Adaptive team formation for collaborative perimeter defense

Abstract

No Problema de Defesa de Perímetro, do inglês Perimeter Defense Problem (PDP), múltiplos intrusos se aproximam de uma região de interesse enquanto um defensor, ou equipe de defensores, trabalha para interceptá-los antes que possam violar o perímetro. Esse problema possui aplicações importantes em Proteção de Infraestrutura Crítica, do inglês Critical Infrastructure Protection (CIP), patrulha de regiões e segurança de fronteiras. Esta dissertação apresenta uma abordagem para o PDP no contexto Sistemas Multirrobôs, do inglês Multi-Robot Systems (MRS), abordando os desafios da formação adaptativa de equipes e da interceptação colaborativa de intrusos. Este trabalho concentra-se no desenvolvimento de metodologias que possibilitam adaptar dinamicamente a composição de equipes de robôs com base na chegada de novos intrusos no ambiente. Para configurações homogêneas de defensores, propomos um método baseado na teoria de fluxo em redes e na Alocação de Arma-Alvo, do inglês Weapon-Target Assignment Problem (WTA), permitindo alocação, roteamento e coordenação. Para o cenário com defensores heterogeneos, onde os defensores diferem em velocidade, modelamos o problema como um Problema do Fluxo Indivisível, do inglês Unsplittable Flow Problem (UFP). Reconhecendo a complexidade computacional do UFP, introduzimos uma heurística de caminho mais curto sucessivo para garantir a aplicabilidade em tempo real. No caso dos defensores homogêneos, os resultados experimentais demonstram que a captura colaborativa, possibilitada por nossa metodologia, foi crucial para um melhor desempenho em comparação ao cenário de captura individual. Além disso, nossos resultados revelaram a importância de um equilíbrio entre a cobertura espacial e a colaboração. Os experimentos no cenário heterogêneo destacam o impacto positivo da heterogeneidade e indicam que, embora a solução ótima obtenha consistentemente o mais alto desempenho, a heurística oferece uma vantagem significativa em termos de eficiência computacional. Esse trade-off é particularmente relevante em contextos de grande escala ou críticos quanto ao tempo, onde a geração rápida de soluções viáveis é primordial. Em suma, este trabalho demonstra a eficácia de uma formulação probabilística para o PDP por meio de uma metodologia que permite a formação adaptativa de equipes e a interceptação colaborativa pelos defensores. Essa abordagem contribui para o avanço dos sistemas de defesa robótica colaborativa atuais e tem implicações significativas para diversas aplicações, incluindo operações de vigilância e segurança.