Stokastik rakım, talep ve konum kısıtları altında insansız hava araçlarının konumlandırılması
Positioning unmanned aerial vehicles under stochastic altitude, demand and location constraints
Yazar: FATMA ÖNAY KOÇOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. TARIK KÜÇÜKDENİZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering

Özet:
Geliştirilen birçok teknolojik araç ve gereç ile üretimden sağlığa, güvenlikten eğitime kadar birçok alanda insan hayatını kolaylaştıracak katkı sunulmaktadır. Bir mühendislik uygulaması olarak İnsansız Hava Araçları (İHA, UAV: Unmanned Aerial Vehicle) da teknolojik gelişmelerin sonucu olarak ortaya çıkan bu araçlardan biridir. İHA'ların kullanım alanı için öncelikli olarak askeri amaçlar akla gelse de tasarımındaki gelişmeler ve azalan maliyeti nedeniyle günümüzde sivil amaçlar için de kullanılır olmuştur. İHA'ların bu sivil kullanım alanlarından biri baz istasyonu görevini sağlamasıdır. Özellikle afet ve acil durum hallerinde insanların hem yakın çevresine hem de bilgiye erişmek üzere mobil iletişim araçlarına yönelmesi, servis sağlayıcıların talebi karşılayacak yeterli altyapıları olmaması ya da altyapılarının hasar görmesi nedeniyle iletişimin tamamen kopma noktasına gelmesine neden olmaktadır. Böyle bir durumda hızlı yerleştirme sağlanabilmesi özelliği ile küçük hücre baz istasyonu monte edilmiş İHA'lar, bölgelere düşük maliyetli bir bağlantı sağlayabilmektedir. Bu araştırma kapsamında afet veya acil durum hallerinde müşteri talebinin karşılanması ve iletişimin kopmaması adına geçici baz istasyonu olarak kullanılabilecek İHA'ların hangi koordinatlarda konumlandırılması gerektiğine dair çözüm önerisi getirilmiştir. Günümüzde bu problem kapsama alanı, batarya kısıtı, hava koşulları gibi farklı açılardan ele alınarak araştırılmaktadır. Bu tez çalışmasında ise problem, stokastik kullanıcı talep ve konumu kısıtı altında, geçici baz istasyonu olarak kullanılabilecek İnsansız Hava Araçlarının (İHA Bİ) üç boyutlu konumunun ve hizmet için ihtiyaç duyulacak İHA Bİ sayısının maksimum sayıda kullanıcıya hizmet verilecek şekilde belirlenmesi amaçlanmış, problem Endüstri Müendisliği disiplininde ele alınmıştır. Bu optimizasyon probleminin çözümü için bir çözüm yaklaşımı ortaya konmuştur. Yaklaşımın çıkış notası olarak kullanılan algoritmalar yöntem kısmında belirtilmek ile birlikte özellikle sezgisel-meta sezgisellerden ve makine öğrenmesinden yararlanılması hedeflenmiştir. Performans göstergesi olarak kapsanan kullanıcı sayısı kullanılmıştır. Tez çalışması sistem senaryosu ve çözüm yöntemi kapsamında literatürdeki çalışmalardan farklılık göstermektedir. Kullanıcıların bir hareket modeline göre hareket ettiği kabul edilmiş, belirlenen model doğrultusunda ilgili zaman aralıkları için kullanıcıların konumları hesaplanmış, bir öbekleme yaklaşımı ile kullanıcılar konumlarına göre alt gruplara ayrılmış ve bu grupların her birine bir İHA Bİ hizmet verecek şekilde problem çözülmüştür

Abstract:
Many technological tools and equipment developed contribute to make human life easier in many areas from production to health, from security to education. As an engineering application, Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are one of these tools that emerged as a result of technological developments. Although military purposes come to mind first for the area of use of UAVs, they have also been used for civilian purposes today due to the developments in their design and decreasing costs. One of these civilian areas of use of UAVs is to provide the function of a base station. Especially in disasters and emergencies, people turn to mobile communication tools to access both their immediate surroundings and information, and this causes communication to come to a complete breakdown due to the lack of sufficient infrastructure to meet the demand of service providers or their infrastructures being damaged. In such a case, UAVs mounted with small cell base stations can provide a low-cost connection to the regions thanks to their ability to provide rapid deployment. Within the scope of this research, a solution proposal will be made regarding the coordinates at which UAVs that can be used as temporary base stations should be positioned in order to meet customer demand and prevent communication from being interrupted in disasters or emergencies. Today, this problem is examined by considering different aspects such as coverage area, battery constraint, weather conditions. In this thesis study, the problem is aimed to determine the three-dimensional location of Unmanned Aerial Vehicles (UAV BS) that can be used as temporary base stations under stochastic user demand and location constraints and the number of UAV BSs that will be needed for the service in a way that will serve the maximum number of users and the problem is addressed in the Industrial Engineering discipline. An approach has been presented for the solution of this optimization problem. The algorithms used as the starting point of the approach are specified in the method section, and it is aimed to benefit from heuristics-meta heuristics and machine learning in particular. The number of users covered is used as the performance indicator. The thesis study differs from the studies in the literature in terms of the system scenario and solution method. It is assumed that the users move according to a movement model, the positions of the users are calculated for the relevant time intervals in line with the determined model, the users are divided into subgroups according to their locations with a clustering approach, and the problem is solved in a way that a UAV BS will serve each of these groups.