Berta Sándor
Új algoritmus segíti a drónrajok kommunikációját
Az adatfeldolgozásnál figyelembe veszik az információ korát is.
A katasztrófaövezetet átkutató robotrepülőgépek vagy az épületeket vizsgáló robotok számára a legfrissebb információkkal való munka kulcsfontosságú a túlélők megtalálása vagy egy potenciális veszélyhelyzet felfedezése szempontjából. Amennyiben azonban több egység egyszerre több időérzékeny adatot továbbít egy vezeték nélküli hálózaton keresztül, akkor az információk dugóba kerülhetnek és utána minden átjutó adat túlságosan elavulttá válik ahhoz, hogy hasznos, valós idejű jelentésnek lehessen tekinteni.
Az MIT mérnökei most megoldást találtak azáltal, hogy kifejlesztettek egy módszert, amellyel bármely vezeték nélküli hálózatot úgy lehet alakítani, hogy kezelni tudja a több forrásból érkező időérzékeny információk nagy terhelését. A WiSwarm nevű új fejlesztés úgy konfigurálja a vezeték nélküli hálózatot, hogy szabályozza a több forrásból származó adatáramlást, miközben biztosítja, hogy a hálózat a legfrissebb adatokat továbbítsa. Az információk frissen tartásával a rendszer segíthet a robotoknak az épületek ellenőrzésében vagy a katasztrófaövezetek átkutatásában.
A csapat a módszert egy hagyományos Wi-Fi router átalakítására használta és kimutatta, hogy a testre szabott hálózat hatékony közlekedési rendőrként képes a legfrissebb adatokat rangsorolni és továbbítani, hogy több pilóta nélküli légi jármű is bekapcsolódjon a feladat elvégzésébe. A megoldást májusban mutatják majd be az IEEE Nemzetközi Számítógépes Hírközlési Konferencián (INFOCOM) és praktikus módot kínál arra, hogy több robot kommunikáljon a rendelkezésre álló Wi-Fi-hálózatokon keresztül, így nem kell terjedelmes és drága kommunikációs és feldolgozó hardvert szállítani a fedélzeten.
"Ami a legtöbb szabványos hálózati protokollban történik, az az érkezési sorrend szerinti megközelítés. Bejön egy videóképkocka és te feldolgozod. Jön egy másik, azt is feldolgozod. De ha a feladatunk időérzékeny, például megpróbáljuk felismerni, hogy hol van egy mozgó tárgy, akkor az összes régi videóképkocka használhatatlan. Amire szükséged van, az a legfrissebb videókép" - jelentette ki Vishrant Tripathi, a tanulmány egyik szerzője. Elméletileg az "utolsó beérkezett, első kiment" alternatív megközelítése segíthetne az adatok frissen tartásában. A koncepció ahhoz hasonlít, mint amikor egy séf egyenként adná ki az ételeket, amint azok még forrón kerülnek ki a sütőből. Amennyiben a legfrissebb tányért szeretné, akkor a sorban lévő utolsót kell odaadnia. Ugyanez vonatkozik az adatokra is, ha valakit a legfrissebbek érdeklik.
"Az információ kora az adat frissességének új mérőszáma, amely az alkalmazás szempontjából veszi figyelembe a késleltetést. Az információ frissessége nagyon fontos egy olyan autonóm jármű esetében, amely különböző érzékelő bemenetekre támaszkodik. Az ütközés elkerülése érdekében az akadályok közelségét mérő szenzor frissebb információt igényel, mint az üzemanyagszintet mérő szenzor" - tette hozzá Eytan Modiano.
A vezeték nélküli hálózatoknak azonban van egy nagy hátránya: elosztott jellegűek és nem adnak prioritást az egy forrásból származó adatok fogadásának. A vezeték nélküli csatorna így gyorsan eltömődhet, ha több forrás egyszerre küld információkat. Még az "utolsónak beérkező, elsőnek kimenő" protokoll esetén is előfordulhatnak ütközések. Egy időérzékeny gyakorlaton a rendszer összeomlana. Erre kínál megoldást a WiSwarm, amely egy olyan ütemezési algoritmus, amely egy központi számítógépen futtatható és bármilyen vezeték nélküli hálózattal párosítható, hogy több információfolyamot kezeljen és a legfrissebb adatokat priorizálja. Ahelyett, hogy minden forrásból minden adatcsomagot minden pillanatban megpróbálnának befogadni, az algoritmus meghatározza, hogy a hálózaton belül melyik forrás küldje el legközelebb az információkat.
Az algoritmus három paraméter értékelése alapján határozza meg, hogy melyik forrás küldje tovább az adatokat: a drón általános súlya vagy prioritása (például egy gyors járművet követő robotrepülőgépnek gyakrabban kell frissítenie és ezért magasabb prioritást élvez egy lassabb járművet követő drónnal szemben); a drón információinak kora, vagyis hogy mennyi idő telt el azóta, hogy a robotrepülőgép frissítést küldött; és a pilóta nélküli légijármű csatornájának megbízhatósága, vagyis az adatok sikeres továbbításának valószínűsége. Az algoritmus az egyes drónok esetében e három paraméter adott időpontban történő szorzásával tudja beosztani a robotrepülőgépeket, hogy a vezeték nélküli hálózaton keresztül egyszerre csak egy-egy frissítést jelentsenek, a rendszer eltömődése nélkül és úgy, hogy a legfrissebb információkat szolgáltassák egy időérzékeny feladat sikeres elvégzéséhez.
A csapat több mozgáskövető pilóta nélküli légi járművel tesztelte az algoritmusát. A repülő drónokat egy kis kamerával és egy egyszerű Wi-Fi-képes számítógépes chippel szerelték fel, amelyet arra használtak, hogy a képeket folyamatosan továbbítsák egy központi számítógépnek, ahelyett, hogy egy terjedelmes, fedélzeti számítórendszert használnának. Az egyes egységeket úgy programozták, hogy a földön véletlenszerűen mozgó kis járművek fölött repüljenek és kövessék azokat. Amikor a csapat összekapcsolta a hálózatot az algoritmusával, a számítógép képes volt a legfrissebb képeket fogadni a legfontosabb robotrepülőgépektől, amelyeket arra használt, hogy parancsokat küldjön vissza a légi figyelőknek azzal kapcsolatban, hogy az adott felszíni a jármű nyomvonalán tartsa őket.
Amikor a kutatók két drónnal végeztek kísérleteket, a módszer kétszer olyan friss adatokat tudott továbbítani, ami hatszor jobb követést eredményezett, mint amikor a két robotrepülőgép csak Wi-Fi-vel végezte ugyanazt a kísérletet. Amikor a rendszert öt drónra és öt földi járműre terjesztették ki, a Wi-Fi önmagában nem tudta kezelni a nagyobb adatforgalmat és a drónok hamar elvesztették a földi egységek nyomát. A WiSwarm segítségével a hálózat jobban felszerelt volt és lehetővé tette, hogy az összes robotrepülőgép továbbra is nyomon kövesse a saját járművét.
"A mi munkánk az első olyan munka, amely megmutatja, hogy egy információ korát valós robotikai alkalmazásokban is figyelembe lehet venni. A közeljövőben olcsó és fürge drónok dolgozhatnak együtt és kommunikálhatnak vezeték nélküli hálózatokon keresztül olyan feladatok elvégzése érdekében, mint például az épületek, a mezőgazdasági területek, a szél- és naperőművek ellenőrzése. A távolabbi jövőben pedig az intelligens városok adatáramlásának kezelésében látom ezt a megközelítést nélkülözhetetlennek" - szögezte le Ezra Tal. "Képzeljük el, hogy az önvezető autók egy kereszteződéshez érkeznek, ahol van egy érzékelő, amely lát valamit a sarkon túl. Melyik gépkocsi kapja meg először az adatokat? Ez egy olyan probléma, ahol az információk időzítése és frissessége számít" - mutatott rá Sertac Karaman.
A katasztrófaövezetet átkutató robotrepülőgépek vagy az épületeket vizsgáló robotok számára a legfrissebb információkkal való munka kulcsfontosságú a túlélők megtalálása vagy egy potenciális veszélyhelyzet felfedezése szempontjából. Amennyiben azonban több egység egyszerre több időérzékeny adatot továbbít egy vezeték nélküli hálózaton keresztül, akkor az információk dugóba kerülhetnek és utána minden átjutó adat túlságosan elavulttá válik ahhoz, hogy hasznos, valós idejű jelentésnek lehessen tekinteni.
Az MIT mérnökei most megoldást találtak azáltal, hogy kifejlesztettek egy módszert, amellyel bármely vezeték nélküli hálózatot úgy lehet alakítani, hogy kezelni tudja a több forrásból érkező időérzékeny információk nagy terhelését. A WiSwarm nevű új fejlesztés úgy konfigurálja a vezeték nélküli hálózatot, hogy szabályozza a több forrásból származó adatáramlást, miközben biztosítja, hogy a hálózat a legfrissebb adatokat továbbítsa. Az információk frissen tartásával a rendszer segíthet a robotoknak az épületek ellenőrzésében vagy a katasztrófaövezetek átkutatásában.
A csapat a módszert egy hagyományos Wi-Fi router átalakítására használta és kimutatta, hogy a testre szabott hálózat hatékony közlekedési rendőrként képes a legfrissebb adatokat rangsorolni és továbbítani, hogy több pilóta nélküli légi jármű is bekapcsolódjon a feladat elvégzésébe. A megoldást májusban mutatják majd be az IEEE Nemzetközi Számítógépes Hírközlési Konferencián (INFOCOM) és praktikus módot kínál arra, hogy több robot kommunikáljon a rendelkezésre álló Wi-Fi-hálózatokon keresztül, így nem kell terjedelmes és drága kommunikációs és feldolgozó hardvert szállítani a fedélzeten.
"Ami a legtöbb szabványos hálózati protokollban történik, az az érkezési sorrend szerinti megközelítés. Bejön egy videóképkocka és te feldolgozod. Jön egy másik, azt is feldolgozod. De ha a feladatunk időérzékeny, például megpróbáljuk felismerni, hogy hol van egy mozgó tárgy, akkor az összes régi videóképkocka használhatatlan. Amire szükséged van, az a legfrissebb videókép" - jelentette ki Vishrant Tripathi, a tanulmány egyik szerzője. Elméletileg az "utolsó beérkezett, első kiment" alternatív megközelítése segíthetne az adatok frissen tartásában. A koncepció ahhoz hasonlít, mint amikor egy séf egyenként adná ki az ételeket, amint azok még forrón kerülnek ki a sütőből. Amennyiben a legfrissebb tányért szeretné, akkor a sorban lévő utolsót kell odaadnia. Ugyanez vonatkozik az adatokra is, ha valakit a legfrissebbek érdeklik.
"Az információ kora az adat frissességének új mérőszáma, amely az alkalmazás szempontjából veszi figyelembe a késleltetést. Az információ frissessége nagyon fontos egy olyan autonóm jármű esetében, amely különböző érzékelő bemenetekre támaszkodik. Az ütközés elkerülése érdekében az akadályok közelségét mérő szenzor frissebb információt igényel, mint az üzemanyagszintet mérő szenzor" - tette hozzá Eytan Modiano.
A vezeték nélküli hálózatoknak azonban van egy nagy hátránya: elosztott jellegűek és nem adnak prioritást az egy forrásból származó adatok fogadásának. A vezeték nélküli csatorna így gyorsan eltömődhet, ha több forrás egyszerre küld információkat. Még az "utolsónak beérkező, elsőnek kimenő" protokoll esetén is előfordulhatnak ütközések. Egy időérzékeny gyakorlaton a rendszer összeomlana. Erre kínál megoldást a WiSwarm, amely egy olyan ütemezési algoritmus, amely egy központi számítógépen futtatható és bármilyen vezeték nélküli hálózattal párosítható, hogy több információfolyamot kezeljen és a legfrissebb adatokat priorizálja. Ahelyett, hogy minden forrásból minden adatcsomagot minden pillanatban megpróbálnának befogadni, az algoritmus meghatározza, hogy a hálózaton belül melyik forrás küldje el legközelebb az információkat.
Az algoritmus három paraméter értékelése alapján határozza meg, hogy melyik forrás küldje tovább az adatokat: a drón általános súlya vagy prioritása (például egy gyors járművet követő robotrepülőgépnek gyakrabban kell frissítenie és ezért magasabb prioritást élvez egy lassabb járművet követő drónnal szemben); a drón információinak kora, vagyis hogy mennyi idő telt el azóta, hogy a robotrepülőgép frissítést küldött; és a pilóta nélküli légijármű csatornájának megbízhatósága, vagyis az adatok sikeres továbbításának valószínűsége. Az algoritmus az egyes drónok esetében e három paraméter adott időpontban történő szorzásával tudja beosztani a robotrepülőgépeket, hogy a vezeték nélküli hálózaton keresztül egyszerre csak egy-egy frissítést jelentsenek, a rendszer eltömődése nélkül és úgy, hogy a legfrissebb információkat szolgáltassák egy időérzékeny feladat sikeres elvégzéséhez.
A csapat több mozgáskövető pilóta nélküli légi járművel tesztelte az algoritmusát. A repülő drónokat egy kis kamerával és egy egyszerű Wi-Fi-képes számítógépes chippel szerelték fel, amelyet arra használtak, hogy a képeket folyamatosan továbbítsák egy központi számítógépnek, ahelyett, hogy egy terjedelmes, fedélzeti számítórendszert használnának. Az egyes egységeket úgy programozták, hogy a földön véletlenszerűen mozgó kis járművek fölött repüljenek és kövessék azokat. Amikor a csapat összekapcsolta a hálózatot az algoritmusával, a számítógép képes volt a legfrissebb képeket fogadni a legfontosabb robotrepülőgépektől, amelyeket arra használt, hogy parancsokat küldjön vissza a légi figyelőknek azzal kapcsolatban, hogy az adott felszíni a jármű nyomvonalán tartsa őket.
Amikor a kutatók két drónnal végeztek kísérleteket, a módszer kétszer olyan friss adatokat tudott továbbítani, ami hatszor jobb követést eredményezett, mint amikor a két robotrepülőgép csak Wi-Fi-vel végezte ugyanazt a kísérletet. Amikor a rendszert öt drónra és öt földi járműre terjesztették ki, a Wi-Fi önmagában nem tudta kezelni a nagyobb adatforgalmat és a drónok hamar elvesztették a földi egységek nyomát. A WiSwarm segítségével a hálózat jobban felszerelt volt és lehetővé tette, hogy az összes robotrepülőgép továbbra is nyomon kövesse a saját járművét.
"A mi munkánk az első olyan munka, amely megmutatja, hogy egy információ korát valós robotikai alkalmazásokban is figyelembe lehet venni. A közeljövőben olcsó és fürge drónok dolgozhatnak együtt és kommunikálhatnak vezeték nélküli hálózatokon keresztül olyan feladatok elvégzése érdekében, mint például az épületek, a mezőgazdasági területek, a szél- és naperőművek ellenőrzése. A távolabbi jövőben pedig az intelligens városok adatáramlásának kezelésében látom ezt a megközelítést nélkülözhetetlennek" - szögezte le Ezra Tal. "Képzeljük el, hogy az önvezető autók egy kereszteződéshez érkeznek, ahol van egy érzékelő, amely lát valamit a sarkon túl. Melyik gépkocsi kapja meg először az adatokat? Ez egy olyan probléma, ahol az információk időzítése és frissessége számít" - mutatott rá Sertac Karaman.