1315.21 에너지 소비 모델링 사례

1. 에너지 모델링의 필요성

자율 로봇 시스템에서 에너지 관리는 임무 지속 가능성의 핵심 요소이다. PDDL의 수치 함수를 활용하면 플래너가 에너지 제약을 고려한 계획을 생성할 수 있으며, 에너지 최적 경로 선택, 충전 시점 결정, 저전력 모드 전환 등의 전략적 의사 결정이 가능해진다.

2. 기본 에너지 모델

2.1 도메인 정의

(define (domain energy_aware_robot)
    (:requirements :strips :typing :numeric-fluents)
    (:types robot waypoint charging_station - object)

    (:predicates
        (robot_at ?r - robot ?w - waypoint)
        (connected ?w1 - waypoint ?w2 - waypoint)
        (gripper_free ?r - robot)
        (holding ?r - robot ?obj - object)
        (object_at ?obj - object ?w - waypoint)
        (at_charger ?r - robot ?c - charging_station)
    )

    (:functions
        (battery_level ?r - robot)
        (max_battery ?r - robot)
        (distance ?w1 - waypoint ?w2 - waypoint)
        (energy_per_meter ?r - robot)
        (pick_energy ?r - robot)
        (place_energy ?r - robot)
        (idle_energy_rate ?r - robot)
        (total_energy_consumed)
    )
)

2.2 이동 에너지 소모

(:action move
    :parameters (?r - robot ?from - waypoint ?to - waypoint)
    :precondition (and
        (robot_at ?r ?from)
        (connected ?from ?to)
        (>= (battery_level ?r) (* (distance ?from ?to) (energy_per_meter ?r)))
    )
    :effect (and
        (not (robot_at ?r ?from))
        (robot_at ?r ?to)
        (decrease (battery_level ?r) (* (distance ?from ?to) (energy_per_meter ?r)))
        (increase (total_energy_consumed) (* (distance ?from ?to) (energy_per_meter ?r)))
    )
)

2.3 조작 에너지 소모

(:action pick_up
    :parameters (?r - robot ?obj - object ?loc - waypoint)
    :precondition (and
        (robot_at ?r ?loc)
        (object_at ?obj ?loc)
        (gripper_free ?r)
        (>= (battery_level ?r) (pick_energy ?r))
    )
    :effect (and
        (holding ?r ?obj)
        (not (object_at ?obj ?loc))
        (not (gripper_free ?r))
        (decrease (battery_level ?r) (pick_energy ?r))
        (increase (total_energy_consumed) (pick_energy ?r))
    )
)

2.4 충전 액션

(:action charge_battery
    :parameters (?r - robot ?station - charging_station)
    :precondition (and
        (robot_at ?r ?station)
        (< (battery_level ?r) (max_battery ?r))
    )
    :effect (assign (battery_level ?r) (max_battery ?r))
)

3. 적재 무게에 따른 에너지 소모 모델

로봇의 적재량에 비례하여 이동 에너지가 증가하는 모��:

(:functions
    (current_load ?r - robot)
    (base_energy_per_meter ?r - robot)
    (load_energy_factor ?r - robot)
)

(:action move_loaded
    :parameters (?r - robot ?from ?to - waypoint)
    :precondition (and
        (robot_at ?r ?from)
        (connected ?from ?to)
        (>= (battery_level ?r)
            (* (distance ?from ?to)
               (+ (base_energy_per_meter ?r)
                  (* (current_load ?r) (load_energy_factor ?r)))))
    )
    :effect (and
        (not (robot_at ?r ?from))
        (robot_at ?r ?to)
        (decrease (battery_level ?r)
            (* (distance ?from ?to)
               (+ (base_energy_per_meter ?r)
                  (* (current_load ?r) (load_energy_factor ?r)))))
    )
)

4. 문제 파일 초기화 예시

(define (problem delivery_mission)
    (:domain energy_aware_robot)
    (:objects
        robot1 - robot
        wp1 wp2 wp3 wp4 - waypoint
        station1 - charging_station
        box1 box2 - object
    )
    (:init
        ;; 로봇 에너��� 속성
        (= (battery_level robot1) 100)
        (= (max_battery robot1) 100)
        (= (energy_per_meter robot1) 0.5)
        (= (pick_energy robot1) 3)
        (= (place_energy robot1) 2)

        ;; 거리 정보
        (= (distance wp1 wp2) 20)
        (= (distance wp2 wp3) 30)
        (= (distance wp3 wp4) 15)
        (= (distance wp2 wp1) 20)
        (= (distance wp3 wp2) 30)
        (= (distance wp4 wp3) 15)

        ;; 메트릭 초기화
        (= (total_energy_consumed) 0)

        ;; 초기 상태
        (robot_at robot1 wp1)
        (object_at box1 wp2)
        (object_at box2 wp3)
        (gripper_free robot1)
        (connected wp1 wp2) (connected wp2 wp3) (connected wp3 wp4)
        (connected wp2 wp1) (connected wp3 wp2) (connected wp4 wp3)
    )
    (:goal (and (object_at box1 wp4) (object_at box2 wp4)))
    (:metric minimize (total_energy_consumed))
)

5. 에너지 최적 계획의 특성

에너지 최소화 메트릭 하에서 플래너는 다음의 전략을 ��동으로 선택한다:

최단 경로 선택: 에너지 소모�� 거리에 비례하므로, 최단 경로가 에너지 최적 경로가 된다.
충전 시�� 최적화: 에너지가 부족할 때만 충전하며, 충전 스테이션으로의 우회 비용을 고려한다.
조작 순서 최적화: 이동을 최소화��는 순서로 물체를 수집하고 배달한다.

6. 참고 문헌

Fox, M. & Long, D. (2003). “PDDL2.1: An Extension to PDDL for Expressing Temporal Planning Domains.” Journal of Artificial Intelligence Research, 20, 61–124.
Hoffmann, J. (2003). “The Metric-FF Planning System: Translating ‘Ignoring Delete Lists’ to Numeric State Variables.” Journal of Artificial Intelligence Research, 20, 291–341.
Haslum, P., Lipovetzky, N., Magazzeni, D., & Muise, C. (2019). An Introduction to the Planning Domain Definition Language. Morgan & Claypool Publishers.