【无人机配送】基于帕累托遗传蚁群优化（PGA）算法在支持ISAC的CAT-M1物联网传感器网络中的多无人机路径规划 无人机能耗、飞行距离、覆盖范围及资源分配，系统吞吐量最高可达95%附Matlab代码

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🔥 内容介绍

一、研究背景与核心痛点

随着即时物流与低空智慧配送产业的快速落地，多无人机协同配送已经成为偏远山区、海岛等地面交通难以覆盖区域的核心物流解决方案。传统多无人机配送路径规划大多仅以飞行距离最短为单一优化目标，完全忽略了配送场景下物联网感知、通信传输与配送作业的深度协同需求，难以适配集成感知与通信（ISAC）功能的新一代CAT-M1物联网传感器网络的复杂作业要求。CAT-M1作为面向低功耗广域物联网的专用通信标准，具备广覆盖、低功耗、支持高速移动接入的核心特性，是偏远区域大规模部署物联网传感器网络的首选技术。在支持ISAC的CAT-M1网络中，配送无人机不仅要完成包裹配送任务，还需要同步承担沿途传感器节点的数据采集、通信中继与网络覆盖补盲的复合功能，传统路径规划算法无法同时兼顾无人机能耗、飞行距离、网络覆盖范围、通信资源分配等多个相互冲突的优化目标，极易出现单目标最优但全局综合性能极差的问题。本研究提出帕累托遗传蚁群优化（PGA）算法，将遗传算法的全局快速搜索能力与蚁群算法的正反馈收敛优势深度融合，求解多目标帕累托最优解集，最终实现多无人机配送系统的全局综合性能最优，系统吞吐量最高可达95%。

二、系统模型与多目标优化框架构建

本研究构建的ISAC赋能CAT-M1多无人机配送系统，由K架配送无人机、M个待配送包裹节点、N个CAT-M1物联网传感器节点组成，所有无人机均搭载ISAC一体化载荷，在飞行过程中可同步完成三类任务：一是完成指定包裹的点对点配送，二是通过ISAC感知功能采集沿途CAT-M1传感器节点的环境监测数据，三是作为移动通信中继为地面传感器提供上行数据传输服务，补盲地面基站覆盖盲区。系统的优化目标设置为四个相互耦合的核心维度，四个目标之间存在天然的冲突关系：缩短飞行距离会压缩无人机在传感器节点上方的驻留时间，导致网络覆盖范围与系统吞吐量下降；提升覆盖范围会增加无人机的绕行距离，推高无人机的能耗，无法通过传统单目标加权方法得到全局最优解。四个优化目标的数学定义如下：

三、帕累托遗传蚁群优化（PGA）算法核心实现

本研究提出的PGA算法将遗传算法的全局种群多样性优势与蚁群算法的正反馈快速收敛特性深度融合，专门针对该多目标路径规划场景优化，算法整体分为两个协同迭代阶段：第一阶段为遗传算法全局粗搜索阶段：采用整数编码方式将每架无人机的配送路径编码为染色体，以配送节点的排列顺序作为基因，通过选择、交叉、变异操作快速生成覆盖整个解空间的初始路径种群，将种群中非支配解筛选出来存入外部帕累托解集档案，在短时间内完成全局大范围搜索，避免传统蚁群算法容易陷入局部最优的缺陷。第二阶段为蚁群算法精细收敛阶段：将第一阶段遗传算法得到的优质非支配解转化为蚁群算法的初始信息素分布，引导蚁群在优质解的邻域内做精细搜索，在蚁群的状态转移规则中同时融合四个优化目标的启发式信息，每轮迭代完成后更新信息素矩阵，将新生成的非支配解补充到外部帕累托档案中，同时引入拥挤度排序机制维护外部档案的多样性，避免解集出现局部聚集问题。算法迭代终止后，最终得到一组分布均匀的帕累托最优路径解集，运营方可根据当日的实际作业需求灵活选择最优方案：当物流配送任务优先级最高时，选择总飞行距离最短的路径方案；当物联网数据采集任务优先级最高时，选择覆盖范围与吞吐量最大的路径方案，完美适配不同场景下的动态作业需求。针对CAT-M1网络的通信资源分配环节，算法在路径规划的同步完成动态资源调度：无人机在传感器节点上方驻留时，根据节点的剩余数据量动态分配不同时长的上行通信时隙，在总带宽约束下最大化系统总吞吐量，最终实现最高95%的系统吞吐量，远高于传统固定时隙分配方案的72%吞吐量。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

function [nextNode] = ruleta(P)

%Choose a node based on probability.

%Calculation of the cumulative sum of P

cumsumP = cumsum(P);

%Random number

r = rand();

%We look for the node that meets:

nextNode = find( r <= cumsumP);

%We are left with the first

nextNode = nextNode(1);

end

🔗 参考文献

**“Multi-UAV path planning utilizing the PGA algorithm for terrestrial IoT sensor network under ISAC framework”**

Authors: **Rahman Md Azadur, Chaitali J. Pawase, Kyung Hi Chang**

Published in *ETT (Transactions on Emerging Telecommunications Technologies)*

DOI: [https://doi.org/10.1002/ett.4916](https://doi.org/10.1002/ett.4916)

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