Enrutamiento y Programación Avanzados de Drones para Cadenas de Suministro de Emergencias Médicas en Essex
Autores: Sadeghi Esfahlani, Shabnam; Simanjuntak, Sarinova; Sanaei, Alireza; Fraess-Ehrfeld, Alex
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Enrutamiento y Programación Avanzados de Drones para Cadenas de Suministro de Emergencias Médicas en Essex
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Desfibriladores
Productos sanguíneos
Medicamentos críticos para el tiempo
Logística de UAV
Programador MILP
Planificadores híbridos
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
El acceso rápido a desfibriladores, productos sanguíneos y medicamentos críticos para el tiempo puede mejorar la supervivencia, sin embargo, la congestión urbana y la infraestructura fragmentada retrasan las entregas. Presentamos y evaluamos un marco de trabajo de extremo a extremo para la logística de UAV más allá de la línea de visión (BVLOS) en Essex (Reino Unido), integrando (I) la ubicación estratégica de depósitos, (II) un planificador de rutas híbrido consciente de obstáculos, y (III) un programador de programación lineal entera mixta (MILP) consciente de ventanas de tiempo (TWA) acoplado a un modelo de viabilidad de batería/temperatura. Cuatro planificadores globales: Optimización por Colonias de Hormigas (ACO), Algoritmo Genético (GA), Optimización por Enjambre de Partículas (PSO) y Árbol Aleatorio de Exploración Rápida* (RRT*) se emparejan con refinadores locales ligeros, Recocido Simulado (SA) y Búsqueda Adaptativa en Grandes Vecindarios (ALNS). Los puntos de referencia sobre 12 destinos utilizaron zonas de no vuelo reales de la Autoridad de Aviación Civil y restricciones de energía. Los híbridos basados en RRT* entregaron los caminos medios más cortos: RRT* + SA y RRT* + ALNS empataron en la mejor longitud promedio, mientras que RRT* + SA también logró el tiempo de ejecución más bajo en v=60kmh-1. El TWA-MILP alcanzó una optimalidad probada en 0.11 s, mostrando que se requieren un mínimo de siete UAV para satisfacer todas las ventanas de entrega de 20-30 minutos en una sola ola; una demanda continua de una solicitud cada 15 minutos puede mantenerse con tres UAV si cada salida (incluyendo servicio/carga) se completa dentro de 45 minutos. Para validar contra una línea base de investigación operativa de última generación, también implementamos un Problema de Ruteo de Vehículos con Ventanas de Tiempo (VRPTW) en Google OR-Tools, confirmando que nuestros planificadores híbridos generan rutas competitivas o más cortas conscientes de NFZ en corredores complejos. La validación de gemelos digitales en AirborneSIM confirmó trayectorias volables, conformes a CAP 722, bajo viento y ruido de sensores. Al hibridar un muestreador rápido y probabilísticamente completo (RRT*) con un refinador de sub-segundo (SA/ALNS) e incorporar programación consciente de energía, el marco ofrece un plan de acción para redes de UAV médicos de emergencia.
Descripción
El acceso rápido a desfibriladores, productos sanguíneos y medicamentos críticos para el tiempo puede mejorar la supervivencia, sin embargo, la congestión urbana y la infraestructura fragmentada retrasan las entregas. Presentamos y evaluamos un marco de trabajo de extremo a extremo para la logística de UAV más allá de la línea de visión (BVLOS) en Essex (Reino Unido), integrando (I) la ubicación estratégica de depósitos, (II) un planificador de rutas híbrido consciente de obstáculos, y (III) un programador de programación lineal entera mixta (MILP) consciente de ventanas de tiempo (TWA) acoplado a un modelo de viabilidad de batería/temperatura. Cuatro planificadores globales: Optimización por Colonias de Hormigas (ACO), Algoritmo Genético (GA), Optimización por Enjambre de Partículas (PSO) y Árbol Aleatorio de Exploración Rápida* (RRT*) se emparejan con refinadores locales ligeros, Recocido Simulado (SA) y Búsqueda Adaptativa en Grandes Vecindarios (ALNS). Los puntos de referencia sobre 12 destinos utilizaron zonas de no vuelo reales de la Autoridad de Aviación Civil y restricciones de energía. Los híbridos basados en RRT* entregaron los caminos medios más cortos: RRT* + SA y RRT* + ALNS empataron en la mejor longitud promedio, mientras que RRT* + SA también logró el tiempo de ejecución más bajo en v=60kmh-1. El TWA-MILP alcanzó una optimalidad probada en 0.11 s, mostrando que se requieren un mínimo de siete UAV para satisfacer todas las ventanas de entrega de 20-30 minutos en una sola ola; una demanda continua de una solicitud cada 15 minutos puede mantenerse con tres UAV si cada salida (incluyendo servicio/carga) se completa dentro de 45 minutos. Para validar contra una línea base de investigación operativa de última generación, también implementamos un Problema de Ruteo de Vehículos con Ventanas de Tiempo (VRPTW) en Google OR-Tools, confirmando que nuestros planificadores híbridos generan rutas competitivas o más cortas conscientes de NFZ en corredores complejos. La validación de gemelos digitales en AirborneSIM confirmó trayectorias volables, conformes a CAP 722, bajo viento y ruido de sensores. Al hibridar un muestreador rápido y probabilísticamente completo (RRT*) con un refinador de sub-segundo (SA/ALNS) e incorporar programación consciente de energía, el marco ofrece un plan de acción para redes de UAV médicos de emergencia.