物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)收集中無(wú)人機(jī)路徑智能規(guī)劃

付澍，楊祥月，張海君，陳晨，喻鵬，簡(jiǎn)鑫，劉敏

（1.重慶大學(xué)微電子與通信工程學(xué)院，重慶 400030；2.重慶大學(xué)信息物理社會(huì)可信服務(wù)計(jì)算教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；3.北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083；4.北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

1 引言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，極大地推動(dòng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN,wireless sensor network）技術(shù)的應(yīng)用，其承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量呈幾何式增長(zhǎng)。WSN 中存在大量的數(shù)據(jù)需要被收集，根據(jù)收集方式的不同，可將其分為2 種類(lèi)型，靜態(tài)數(shù)據(jù)收集和移動(dòng)數(shù)據(jù)收集。靜態(tài)數(shù)據(jù)收集是指?jìng)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組網(wǎng)，將自身采集的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多跳上傳到數(shù)據(jù)中心[1]；移動(dòng)數(shù)據(jù)收集是指在被監(jiān)測(cè)環(huán)境中設(shè)置一個(gè)可移動(dòng)的數(shù)據(jù)收集器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。針對(duì)部署在地表交通困難的大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無(wú)人機(jī)提供了一種有效的方式來(lái)對(duì)傳感器設(shè)備移動(dòng)式地進(jìn)行數(shù)據(jù)輔助收集[2]。

無(wú)人機(jī)是我國(guó)人工智能產(chǎn)業(yè)體系的重點(diǎn)培育產(chǎn)品。與靜態(tài)數(shù)據(jù)收集方法相比，基于無(wú)人機(jī)的移動(dòng)數(shù)據(jù)收集可以顯著降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎?，減少多跳間數(shù)據(jù)路由中存在的隱藏終端及其發(fā)送沖突問(wèn)題帶來(lái)的射頻干擾，并有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)收集克服了地面數(shù)據(jù)采集的局限性，但仍然有一些關(guān)鍵的問(wèn)題需要解決。具體而言，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)收集包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署、節(jié)點(diǎn)定位、錨點(diǎn)搜索、無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集5 個(gè)部分[3]。無(wú)人機(jī)最致命的缺點(diǎn)是續(xù)航時(shí)間短[4-6]，因此其能耗問(wèn)題是系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。近幾年，關(guān)于無(wú)人機(jī)在數(shù)據(jù)收集的能耗研究中，無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃是一個(gè)開(kāi)放性的研究課題，引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題[7]，一般可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。

一般而言，無(wú)人機(jī)將在可用能量限制下，根據(jù)任務(wù)環(huán)境信息事先規(guī)劃一條全局最優(yōu)或次優(yōu)路徑，得到訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)順序，再通過(guò)局部路徑規(guī)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的搜索與逼近。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃已經(jīng)得到了廣泛的研究。文獻(xiàn)[3]把無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃問(wèn)題建模成經(jīng)典的旅行商問(wèn)題，并執(zhí)行快速路徑規(guī)劃（FPPWR,fast path planning with rule）。文獻(xiàn)[8]利用馬爾可夫鏈對(duì)單個(gè)無(wú)人機(jī)從遠(yuǎn)處傳感器收集數(shù)據(jù)的移動(dòng)過(guò)程進(jìn)行建模，并模擬無(wú)人機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)[9]利用部分可觀察的馬爾可夫決策過(guò)程（POMDP,partially observable Markov decision process）對(duì)無(wú)人機(jī)路徑進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)[10]基于Q 學(xué)習(xí)算法對(duì)無(wú)人機(jī)的路徑和避障等問(wèn)題進(jìn)行學(xué)習(xí)，并采用自適應(yīng)隨機(jī)探測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航和避障。文獻(xiàn)[11-14]基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（DRL,deep reinforcement learning）實(shí)現(xiàn)無(wú)模型的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃。除了利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法外，研究者還提出了很多啟發(fā)式算法[15-17]來(lái)解決無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃問(wèn)題。

定向問(wèn)題[18]為節(jié)點(diǎn)選擇和確定所選節(jié)點(diǎn)之間最短哈密頓路徑的組合，可以看作背包問(wèn)題和旅行商問(wèn)題2 種經(jīng)典問(wèn)題的組合。本文將無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)收集過(guò)程的全局路徑規(guī)劃問(wèn)題建模為定向問(wèn)題。本文考慮的全局路徑規(guī)劃是指綜合考慮無(wú)人機(jī)自身的能量約束、節(jié)點(diǎn)收益等，在指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)架構(gòu)下進(jìn)行的路徑規(guī)劃。其中，背包問(wèn)題的目標(biāo)是在可用資源限制下，選擇一部分節(jié)點(diǎn)并使之獲得的收益最大化；旅行商問(wèn)題的目標(biāo)是試圖使無(wú)人機(jī)服務(wù)所選節(jié)點(diǎn)的旅行時(shí)間或距離最小化。

文獻(xiàn)[19]對(duì)定向問(wèn)題最近的變化、解決方案及應(yīng)用等進(jìn)行了綜述。近幾年，關(guān)于求解定向問(wèn)題的啟發(fā)式方法很多，例如遺傳算法[20]、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[21]、迭代局部搜索法[22]等。

2015 年，Vinyals 等[23]在人工智能頂級(jí)會(huì)議NIPS 上提出了一個(gè)用于解決變長(zhǎng)序列到序列的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型——指針網(wǎng)絡(luò)，還驗(yàn)證了該模型可以單獨(dú)使用訓(xùn)練示例來(lái)學(xué)習(xí)3 個(gè)幾何問(wèn)題的近似解，即尋找平面散點(diǎn)集的凸包、Delaunay 三角剖分算法和平面旅行商問(wèn)題。指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)被提出后，近幾年被研究者多次引用，文獻(xiàn)[24]將指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)解決旅行商問(wèn)題，并提出該模型也可用于解決背包問(wèn)題。文獻(xiàn)[25]使用指針網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)優(yōu)化3D 裝箱序列以最大化其收益。受這些模型的啟發(fā)，本文首先將無(wú)人機(jī)全局路徑規(guī)劃建模為定向問(wèn)題，接著采用指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)對(duì)其進(jìn)行求解。

在局部路徑規(guī)劃方面，無(wú)人機(jī)將根據(jù)節(jié)點(diǎn)廣播參考信號(hào)強(qiáng)度（RSS,received signal strength）的特征[26]對(duì)其局部路徑進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)[27]采用Q 學(xué)習(xí)利用無(wú)人機(jī)對(duì)非法無(wú)線電臺(tái)進(jìn)行定位和尋找。然而，傳統(tǒng)Q 學(xué)習(xí)很難解決具有大量狀態(tài)空間的模型，這導(dǎo)致其很難適用于大規(guī)模節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃。本文通過(guò)深度Q 網(wǎng)絡(luò)（DQN,deep-Q network）學(xué)習(xí)機(jī)制對(duì)大規(guī)模的Q 表進(jìn)行模擬與近似，從而極大地降低了Q 學(xué)習(xí)的計(jì)算復(fù)雜度。

綜上，本文首先將無(wú)人機(jī)的全局路徑規(guī)劃建模為定向問(wèn)題并通過(guò)指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)求解；然后在局部路徑規(guī)劃方面，利用DQN 使無(wú)人機(jī)逼近目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，在無(wú)人機(jī)能耗限制下，所提方案能極大地提升物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)收集收益。

2 系統(tǒng)模型及問(wèn)題建立

2.1 全局路徑規(guī)劃

本文綜合考慮無(wú)人機(jī)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中面臨的能量約束問(wèn)題和路徑規(guī)劃問(wèn)題。無(wú)人機(jī)能量消耗不僅與航行時(shí)間、航行速度有關(guān)，還與所處環(huán)境中的風(fēng)速、障礙物等有關(guān)[28]。文獻(xiàn)[29]將無(wú)人機(jī)的路由算法分類(lèi)為恒定速度無(wú)人機(jī)、自適應(yīng)速度無(wú)人機(jī)、懸停最大服務(wù)時(shí)間（HMS,hover with maximum service time）等。本文采用HMS 的路由方法，即無(wú)人機(jī)懸停在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上方，并以最大懸停時(shí)間tmax對(duì)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且假設(shè)無(wú)人機(jī)以恒定的速度v飛行。

在圖1 所示的系統(tǒng)模型中，無(wú)人機(jī)的起點(diǎn)和終點(diǎn)均為無(wú)人機(jī)服務(wù)站Ddepot。Ddepot可對(duì)無(wú)人機(jī)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)無(wú)人機(jī)充電，需要收集數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在地圖上，可通過(guò)聚類(lèi)算法對(duì)隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，并得到簇的中心坐標(biāo)（圖1 中黑點(diǎn)）[30]。關(guān)于無(wú)人機(jī)以什么樣的順序訪問(wèn)這些簇才能在有限的能量約束下取得最大收益的問(wèn)題，可以被建模為一個(gè)定向問(wèn)題，即選取點(diǎn)和確定最短路徑2 種問(wèn)題的結(jié)合。由于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)收集存在無(wú)人機(jī)能量限制，因此不是所有的簇都會(huì)被服務(wù)。令S∈{1,2,…,k}表示簇的集合，其中k表示簇的數(shù)目。第i個(gè)簇的獎(jiǎng)勵(lì)值為pi，簇i到j(luò)的距離為disti,j，li,j=1表示i與j之間有路徑，那么無(wú)人機(jī)全局路徑規(guī)劃問(wèn)題可以表示為

圖1 系統(tǒng)模型

目標(biāo)方程(1)表示最大化數(shù)據(jù)收集的獎(jiǎng)勵(lì)值，并且最小化無(wú)人機(jī)的飛行路徑；約束(2)表示無(wú)人機(jī)可服務(wù)簇的份額；約束(3)表示起點(diǎn)和終點(diǎn)均為無(wú)人機(jī)服務(wù)站Ddepot；約束(4)表示每個(gè)簇最多被服務(wù)一次。

在優(yōu)化目標(biāo)式(1)中，關(guān)于每個(gè)簇獎(jiǎng)勵(lì)值的設(shè)定，如果簡(jiǎn)單設(shè)定為簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的總和，則可能對(duì)稍遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)不公平，所以可將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)值設(shè)置為

其中，Ii表示簇i內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量總和的值（無(wú)量綱）。因此，獎(jiǎng)勵(lì)值的設(shè)定不僅與節(jié)點(diǎn)到服務(wù)站的距離有關(guān)，還與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量有關(guān)，且pi無(wú)量綱[31]。

2.2 局部路徑規(guī)劃

假設(shè)無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)傳感器的位置是未知的，無(wú)人機(jī)以固定的高度飛行，只考慮二維平面的運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為(x,y)，無(wú)人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的坐標(biāo)為(xi,yi)，無(wú)人機(jī)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離可以表示為

無(wú)人機(jī)通過(guò)配備天線來(lái)測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSS，無(wú)人機(jī)可移動(dòng)方向被相等地劃分為8 個(gè)方向，具體如圖2 所示。

圖2 無(wú)人機(jī)移動(dòng)方向

RSS 值PR可以通過(guò)以下計(jì)算式求得，它與距離d（單位為m ）有關(guān)，具體為

其中，PT為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率；PL(d)為距離d處的路徑損耗，此處的路徑損耗模型[32]采用3GPP TR 38.814，本文主要參考天線接收信號(hào)強(qiáng)度值，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，只考慮了地對(duì)地大尺度信道衰落，后期研究無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中將進(jìn)一步同時(shí)考慮視距和非視距對(duì)傳輸性能的影響[33-35]；f為捕獲信道衰落變量。

深度Q 學(xué)習(xí)[36]融合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Q 學(xué)習(xí)的方法，屬于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的一種，當(dāng)然也應(yīng)該具有強(qiáng)化學(xué)習(xí)的基本組成部分，即智能體、環(huán)境、動(dòng)作、獎(jiǎng)勵(lì)、策略、值函數(shù)等。強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體與環(huán)境的交互過(guò)程如圖3 所示。智能體通過(guò)與環(huán)境進(jìn)行交互，循環(huán)迭代產(chǎn)生新的狀態(tài)并結(jié)合環(huán)境給出獎(jiǎng)勵(lì)值。

圖3 強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體與環(huán)境的交互過(guò)程

Q值函數(shù)更新式為

其中，α∈[0,1]是學(xué)習(xí)率，γ∈[0,1]是折扣因子。

無(wú)人機(jī)的狀態(tài)s取決于各個(gè)方向測(cè)量的平均RSS 值中最大的RSS 值，動(dòng)作空間對(duì)應(yīng)圖2 中的8個(gè)方向，即a∈{a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8}。獎(jiǎng)勵(lì)值r(s,a)的設(shè)定為：如果當(dāng)前位置各個(gè)方向測(cè)量的平均RSS 值中的最大值減去上一位置的各個(gè)方向測(cè)量的平均RSS 值中的最大值為正，則給一個(gè)正的獎(jiǎng)勵(lì)值，該獎(jiǎng)勵(lì)值設(shè)為固定值；如果為負(fù)，則給一個(gè)負(fù)的獎(jiǎng)勵(lì)值。如果無(wú)人機(jī)達(dá)到終止條件，則給其較大獎(jiǎng)勵(lì)值，本文中獎(jiǎng)勵(lì)值設(shè)定為

無(wú)人機(jī)的終止條件為當(dāng)距離d＜7.0 時(shí)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位成功。深度Q 學(xué)習(xí)的原理框架如圖4 所示。

3 算法建立

3.1 指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)建立

圖4 深度Q 學(xué)習(xí)的原理框架

指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，它是由序列到序列模型[37]和注意力機(jī)制[38]結(jié)合改進(jìn)得到的，由Encoder 和Decoder 這2 個(gè)階段組成。在Encoder 階段，只考慮輸入xj對(duì)輸出yi的影響；在Decoder 階段，解碼輸出注意力概率矩陣，并通過(guò)softmax 得到序列的輸出概率分布。由于長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM,long short-term memory）[39]能夠成功學(xué)習(xí)具有遠(yuǎn)距離時(shí)間依賴性數(shù)據(jù)的特征，其被用作網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)建指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)模型。Encoder部分使用LSTM 多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（記為L(zhǎng)STM-e），Decoder 部分使用LSTM 多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（記為L(zhǎng)STM-d）。

圖5 指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)

第2 節(jié)對(duì)無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行了建模，分別確定指針網(wǎng)絡(luò)（PN,pointer network）深度學(xué)習(xí)模型的輸入輸出如下所示。

1)輸入

Dcoords={(x0,y0),(x1,y1),…,(xk,yk)}為無(wú)人機(jī)服務(wù)站Ddepot和每個(gè)簇中心坐標(biāo)Dloc的并集。假設(shè)Ddepot處的獎(jiǎng)勵(lì)值p0=0，Pprize={p0,p1,…,pk}為p0和pi的并集，Dinputs={(x0,y0,p0),(x1,y1,p1),…,(xk,yk,pk)}。

2)輸出

輸出序列Droads={P0,P1,…,Pn}表示無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)收集過(guò)程中簇的收集順序，Pn對(duì)應(yīng)Dinputs值的索引。指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)的編解碼過(guò)程為：輸入序列Dinputs經(jīng)過(guò)k+1 步依次輸入Encoder 模塊，然后通過(guò)Decoder 模塊依次輸出Droads中的元素。

因此指針網(wǎng)絡(luò)的原理可以表示如下[40]。

編碼過(guò)程。將輸入序列Dinputs經(jīng)過(guò)k+1 步依次輸送給LSTM-e，得到每一步輸入所對(duì)應(yīng)的LSTM-e網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)ej(j=0,1,…,k)，如式(11)所示。當(dāng)Dinputs輸入完畢后，將得到的隱藏層狀態(tài)Enc=(e1,…,ei,…,en)進(jìn)行編碼后輸入解碼模塊。

解碼過(guò)程。由式(12)計(jì)算出LSTM-d 網(wǎng)絡(luò)的隱藏層狀態(tài)Dec=(d1,…,di,…,dn)；由LSTM-e 網(wǎng)絡(luò)的隱藏層狀態(tài)(e1,…,ei,…,en)和LSTM-d 網(wǎng)絡(luò)的隱藏層狀態(tài)Dec=(d1,…,di,…,dn)分別計(jì)算出每個(gè)輸入對(duì)當(dāng)前輸出帶來(lái)的影響，如式(13)所示。將其softmax 歸一化后得到注意力矩陣ai，如式(14)～式(16)所示。然后選擇矩陣中權(quán)重占比最大的指針作為輸出，如式(17)所示。

其中，f為非線性激活函數(shù)；v、W1和W2為輸出模型的可學(xué)習(xí)參數(shù)；aij由uij經(jīng)過(guò)softmax 后得到，其作用是將uij標(biāo)準(zhǔn)化為輸入字典上的輸出分布[23]。

在解碼過(guò)程中，還要考慮到定向問(wèn)題模型中的約束問(wèn)題。首先，對(duì)于約束(2)，預(yù)設(shè)一個(gè)服務(wù)份額值δ。對(duì)于約束(3)，無(wú)人機(jī)的起點(diǎn)和終點(diǎn)均為無(wú)人機(jī)服務(wù)站Ddepot，因此，第一步和最后一步將P0和Pn設(shè)置為0。對(duì)于約束(4)，根據(jù)禁忌搜索的思想，在每一步添加Droads元素時(shí)，將其作為禁忌元素添加到Daction表中，每一步輸出將根據(jù)Daction表，在注意力矩陣中選擇非Daction表中權(quán)值最大的作為輸出。

3.2 指針網(wǎng)絡(luò)+主動(dòng)搜索策略

根據(jù)文獻(xiàn)[25]提出的主動(dòng)搜索（AS,active search）策略，將Dinputs中的元素（除索引0 的位置）隨機(jī)排列組合生成B個(gè)批次的輸入序列，通過(guò)梯度下降法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，最后輸出路徑。

通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化中的線性加權(quán)法將目標(biāo)函數(shù)(1)改寫(xiě)成

其中，ω1+ω2=1表示在減少無(wú)人機(jī)飛行距離與提升無(wú)人機(jī)服務(wù)獎(jiǎng)勵(lì)之間的折中關(guān)系，具體可由工程經(jīng)驗(yàn)得到。本文設(shè)置ω1=0.9，ω2=0.1，通過(guò)梯度下降法，式(18)可以同時(shí)優(yōu)化減小距離和增加獎(jiǎng)勵(lì)值。

指針網(wǎng)絡(luò)+主動(dòng)搜索策略的算法描述如下。

1)初始化輸入序列，將Dinputs中的元素（除索引0 的位置）隨機(jī)排列組合生成B個(gè)批次的輸入序列。

2)將序列輸入指針網(wǎng)絡(luò)，得到一系列結(jié)果。

3)使用梯度下降法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(18)。

4)重復(fù)執(zhí)行步驟1)～步驟3)，直到達(dá)到終止條件。

5)選擇最小的目標(biāo)函數(shù)值的路徑作為輸出路徑Droads。

3.3 DQN 算法建立

DQN 算法描述如下。

1)初始化經(jīng)驗(yàn)重放緩存區(qū)。

2)預(yù)處理環(huán)境：把狀態(tài)?動(dòng)作輸入DQN，返還所有可能動(dòng)作對(duì)應(yīng)的Q值。

3)利用ε貪心策略選取一個(gè)動(dòng)作a，以概率ε隨機(jī)選擇動(dòng)作，以概率1?ε選取具有最大Q值的動(dòng)作。

4)選擇動(dòng)作a后，智能體在狀態(tài)s執(zhí)行所選的動(dòng)作，得到新的狀態(tài)s′和獎(jiǎng)勵(lì)r。

5)把該組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到經(jīng)驗(yàn)重放緩沖區(qū)中，并將其記作s,a,r,s′。

6)計(jì)算目標(biāo)方程(10)，更新Q網(wǎng)絡(luò)權(quán)重。

7)重復(fù)執(zhí)行步驟3)～步驟6)，直到達(dá)到終止條件。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證指針網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)無(wú)人機(jī)全局路徑規(guī)劃的優(yōu)化性能，實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比了指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)、基于主動(dòng)搜索策略的指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)方法。為了對(duì)比AS 方法的效果，本文設(shè)計(jì)貪婪獎(jiǎng)勵(lì)（GP,greed prize）方法與其進(jìn)行比較。GP 方法受貪婪優(yōu)化方法的影響，先貪婪地選擇獎(jiǎng)勵(lì)值大小為前N簇的坐標(biāo)，然后通過(guò)PN+AS 方法求這些簇的最短路徑。

實(shí)驗(yàn)令無(wú)人機(jī)服務(wù)站Ddepot的坐標(biāo)為（0,0），在[0,1]×[0,1]（單位為km）的范圍內(nèi)分別隨機(jī)生成50 個(gè)簇和100 個(gè)簇的中心位置坐標(biāo)，分別為D50和D100。每個(gè)簇的獎(jiǎng)勵(lì)值設(shè)定按照式(5)得到。

表1 和表2 分別給出了AS 方法和GP 方法使用的參數(shù)及其相應(yīng)值。

表1 AS 方法使用的參數(shù)及其相應(yīng)值

表2GP 方法使用的參數(shù)及其相應(yīng)值

為驗(yàn)證DQN 的性能，本文主要分析Q 學(xué)習(xí)和DQN 這2 種方法在無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)收集中單個(gè)節(jié)點(diǎn)定位的仿真效果。為模擬無(wú)人機(jī)接收信號(hào)強(qiáng)度值，采用網(wǎng)格法確定當(dāng)前位置距離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，通過(guò)式(7)和式(8)計(jì)算接收信號(hào)強(qiáng)度值，實(shí)現(xiàn)DQN 狀態(tài)輸入。本文主要對(duì)2 種方法迭代次數(shù)內(nèi)的成功率、步數(shù)及其最優(yōu)路徑進(jìn)行比較。2 種方法均使用ε貪心策略，在仿真中將無(wú)人機(jī)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離小于7 m 視為成功，為防止算法無(wú)限次迭代，將無(wú)人機(jī)步數(shù)大于200 步視為失敗。仿真結(jié)果表明，DQN 的性能優(yōu)于Q 學(xué)習(xí)，能夠達(dá)到一個(gè)較高的成功率。DQN 仿真各參數(shù)的設(shè)置如表3 所示。

表3 DQN 仿真各參數(shù)的設(shè)置

4.2 結(jié)果分析

圖6 和圖7 分別是D50和D100下使用PN、AS和GP 的路徑規(guī)劃效果，表4 是D50和D100下使用PN、AS 和GP 的距離和獎(jiǎng)勵(lì)值，其中，距離的單位為km。根據(jù)式(9)可知，獎(jiǎng)勵(lì)值越大越好，距離越小越好，這樣可以使模型的收益能效更高。從圖6、圖7 和表4 中可以直觀地看出，使用PN 方法比AS 方法的路徑規(guī)劃圖交叉點(diǎn)多，總路徑距離大，總獎(jiǎng)勵(lì)值?。粚P 方法與AS 方法進(jìn)行比較，GP方法交叉點(diǎn)少，總路徑距離小，不過(guò)GP 方法存在貪婪的性質(zhì)，相當(dāng)于將全局路徑規(guī)劃問(wèn)題變?yōu)橐粋€(gè)簡(jiǎn)單的旅行商問(wèn)題來(lái)解決，使該算法獲得的獎(jiǎng)勵(lì)值更好，但在某些場(chǎng)景下有可能導(dǎo)致更大的飛行距離。雖然AS 方法不能完全達(dá)到GP 方法的效果，但AS 方法的效果接近GP 方法，且AS 方法最大的特點(diǎn)就是同時(shí)優(yōu)化距離和獎(jiǎng)勵(lì)值，雖然獎(jiǎng)勵(lì)值可能不如GP 方法但其距離有可能更小，且更具隨機(jī)性、更適合動(dòng)態(tài)環(huán)境中的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃。

圖6 D50下使用PN、AS 和GP 的路徑規(guī)劃效果

圖7 D100下使用PN、AS 和GP 的路徑規(guī)劃效果

表4 D50和D100下使用PN、AS 和GP 的距離和獎(jiǎng)勵(lì)值

圖8 是AS 方法下使用梯度下降法訓(xùn)練PN 的損失值。從圖8 中可以看出，訓(xùn)練PN 的損失值隨著迭代次數(shù)的增加先快速下降，而后趨于穩(wěn)定，在0 值上下波動(dòng)，這表明該深度模型可以在訓(xùn)練后達(dá)到收斂，網(wǎng)絡(luò)性能可靠。

圖8 AS 方法下使用梯度下降法訓(xùn)練PN 的損失值

圖9 為DQN 和Q 學(xué)習(xí)的成功次數(shù)的步數(shù)變化波動(dòng)曲線。從圖9 中可以明顯看出，DQN 步數(shù)的變化只在一開(kāi)始波動(dòng)較大，經(jīng)過(guò)一個(gè)更新周期（30 次）后波動(dòng)趨于平穩(wěn)，且步數(shù)較小，迭代次數(shù)為100 次，成功率接近100%；Q 學(xué)習(xí)的成功次數(shù)只有7 次，其余均大于200 步。

圖9 DQN 和Q 學(xué)習(xí)成功次數(shù)的步數(shù)變化波動(dòng)曲線

從圖10 可以更清晰地看到，DQN 的最優(yōu)路徑與Q 學(xué)習(xí)的最優(yōu)路徑相比更平緩、拐點(diǎn)較少。表5 為不同起點(diǎn)和目標(biāo)位置時(shí)Q 學(xué)習(xí)和DQN 的最優(yōu)步長(zhǎng)比較。從表5 可以看出，針對(duì)不同起點(diǎn)和目標(biāo)位置，除了第三組（0,0）→（68,78）這2 種方法效果一樣外，其余場(chǎng)景中的DQN 都優(yōu)于Q 學(xué)習(xí)，可見(jiàn)DQN 的泛化性能強(qiáng)，可以適應(yīng)不同的場(chǎng)景。

圖10 DQN 和Q 學(xué)習(xí)最優(yōu)路徑對(duì)比

表5 不同起點(diǎn)和目標(biāo)位置時(shí)DQN 和Q 學(xué)習(xí)的最優(yōu)步長(zhǎng)比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先使用指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)來(lái)解決無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)收集過(guò)程中的全局路徑規(guī)劃問(wèn)題，并將該問(wèn)題建模成定向問(wèn)題，利用指針網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)得到無(wú)人機(jī)服務(wù)節(jié)點(diǎn)集合及服務(wù)順序。然后，根據(jù)無(wú)人機(jī)接收目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSS 通過(guò)DQN 來(lái)定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)并接近目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)仿真驗(yàn)證，DQN 在時(shí)延等方面的性能優(yōu)于Q 學(xué)習(xí)。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提學(xué)習(xí)機(jī)制的有效性。