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基于大邻域搜索的加权最大化高效多目标规划
Efficient Multi-Objective Planning with Weighted Maximization Using Large Neighbourhood Search

作者: Krishna Kalavadia, Shamak Dutta, Yash Vardhan Pant 等4人
arXiv: 2604.04826v1
分类: cs.RO
📝 论文摘要
自主导航通常需要同时优化多个目标。最常见的方法是通过加权求和将这些目标标量化成一个单一的成本函数,但这种方法无法找到所有可能的权衡方案,因此可能遗漏关键解。另一种方法——加权最大目标法——能够找到所有帕累托最优解,包括加权求和法无法发现的权衡空间非凸区域内的解。然而,在离散领域中寻找加权最大解的计算复杂度较高,限制了其实际应用。为应对这一挑战,我们提出了一种基于大邻域搜索框架的新型搜索算法,能高效解决加权最大规划问题。通过大量仿真实验,我们证明该算法在解的质量上与现有加权最大规划器相当,同时运行时间提升了1-2个数量级,使其成为自主导航的可行选择。

📊 核心分析

🎯 研究动机
自主导航(autonomous navigation)通常需要同时优化多个目标。现有方法主要采用加权和(weighted sum)将多目标标量化(scalarize)为单一成本函数,但这种方法无法找到所有可能的权衡方案,可能遗漏关键解。加权最大值(weighted maximum)方法虽然能找到所有帕累托最优(Pareto-optimal)解,包括加权和方法无法找到的非凸(non-convex)区域解,但其在离散域(discrete domain)中的计算复杂度(computational complexity)过高,限制了实际应用。
🔧 核心方法
论文提出了一种基于大邻域搜索(Large Neighbourhood Search, LNS)框架的新搜索算法。该方法专门设计用于高效解决加权最大值规划(weighted maximum planning)问题,通过迭代地破坏和修复解的部分来探索解空间(solution space)。
💡 核心创新
核心创新在于将大邻域搜索(LNS)框架创造性地应用于解决加权最大值(weighted maximum)多目标规划问题,以应对其固有的高计算复杂度挑战。与现有加权最大值规划器相比,该算法在保持解质量(solution quality)相当的前提下,实现了1-2个数量级的运行时(runtime)提升,从而首次使该方法在自主导航等实际应用中变得可行。
🏆 总体贡献
论文的整体贡献是提出了一种高效、实用的算法,显著降低了加权最大值多目标规划的计算成本,使其从理论可行变为实际可用。这为自主导航等领域提供了更强大的工具,能够找到更全面的帕累托最优解集,包括非凸区域的解,从而支持更优的决策。