Modeling and optimization of the drone base stations location allocation problem
Drone baz istasyonlarının yerleşim-tahsis probleminin modellenmesi ve optimizasyonu
- Tez No: 970825
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞENER AKPINAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği, Industrial and Industrial Engineering
- Anahtar Kelimeler: Doğal afetler, Hakkaniyet olarak adalet, Karma tamsayılı programlama, Natural disasters, Justice as fairness, Mixed integer programming
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Dokuz Eylül Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, acil durum müdahale operasyonları için adil insansız hava aracı tabanlı iletişim sistemlerinin tasarımı problemini ele almaktadır. Sınırlı batarya kapasitesi ve hareket kabiliyeti gibi operasyonel kısıtlar altında, birden fazla insansız hava aracı baz istasyonunun (DBS) en uygun şekilde konumlandırılması ve yönlendirilmesi yoluyla kapsamada hem mekânsal hem de zamansal adaletin sağlanmasına odaklanmaktadır. Araştırma, bu tür problemlere özgü karmaşıklık ve ölçeklenebilirlik sınırlamalarını ele almak üzere, kesin matematiksel modeller ile sezgisel algoritmaları birleştiren yapılandırılmış bir çözüm çerçevesi sunmaktadır. İlk olarak, Maksimum Kapsama Yeri Problemi'ne (MCLP) dayalı iki tamsayılı doğrusal programlama (MILP) modeli geliştirilmiş; bu modellerde adalet, zaman dengesi kısıtları aracılığıyla, hem mekânsal hem de zamansal kapsama hedefleriyle birlikte ele alınmıştır. Bu modeller, farklı parametreler altında performansı değerlendirmek ve adalet ile enerji verimliliği arasındaki dengeyi incelemek amacıyla sentetik örneklem setleri üzerinde test edilmiştir. Alternatif olarak, adaletin doğrudan amaç fonksiyonuna entegre edildiği Kapsama Turu Problemi'ne (CTP) dayalı yeni bir formülasyon önerilmiş; bunun sonucunda, Toplam Çiftler Arası Fark, Maximin ve Dağılım-temelli adalet ölçütlerini içeren yeni MILP modelleri geliştirilmiş ve bu modeller için birleşik bir değerlendirme çerçevesi oluşturulmuştur. Ayrıca, Çeşitlendirme ve yoğunlaştırma süreçlerini desteklemek amacıyla Değişken Komşuluk Araması (VNS) ve Tavlama Benzetimi (SA) mekanizmalarıyla geliştirilen Açgözlü Rastgeleleştirilmiş Uyarlanabilir Arama Yöntemi (GRASP) tabanlı hibrit bir sezgisel algoritma tasarlanmıştır. Bu yaklaşım, çözüm yapısının önceden belirlenemediği dinamik ve büyük ölçekli problemler için uygun olan, çözümleri artımlı olarak oluşturan etkili bir yöntem sunmaktadır. Önerilen tüm modeller ve algoritmalar uygulanmış ve kapsamlı hesaplamalı testlere tabi tutulmuştur. Küçük ve orta ölçekli örneklemleri içeren karşılaştırma setleri kullanılarak, yaklaşımların performansı, uygulanabilirliği ve sınırlılıkları değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar sistematik şekilde analiz edilmiş ve üretilen çözümlerin kalitesi ile pratik kullanıma uygunluğu tartışılmıştır. Genel olarak, bu tez adil ve uyarlanabilir DBS yerleştirmesi için kuramsal içgörüler ve algoritmik stratejiler sunmakta olup, yöneylem araştırması, insani lojistik ve gerçek zamanlı afet iletişim planlaması alanlarında gelecekteki araştırmalar için güçlü çıkarımlar sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
This study addresses the problem of designing equitable drone-based communication systems for emergency response operations. The focus is on the optimal deployment and routing of multiple drone base stations (DBSs) to ensure both spatial and temporal fairness in coverage under operational constraints such as limited battery capacity and mobility. The research contributes a structured solution framework that combines exact mathematical formulations, and metaheuristic approaches to tackle the complexity and scalability limitations inherent in such problems. Initially, two mixed-integer linear programming (MILP) models are developed based on the Maximal Covering Location Problem (MCLP), incorporating fairness through time-balancing constraints with spatial and temporal coverage objectives. These models are tested on synthetic problem instances to evaluate performance under varying parameters and to investigate trade-offs between equity and energy efficiency. Subsequently, an alternative formulation based on the Covering Tour Problem (CTP) is also proposed, in which fairness is embedded directly into the objective function. This led to the development of new MILP models integrating three fairness metrics—Total Pairwise Differences, Maximin, and Distribution-based fairness—and a unified evaluation framework. Finally, a metaheuristic algorithm is designed using the Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP), further enhanced with Variable Neighborhood Search (VNS) and Simulated Annealing (SA) mechanisms. This approach effectively constructs feasible solutions incrementally, making it suitable for dynamic and large-scale settings where the solution structure cannot be defined in advance. All proposed models and algorithms are implemented and subjected to comprehensive computational testing. A set of benchmark instances, including both small- and medium-scale cases, are utilized to evaluate the performance, applicability, and limitations of the approaches. The resulting outcomes were systematically analysed and discussed to assess the quality and practicality of the solutions generated. Overall, the thesis contributes both theoretical insights and algorithmic strategies for equitable and adaptive DBS deployment, with strong implications for future research in operations research, humanitarian logistics, and real-time disaster communication planning.
Benzer Tezler
- GSM baz istasyonlarında enerji verimliliği amaçlı ısıl modelleme ve deneysel analiz
Thermal model and experimental analysis of GSM base stations for energy efficiency
CEM GÜRSES
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALTUĞ ŞİŞMAN
- Mekansal analiz teknikleri ile çok kriterli karar verme yaklaşımı kullanılarak raylı sistem güzergah analizi
Rail system route analysis using multi criteria decision making with spatial analysis techniques
BERNA ÇALIŞKAN
Doktora
Türkçe
2023
Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ OSMAN ATAHAN
- THz bandında haberleşen dron ağlarında kanal modelleme ve konuşlandırma problemi üzerine bir çalışma
A study on channel modeling and deployment problem in (THz band communication for drone networks
İSMAİL ERSİN
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEge ÜniversitesiUluslararası Bilgisayar Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. ORHAN DAĞDEVİREN
PROF. DR. MUSTAFA ALPER AKKAŞ
- Yüzey akışların SWAT modeli ile belirlenmesi: Akarsu Sulama Birliği Sahası örneği
Determination of surface flow with SWAT model: A case study in the Akarsu Irrigation District
MUHAMMET SAİD GÖLPINAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
ZiraatÇukurova ÜniversitesiTarımsal Yapılar ve Sulama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT ÇETİN
- TS 825 2.derece gün bölgesinde yer alan illerin, ısıtma ve soğutma derece gün bölgelerine göre değerlendirilmesi
Comparison of heating and cooling degree days of states in 2nd degree day in TS 825
BARAN TANRIVERDİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE SÖZER