Optimal UAV Hangar Locations for Emergency Services Considering Restricted Areas

Abstrakt

Mit unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) kann schnell auf dringende Bedürfnisse (wie Such- und Rettungseinsätze oder medizinische Lieferungen) reagiert werden. Gleichzeitig legt der Gesetzgeber so genannte geografische Zonen fest, die den Betrieb von UAVs einschränken, um die Risiken für Dritte in der Luft und am Boden zu verringern. Diese geografischen Zonen dienen bestimmten Sicherheitsinteressen, können aber auch den effizienten Einsatz von UAVs bei zeitkritischen Missionen mit reichweitenbegrenzenden Batteriekapazitäten behindern. In dieser Studie behandeln wir ein Standortproblem für bis zu zwei UAV-Hangars und kombinieren es mit einem Routing-Problem einer Standard-UAV-Mission, um geografische Zonen als Sperrgebiete, Batteriebeschränkungen und den Einfluss von Wind zu berücksichtigen und die Robustheit der Lösung zu erhöhen. Dazu werden exemplarisch Wasserrettungseinsätze herangezogen, für die positive und negative Standortfaktoren für UAV-Hangars und Gebiete mit erhöhtem Ertrinkungsrisiko als Bedarfspunkte aus georeferenzierten Open-Source-Daten abgeleitet werden. Optimale UAV-Einsatztrajektorien werden mit einem A*-Algorithmus unter Berücksichtigung von fünf verschiedenen Restriktionsszenarien berechnet. Da diese Pfadfindung sehr zeitaufwändig ist, beschleunigen binäre Belegungsraster und Bildverarbeitungsalgorithmen die Berechnung, indem sie entweder völlig unzugängliche oder einschränkungsfreie Verbindungen im Voraus identifizieren. Für die optimalen UAV-Hangar-Standorte maximieren wir die Zugänglichkeit und minimieren gleichzeitig die Servicezeiten zu den Hotspots, was zu einer Verringerung der durchschnittlichen Servicezeit von 570,4 s für alle Kandidaten auf 351,1 s für einen und 287,2 s für zwei optimale UAV-Hangar-Standorte führt.