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大規模災害に対する複数ドローンを用いた情報収集経路問題のモデル構築と解法の開発

Research Project

Project/Area Number 22K04602
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 25010:Social systems engineering-related
Research InstitutionNippon Institute of Technology

Principal Investigator

松浦 隆文  日本工業大学, 先進工学部, 准教授 (70579771)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 木村 貴幸  日本工業大学, 基幹工学部, 准教授 (80579607)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords数理最適化 / 被覆問題 / 巡回型被覆問題 / 巡回セールスマン問題 / 発見的解法 / ドローン / 自然災害 / 配送計画問題 / 組合せ最適化 / 巡回被覆問題
Outline of Research at the Start

近年、大規模自然災害が毎年のように起こっている。自然災害から暮らしを守り、被害を最小限に抑えるために河川堤防の強化、下水道の整備、耐震化などの対策を講じているが、全ての被害を防ぐことは不可能である。従って、災害に巻き込まれた人々を多く救い出すためには,迅速な被災状況の確認,要救助者の早期発見が人命救助の鍵となる。本研究は、複数のドローンによる被害状況の確認、要救助者の探索を短時間で行うことを目的とする組合せ最適化問題を提起し、その問題に対する高速な最適化アルゴリズムの開発を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題である「大規模災害に対する複数ドローンを用いた情報収集経路問題のモデル構築と解法の開発」では、1) 複数ドローンによる巡回被覆問題のモデルの提案、2) 各モデルに対する発見的解法の開発が重要な課題となる。
提案するモデルでは、探索を行う範囲に探索点を与え、拠点から出発したドローンが全ての探索点を被覆する最短巡回経路を求めるものである。このモデルの最大の特徴は、巡回経路からr以内の距離にある探索点が被覆できることである。これまでに、1つの拠点から複数のドローンが離発着し情報収集をする最適化モデル(Multiple Depots Covering Salesman Problem with Nodes and Segments、MDCSPNS)を提案していた。2023年度は、複数の拠点から複数のドローンが離発着するモデルを混合整数計画問題として定式化し、汎用ソルバーGrobi Optimizerによる、最適解の求解を行った。数値実験により、被覆点、ドローン数の増加に伴い、現実的な時間内での最適解の求解が困難なことを確認した。
そこで、MDCSPNSに対し2-opt法、Or-opt法、CROSS-Exchange法を用いた局所探索法を開発した。
提案解法は、探索点数が40程度までであれば、1秒もかからずに最適化が得られることを確認した。災害時、迅速な被災状況の確認、要救助者の早期発見が人命救助の鍵となため、提案解法は非常に有効であることが明らかとなった。
しかし、探索点の増加に伴い提案解法で得られる解の精度が低下することも確認できた。そこで、各ドローンの飛行時間を改善するために、タブー探索法を基盤として発見的解法の開発に着手しいる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度の研究成果として、以下の2点が挙げられる。
(1)複数の拠点と複数のドローンを用いた点と線分による被覆を考慮した巡回問題(Multiple Depots Covering Salesman Problem with Nodes and Segments、MDCSPNS)を提起と汎用ソルバーによる最適解の求解
(2)MDCSPNSに対する局所探索法を開発とタブー探索を用いた各ドローンの飛行時間の改善するアルゴリズムの開発
これらは、本課題で実施する、「複数ドローンによる巡回被覆問題のモデル化と最適解の求解」と「発見的解法の開発」の一部であり、計画通りに研究を遂行して得られた成果である。

Strategy for Future Research Activity

2023年度に提案解法した局所探索法は、小規模な問題(探索点数が40程度)に対しては、1秒以内で最適解を得ることができる。しかし、探索点数が増加する、つまり探索範囲が広がる、探索範囲を詳細に調べる場合、この解法で得られる解の精度が低下することも明らかとなっている。
2024年度は、大規模な問題に対しても短い時間で最適解、良好な近似解をもとめる発見的解法の開発に取り組む。具体的には、MDCSPNSのように巡回経路を求める組合せ最適化問題に対して高い性能を示しているニューラルネットワーク、遺伝的アルゴリズム、焼きなまし法、Destroy&Repair法、Adaptive Large Neighborhood Search法などのメタ戦略をMDCSPNSに適用できるよう改良すること、または組み合わせたアルゴリズムを開発する研究に取り組む。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results)

  • [Journal Article] An effective routing strategy using congestion signaling for various types of communication networks2023

    • Author(s)
      Hiraki Konosuke、Adachi Jun、Matsuura Takafumi、Kimura Takayuki
    • Journal Title

      Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE

      Volume: 14 Issue: 2 Pages: 436-448

    • DOI

      10.1587/nolta.14.436

    • ISSN
      2185-4106
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Heuristic Method by Using Tabu Search for Solving Min-Max multiple Bike Sharing System Routing2024

    • Author(s)
      Takafumi Matsuura
    • Organizer
      2024 RISP International Workshop on Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing (NCSP2024)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Performance investigation of Adaptive Ant Colony Optimization with 2-Opt method2024

    • Author(s)
      Nozomi Kotake, Rikuto Shibutani, Kazuma Nakajima, Takafumi Matsuura, Takayuki Kimura
    • Organizer
      2024 RISP International Workshop on Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing (NCSP2024)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 公職選挙ポスター掲示問題における初期解構築法の性能比較2024

    • Author(s)
      郭 豊愷, 松浦隆文, 木村貴幸, 池口 徹
    • Organizer
      2024年電子情報通信学会総合大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] A Local Search Method for solving Multiple Depots Covering Salesman Problem with Nodes and Segments2023

    • Author(s)
      Takafumi Matsuura
    • Organizer
      2023 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Importance of Time Limit Constraint for Multiple-Vehicle Bike Sharing System Routing Problem2023

    • Author(s)
      Honami Tsushima, Takafumi Matsuura, Tohru Ikeguchi
    • Organizer
      2023 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An Effective Solving Method for the Global Search of Pareto Solutions Based on Cooperative Multi-Objective Differential Evolution2023

    • Author(s)
      Yusuke Matsuzaki, Takafumi Matsuura, Takayuki Kimura
    • Organizer
      2023 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Performance Investigation of Chaotic Search Method for Vehicle Routing Problems with Drones2023

    • Author(s)
      Kazuma Nakajima, Yusuke Matsuzaki, Takafumi Matsuura, Takayuki Kimura
    • Organizer
      2023 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Performance Evaluation of a Routing Strategy by Using Signal Information for Communication Networks2023

    • Author(s)
      Konosuke Hiraki, Takafumi Matsuura, Takayuki Kimura
    • Organizer
      2023 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 交通シミュレータを用いたカオスニューロダイナミクスによる経路制御手法の評価2023

    • Author(s)
      稲葉賢駿, 平木幸之助, 松浦隆文, 木村貴幸
    • Organizer
      2023年電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 多目的最適化問題に対する成功履歴を使用した差分進化法SHADEの性能評価2023

    • Author(s)
      松崎友亮、足立 淳、松浦 隆文、木村貴幸
    • Organizer
      電子情報通信学会 非線形問題研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] minmax型の目的関数を用いた公職選挙ポスター掲示問題の解法2023

    • Author(s)
      郭 豊愷、對馬 帆南、足立 淳、松浦 隆文、木村 貴幸、池口 徹
    • Organizer
      電子情報通信学会 非線形問題研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Performance evaluation of chaotic search with stochastic solution transitions for various types of Electric Vehicle Routing Problems with Time Windows2023

    • Author(s)
      Jun Adachi, Takafumi Matsuura, Takayuki Kimura
    • Organizer
      2023 RISP International Workshop on Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing (NCSP2023)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Local Search Method for Solving Min-Max multiple Bike Sharing System Routing Problem2023

    • Author(s)
      Takafumi Matsuura
    • Organizer
      2023 RISP International Workshop on Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing (NCSP2023)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 公職選挙ポスター掲示問題に対する発見的解法の開発2023

    • Author(s)
      郭 豊愷、對馬 帆南、足立 淳、松浦 隆文、木村 貴幸、池口 徹
    • Organizer
      2023年 電子情報通信学会 総合大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 確率的な解遷移を導入したカオスニューラルネットワークによる時間枠制約付き電気自動車配送計画問題に対する解探索手法2022

    • Author(s)
      足立 淳、松浦 隆文、木村貴幸
    • Organizer
      電子情報通信学会 複雑コミュニケーションサイエンス研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 電気自動車を用いた時間枠制約付き配送計画問題に対する改良大近傍可変探索法の提案2022

    • Author(s)
      足立 淳、平木 幸之助、松浦 隆文、木村 貴幸
    • Organizer
      2022年 電子情報通信学会 NOLTAソサイエティ大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] An Effective Routing Strategy with Congestion Signaling for Communication Networks2022

    • Author(s)
      Konosuke Hiraki, Jun Adachi, Takafumi Matsuura, Takayuki Kimura
    • Organizer
      2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Performance Evaluation of Tabu Search Method and Adaptive Large Neighborhood Search Method in the Electric Vehicle Routing Problems with Time Windows2022

    • Author(s)
      Jun Adachi, Konosuke Hiraki, Takafumi Matsuura, Takayuki Kimura
    • Organizer
      2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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