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Deep Reinforcement Multiagent Learning Framework for Information Gathering with Local Gaussian Processes for Water Monitoring

Luis, Samuel Yanes und Shutin, Dmitriy und Gomez Marchal, Juan und Gutiérrez Reina, Daniel und Toral Marín, Sergio (2024) Deep Reinforcement Multiagent Learning Framework for Information Gathering with Local Gaussian Processes for Water Monitoring. Advanced Intelligent Systems. Wiley. doi: 10.1002/aisy.202300850. ISSN 2640-4567.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
19MB

Offizielle URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aisy.202300850

Kurzfassung

The conservation of hydrological resources involves continuously monitoring their contamination. A multiagent system composed of autonomous surface vehicles is proposed herein to efficiently monitor the water quality. To achieve a safe control of the fleet, the fleet policy should be able to act based on measurements and fleet state. It is proposed to use local Gaussian processes and deep reinforcement learning to jointly obtain effective monitoring policies. Local Gaussian processes, unlike classical global Gaussian processes, can accurately model the information in a dissimilar spatial correlation which captures more accurately the water quality information. A deep convolutional policy is proposed, that bases the decisions on the observation on the mean and variance of this model, by means of an information gain reward. Using a double deep Q-learning algorithm, agents are trained to minimize the estimation error in a safe manner thanks to a Consensus-based heuristic. Simulation results indicate an improvement of up to 24% in terms of the mean absolute error with the proposed models. Also, training results with 1–3 agents indicate that our proposed approach returns 20% and 24% smaller average estimation errors for, respectively, monitoring water quality variables and monitoring algae blooms, as compared to state-of-the-art approaches.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/204175/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Deep Reinforcement Multiagent Learning Framework for Information Gathering with Local Gaussian Processes for Water Monitoring
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Luis, Samuel YanesUniversidad de Sevilla Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla: Sevilla, Andalucía, ESNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Shutin, Dmitriydmitriy.shutin (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6065-6453NICHT SPEZIFIZIERT
Gomez Marchal, Juannstitute of Navigation and Communications, German Aerospace Center, 82234 Wessling, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gutiérrez Reina, DanielUniversidad de Sevilla: Sevilla, Andalucía, ESNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Toral Marín, SergioUniversidad de Sevilla: Seville, Andalucía, ESNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:26 April 2024
Erschienen in:Advanced Intelligent Systems
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1002/aisy.202300850
Verlag:Wiley
ISSN:2640-4567
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Reinforcement learning, pollution monitoring, multiagent system
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Digitalisierung
DLR - Forschungsgebiet:D IAS - Innovative autonome Systeme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):D - STARE, R - Schwarmnavigation
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Kommunikation und Navigation > Nachrichtensysteme
Hinterlegt von: Shutin, Dmitriy
Hinterlegt am:08 Mai 2024 13:31
Letzte Änderung:10 Mai 2024 10:27

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