Optimal maintenance of sensor nodes in a Wireless Rechargeable Sensor Network (WRSN) requires effective scheduling of power delivery vehicles by solving the Charging Scheduling Problem (CSP). Deploying Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) as mobile chargers has emerged as a promising solution due to their mobility and flexibility. The CSP can be formulated as a Mixed-Integer Non-Linear Programming problem whose optimization objective is maximizing the recharged energy of sensor nodes within the UAV battery constraint. While many studies have demonstrated satisfactory performance of heuristic algorithms in addressing specific routing problems, few studies explore online updating (i.e., mission re-planning `on the fly') in the CSP context. Here we present a new offline and online mission planner leveraging a first-principles power consumption model that uses real-time state information and environmental information. The planner, namely Rapid Online Metaheuristic-based Planner (ROMP), supplements solutions from a Guided Local Search (GLS) with our Context-aware Black Hole Algorithm. Our results demonstrate that ROMP outperforms GLS in most cases tested. We developed and proposed FastROMP to speed up the online mission (re-)planning algorithm by introducing a new online adjustment operator that uses the latest state information as input, eliminating the need for re-initialization. FastROMP not only provides a better quality route, but it also significantly reduces computational time. The reduction ranges from 39.57% in sparse deployment to 93.3% in denser deployments.


翻译:无线可充电传感器网络的优化节点维护要求通过解决充电调度问题(CSP)来实现有效的能量交付车辆的调度。部署无人机作为移动充电器已成为一种有前途的解决方案,由于其机动性和灵活性。CSP可以被表述为一个混合整数非线性规划问题,其优化目标是最大化UAV电池约束下传感器节点的充电能量。虽然许多研究已经展示了启发式算法在解决特定路径问题方面的令人满意性能,但是极少数研究在CSP上探讨了在线更新(即在CSP上的任务重新规划)。在这里,我们提出了一个新的离线和在线任务规划器,利用了第一原理的能耗模型,该模型利用了实时状态信息和环境信息。该规划器被称为Rapid Online Metaheuristic-based Planner(ROMP),并将Guided Local Search(GLS)的解决方案与我们的Context-aware Black Hole Algorithm结合使用。我们的结果表明,ROMP在大多数测试中都优于GLS。我们提出了FastROMP来加速在线任务(重新)规划算法,引入了一种新的在线调整算子,该算子使用最新状态信息作为输入,消除了重新初始化的需要。FastROMP不仅提供更好的质量路径,而且还显著减少计算时间。减少范围从稀疏部署的39.57%到更密集部署的93.3%。

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