划。目前，无人机航路网络尚未有统一的规划标准和流程，故其属于全局航路网络规划。国内外关于物流无人机航路网络规划研究主要针对规划环境空间特征进行网络结构设计，常采用两种方式进行：一种通过构建单层规划模型优化设计航路节点和航段布局求解得到网络拓扑；另一种通过定性分析环境特征，依托建筑物、地面路网等要素布局特征提出低空航路网络结构。以上方式多考虑无人机受到的环境威胁，并未充分考虑无人机性能限制、配送需求分配等因素，且规划的航路网络多为静态网络，无法适应未来可持续性发展需求。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术中的不足，本专利技术提供一种物流无人机航路网络规划方法及系统，综合考虑物流无人机飞行性能、运行环境及配送需求生成物流无人机航路网络，推动航路网络规划向精细化、协同化、动态化方向发展，提升了无人机在智慧物流领域的服务能力。
[0004]为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0005]第一方面，提供一种物流无人机航路网络规划方法，包括：采集规划区域的飞行环境数据，采用栅格法对规划区域进行离散化建模，根据栅格内是否存在障碍物，筛选出供物流无人机通行的自由栅格；针对每个自由格栅，从物流无人机个体行为与运行环境两个层面提取物流无人机航路网络运行影响要素的特征参数；根据自由栅格与其特征参数，综合考虑航路网络管理者与决策者双重影响构建物流无人机航路网络双层规划模型；求解物流无人机航路网络双层规划模型，获得物流无人机航路网络。
[0006]进一步地，所述飞行环境数据包括规划区域的边界数据、障碍物的轮廓数据、障碍物的高度数据和规划区域内的气象数据。
[0007]进一步地，所述航路网络是由节点和航段组成的图，表示为G＝(N,S)，其中，N＝{O,D}由网络中所有物流配送节点集合O和用户需求节点集合D组成，S代表网络中所有的航段。
[0008]进一步地，所述物流无人机航路网络运行影响要素的特征参数，包括安全因子t
sr
：
[0009]t
sr
＝P
fal
·
N
eff
·
P
ded (1)
[0010]其中，P
fal
为物流无人机坠落概率，N
eff
为地面人口数量，P
ded
为物流无人机坠落所造成的地面人员伤亡概率。
[0011]进一步地，所述物流无人机航路网络运行影响要素的特征参数，包括噪声因子t
sn
：
[0012][0013]其中，L0为参考高度为地面的物流无人机噪声值，a为物流无人机飞行高度，δ
max
为栅格所能接受的噪声上限值。
[0014]进一步地，所述物流无人机航路网络运行影响要素的特征参数，包括航段畅通状态下的动态阻抗T
d
为：
[0015][0016]其中，t0为航段零流阻抗，x
ij
为OD对(i,j)间的航段流量，c
ij
为OD对(i,j)间的航段容量，
[0017][0018]其中，c
nod
为航段口通行容量，c
seg
为航段物理容量，v为物流无人机设计速度，u
min
是最小管制间隔，Δu是考虑导航精度、物流无人机机身长度对航段容量影响的间隔裕度，l
ij
为OD对(i,j)间航段的长度。
[0019]进一步地，所述物流无人机航路网络双层规划模型包括从航路网络管理者角度出发进行系统最优网络设计的上层模型和从航路网络决策者角度出发进行用户均衡流量分配的下层模型，
[0020]所述上层模型的目标函数包括：
[0021](1)最小化航路网络流量熵T
G
：
[0022][0023]其中，r
ij
为航段s
ij
在网络中分配的流量与整个网络流量的比值，即：
[0024][0025]其中，p
ij
为0
‑
1变量，若OD对(i,j)间存在航段，则p
ij
＝1，反之为0；
[0026](2)最小化航路网络运行成本C
G
：
[0027][0028]其中，c
u
为单位无人机流在单位里程的运行成本；
[0029](3)最大化航路网络利用率U
G
：
[0030][0031]约束条件为：航段与障碍物无交叉；航路网络图是强连通的，即任意两节点间都存在航路；物流配送网点到用户需求点的最短航路距离不得大于无人机航程；
[0032]所述下层模型的目标函数为最小化航段阻抗函数积分的累加和Z，表示为：
[0033][0034]其中，m为航段包含的栅格数量，w为航段流量积分变量；
[0035]约束条件为：任意OD对间的流量等于该OD对之间所有路径流量之和；任意航段流量等于所有经过该航段的路径流量之和；航段流量为正值且小于航段容量。
[0036]进一步地，求解物流无人机航路网络双层规划模型，获得物流无人机航路网络，包括：上层模型与下层模型均嵌入NSGA
‑
III算法框架中，上层模型采用NSGA
‑
III算法进行多目标规划求解，下层规划模型采用Frank
‑
Wolf算法进行流量分配；上层模型与下层模型之间互相反馈，不断迭代，优化生成物流无人机航路网络。
[0037]第二方面，提供一种物流无人机航路网络规划系统，包括：离散化模块，用于采集规划区域的飞行环境数据，采用栅格法对规划区域进行离散化建模，根据栅格内是否存在障碍物，筛选出供物流无人机通行的自由栅格；特征参数获取模块，用于针对每个自由格栅，从物流无人机个体行为与运行环境两个层面提取物流无人机航路网络运行影响要素的特征参数；模型建立模块，用于根据自由栅格与其特征参数，综合考虑航路网络管理者与决策者双重影响构建物流无人机航路网络双层规划模型；求解模块，用于求解物流无人机航路网络双层规划模型，获得物流无人机航路网络。
[0038]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：本专利技术从无人机个体行为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种物流无人机航路网络规划方法，其特征在于，包括：采集规划区域的飞行环境数据，采用栅格法对规划区域进行离散化建模，根据栅格内是否存在障碍物，筛选出供物流无人机通行的自由栅格；针对每个自由格栅，从物流无人机个体行为与运行环境两个层面提取物流无人机航路网络运行影响要素的特征参数；根据自由栅格与其特征参数，综合考虑航路网络管理者与决策者双重影响构建物流无人机航路网络双层规划模型；求解物流无人机航路网络双层规划模型，获得物流无人机航路网络。2.根据权利要求1所述的物流无人机航路网络规划方法，其特征在于，所述飞行环境数据包括规划区域的边界数据、障碍物的轮廓数据、障碍物的高度数据和规划区域内的气象数据。3.根据权利要求1所述的物流无人机航路网络规划方法，其特征在于，所述航路网络是由节点和航段组成的图，表示为G＝(N,S)，其中，N＝{O,D}由网络中所有物流配送节点集合O和用户需求节点集合D组成，S代表网络中所有的航段。4.根据权利要求3所述的物流无人机航路网络规划方法，其特征在于，所述物流无人机航路网络运行影响要素的特征参数，包括安全因子t
sr
：其中，P
fal
为物流无人机坠落概率，N
eff
为地面人口数量，P
ded
为物流无人机坠落所造成的地面人员伤亡概率。5.根据权利要求4所述的物流无人机航路网络规划方法，其特征在于，所述物流无人机航路网络运行影响要素的特征参数，包括噪声因子t
sn
：其中，L0为参考高度为地面的物流无人机噪声值，a为物流无人机飞行高度，δ
max
为栅格所能接受的噪声上限值。6.根据权利要求5所述的物流无人机航路网络规划方法，其特征在于，所述物流无人机航路网络运行影响要素的特征参数，包括航段畅通状态下的动态阻抗T
d
为：其中，t0为航段零流阻抗，x
ij
为OD对(i,j)间的航段流量，c
ij
为OD对(i,j)间的航段容量，其中，c
nod
为航段口通行容量，c
seg
为航段物理容量，v为物流无人机设计速度，u
min
是最小管制间隔，Δu是考虑导航精度、物流无人机机身长度对航段容量影响的间隔裕度，l
ij
为
OD对(i,j)间航段的长度。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪海，李姗，夷珈，黄雨婷，刘皞，钟罡，
申请(专利权)人：南京天城交通研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：