Reusing Delivery Drones for Urban Crowdsensing

计算机科学 无人机 符号 数学优化 重新使用 算法 数学 工程类 遗传学 生物 算术 废物管理
作者
Chaocan Xiang,Yanlin Zhou,Haipeng Dai,Yuben Qu,Suining He,Chao Chen,Panlong Yang
出处
期刊:IEEE Transactions on Mobile Computing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:22 (5): 2972-2988 被引量:15
标识
DOI:10.1109/tmc.2021.3127212
摘要

Thanks to the increasing number and massive coverage, delivery drones, equipped with various sensors, have demonstrated significant but unexplored potentials for large-scale and low-cost urban sensing during package delivery. In this paper, we propose novel studies on the reutilization of such delivery drone resources to fill this void in urban crowdsensing. Accounting for interdependency between flying/sensing and drone delivery weight, we jointly optimize route selection, sensing time, and delivery weight allocation, to maximize delivery and sensing utility under drones’ energy constraints. This problem is formulated as a non-convex mixed-integer non-Linear programming problem, which is proved to be NP-hard. To address this intricate problem, we propose near-optimal algorithms that leverage the equivalent objective function construction, the local search scheme, and the alternating iteration technique. Theoretical analysis indicates that our algorithms can achieve $\frac{1}{4+\varepsilon }$ -approximation ratio (where $\varepsilon$ is an arbitrarily small positive parameter) and the convergence guarantee in polynomial time, for the scenarios of fixed and adjustable delivery weights, respectively. Extensive trace-based simulations, field experiments, and the real-world application demonstrate that ours can significantly improve the delivery & sensing utility by $124.7\%$ and the energy utilization rate by $72.2\%$ on average, compared with the drone delivery without reusing.
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