Collaborative Route Planning of UAVs, Workers and Cars for Crowdsensing in Disaster Response

Efficiently obtaining the up-to-date information in the disaster-stricken area is the key to successful disaster response. Unmanned aerial vehicles (UAVs), workers and cars can collaborate to accomplish sensing tasks, such as data collection, in disaster-stricken areas. In this paper, we explicitly address the route planning for a group of agents, including UAVs, workers, and cars, with the goal of maximizing the task completion rate. We propose MANF-RL-RP, a heterogeneous multi-agent route planning algorithm that incorporates several efficient designs, including global-local dual information processing and a tailored model structure for heterogeneous multi-agent systems. Global-local dual information processing encompasses the extraction and dissemination of spatial features from global information, as well as the partitioning and filtering of local information from individual agents. Regarding the construction of the model structure for heterogeneous multi-agent, we perform the following work. We design the same data structure to represent the states of different agents, prove the Markovian property of the decision-making process of agents to simplify the model structure, and also design a reasonable reward function to train the model. Finally, we conducted detailed experiments based on the rich simulation data. In comparison to the baseline algorithms, namely Greedy-SC-RP and MANF-DNN-RP, MANF-RL-RP has exhibited a significant improvement in terms of task completion rate

Understanding citizen science and environmental monitoring: final report on behalf of UK Environmental Observation Framework

Citizen science can broadly be defined as the involvement of volunteers in science. Over the past decade there has been a rapid increase in the number of citizen science initiatives. The breadth of environmental-based citizen science is immense. Citizen scientists have surveyed for and monitored a broad range of taxa, and also contributed data on weather and habitats reflecting an increase in engagement with a diverse range of observational science. Citizen science has taken many varied approaches from citizen-led (co-created) projects with local community groups to, more commonly, scientist-led mass participation initiatives that are open to all sectors of society. Citizen science provides an indispensable means of combining environmental research with environmental education and wildlife recording. Here we provide a synthesis of extant citizen science projects using a novel cross-cutting approach to objectively assess understanding of citizen science and environmental monitoring including: 1. Brief overview of knowledge on the motivations of volunteers. 2. Semi-systematic review of environmental citizen science projects in order to understand the variety of extant citizen science projects. 3. Collation of detailed case studies on a selection of projects to complement the semi-systematic review. 4. Structured interviews with users of citizen science and environmental monitoring data focussing on policy, in order to more fully understand how citizen science can fit into policy needs. 5. Review of technology in citizen science and an exploration of future opportunities

Distributed, Low-Cost, Non-Expert Fine Dust Sensing with Smartphones

Diese Dissertation behandelt die Frage, wie mit kostengünstiger Sensorik Feinstäube in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gemessen werden können. Dazu wird ein neues Sensorsystem auf Basis kostengünstiger off-the-shelf-Sensoren und Smartphones vorgestellt, entsprechende robuste Algorithmen zur Signalverarbeitung entwickelt und Erkenntnisse zur Interaktions-Gestaltung für die Messung durch Laien präsentiert. Atmosphärische Aerosolpartikel stellen im globalen Maßstab ein gravierendes Problem für die menschliche Gesundheit dar, welches sich in Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen äußert und eine Verkürzung der Lebenserwartung verursacht. Bisher wird Luftqualität ausschließlich anhand von Daten relativ weniger fester Messstellen beurteilt und mittels Modellen auf eine hohe räumliche Auflösung gebracht, so dass deren Repräsentativität für die flächendeckende Exposition der Bevölkerung ungeklärt bleibt. Es ist unmöglich, derartige räumliche Abbildungen mit den derzeitigen statischen Messnetzen zu bestimmen. Bei der gesundheitsbezogenen Bewertung von Schadstoffen geht der Trend daher stark zu räumlich differenzierenden Messungen. Ein vielversprechender Ansatz um eine hohe räumliche und zeitliche Abdeckung zu erreichen ist dabei Participatory Sensing, also die verteilte Messung durch Endanwender unter Zuhilfenahme ihrer persönlichen Endgeräte. Insbesondere für Luftqualitätsmessungen ergeben sich dabei eine Reihe von Herausforderungen - von neuer Sensorik, die kostengünstig und tragbar ist, über robuste Algorithmen zur Signalauswertung und Kalibrierung bis hin zu Anwendungen, die Laien bei der korrekten Ausführung von Messungen unterstützen und ihre Privatsphäre schützen. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Anwendungsszenario Partizipatorischer Umweltmessungen, bei denen Smartphone-basierte Sensorik zum Messen der Umwelt eingesetzt wird und üblicherweise Laien die Messungen in relativ unkontrollierter Art und Weise ausführen. Die Hauptbeiträge hierzu sind: 1. Systeme zum Erfassen von Feinstaub mit Smartphones (Low-cost Sensorik und neue Hardware): Ausgehend von früher Forschung zur Feinstaubmessung mit kostengünstiger off-the-shelf-Sensorik wurde ein Sensorkonzept entwickelt, bei dem die Feinstaub-Messung mit Hilfe eines passiven Aufsatzes auf einer Smartphone-Kamera durchgeführt wird. Zur Beurteilung der Sensorperformance wurden teilweise Labor-Messungen mit künstlich erzeugtem Staub und teilweise Feldevaluationen in Ko-Lokation mit offiziellen Messstationen des Landes durchgeführt. 2. Algorithmen zur Signalverarbeitung und Auswertung: Im Zuge neuer Sensordesigns werden Kombinationen bekannter OpenCV-Bildverarbeitungsalgorithmen (Background-Subtraction, Contour Detection etc.) zur Bildanalyse eingesetzt. Der resultierende Algorithmus erlaubt im Gegensatz zur Auswertung von Lichtstreuungs-Summensignalen die direkte Zählung von Partikeln anhand individueller Lichtspuren. Ein zweiter neuartiger Algorithmus nutzt aus, dass es bei solchen Prozessen ein signalabhängiges Rauschen gibt, dessen Verhältnis zum Mittelwert des Signals bekannt ist. Dadurch wird es möglich, Signale die von systematischen unbekannten Fehlern betroffen sind auf Basis ihres Rauschens zu analysieren und das "echte" Signal zu rekonstruieren. 3. Algorithmen zur verteilten Kalibrierung bei gleichzeitigem Schutz der Privatsphäre: Eine Herausforderung partizipatorischer Umweltmessungen ist die wiederkehrende Notwendigkeit der Sensorkalibrierung. Dies beruht zum einen auf der Instabilität insbesondere kostengünstiger Luftqualitätssensorik und zum anderen auf der Problematik, dass Endbenutzern die Mittel für eine Kalibrierung üblicherweise fehlen. Bestehende Ansätze zur sogenannten Cross-Kalibrierung von Sensoren, die sich in Ko-Lokation mit einer Referenzstation oder anderen Sensoren befinden, wurden auf Daten günstiger Feinstaubsensorik angewendet sowie um Mechanismen erweitert, die eine Kalibrierung von Sensoren untereinander ohne Preisgabe privater Informationen (Identität, Ort) ermöglicht. 4. Mensch-Maschine-Interaktions-Gestaltungsrichtlinien für Participatory Sensing: Auf Basis mehrerer kleiner explorativer Nutzerstudien wurde empirisch eine Taxonomie der Fehler erstellt, die Laien beim Messen von Umweltinformationen mit Smartphones machen. Davon ausgehend wurden mögliche Gegenmaßnahmen gesammelt und klassifiziert. In einer großen summativen Studie mit einer hohen Teilnehmerzahl wurde der Effekt verschiedener dieser Maßnahmen durch den Vergleich vier unterschiedlicher Varianten einer App zur partizipatorischen Messung von Umgebungslautstärke evaluiert. Die dabei gefundenen Erkenntnisse bilden die Basis für Richtlinien zur Gestaltung effizienter Nutzerschnittstellen für Participatory Sensing auf Mobilgeräten. 5. Design Patterns für Participatory Sensing Games auf Mobilgeräten (Gamification): Ein weiterer erforschter Ansatz beschäftigt sich mit der Gamifizierung des Messprozesses um Nutzerfehler durch den Einsatz geeigneter Spielmechanismen zu minimieren. Dabei wird der Messprozess z.B. in ein Smartphone-Spiel (sog. Minigame) eingebettet, das im Hintergrund bei geeignetem Kontext die Messung durchführt. Zur Entwicklung dieses "Sensified Gaming" getauften Konzepts wurden Kernaufgaben im Participatory Sensing identifiziert und mit aus der Literatur zu sammelnden Spielmechanismen (Game Design Patterns) gegenübergestellt

Mission-Critical Communications from LMR to 5G: a Technology Assessment approach for Smart City scenarios

Radiocommunication networks are one of the main support tools of agencies that carry out actions in Public Protection & Disaster Relief (PPDR), and it is necessary to update these communications technologies from narrowband to broadband and integrated to information technologies to have an effective action before society. Understanding that this problem includes, besides the technical aspects, issues related to the social context to which these systems are inserted, this study aims to construct scenarios, using several sources of information, that helps the managers of the PPDR agencies in the technological decisionmaking process of the Digital Transformation of Mission-Critical Communication considering Smart City scenarios, guided by the methods and approaches of Technological Assessment (TA).As redes de radiocomunicações são uma das principais ferramentas de apoio dos órgãos que realizam ações de Proteção Pública e Socorro em desastres, sendo necessário atualizar essas tecnologias de comunicação de banda estreita para banda larga, e integra- las às tecnologias de informação, para se ter uma atuação efetiva perante a sociedade . Entendendo que esse problema inclui, além dos aspectos técnicos, questões relacionadas ao contexto social ao qual esses sistemas estão inseridos, este estudo tem por objetivo a construção de cenários, utilizando diversas fontes de informação que auxiliem os gestores destas agências na tomada de decisão tecnológica que envolve a transformação digital da Comunicação de Missão Crítica considerando cenários de Cidades Inteligentes, guiado pelos métodos e abordagens de Avaliação Tecnológica (TA)

Gesture elicitation to improve DJ to audience communication

When DJs perform they struggle to communicate their performance actions to their audience. DJs use turntables, CDJs, DJ mixers and/or computers with or without hardware DJ controllers. This equipment has small controls that are difficult to view from any distance. DJs bend over their equipment while performing small hand movements that are difficult for the audience to see. This research aims to investigate whether this visual communication problem can be solved by using full body gestures. The underlying motivation was to enhance DJ performance and the overall audience experience. Following a review of the relevant literature, this thesis begins by identifying common DJ techniques. Then gestures were elicited for each common DJ technique using the Gesture Elicitation Study (GES) methodology with the aim of creating a universally understood gesture set. The GES resulted in mainly low consensus, conflicting and inconsistent gestures which prevented an end-user gesture set from being directly produced. Therefore, three further gesture set creation studies were performed to try to create a conflict and inconsistency free gesture set. This project successfully created an end-user gesture set from the results of all four experiments. However, the inconsistencies and conflicts from these experiments suggest that that there is not a universal language that both DJs and audience members understand. Therefore, the strict GES method is deemed inappropriate for producing a DJ-audience communication focused gesture set; the author suggests adapting this methodology to involve subjective ratings to select the most suitable gestures

Applications

Volume 3 describes how resource-aware machine learning methods and techniques are used to successfully solve real-world problems. The book provides numerous specific application examples: in health and medicine for risk modelling, diagnosis, and treatment selection for diseases in electronics, steel production and milling for quality control during manufacturing processes in traffic, logistics for smart cities and for mobile communications

Scaling Machine Learning Systems using Domain Adaptation

Machine-learned components, particularly those trained using deep learning methods, are becoming integral parts of modern intelligent systems, with applications including computer vision, speech processing, natural language processing and human activity recognition. As these machine learning (ML) systems scale to real-world settings, they will encounter scenarios where the distribution of the data in the real-world (i.e., the target domain) is different from the data on which they were trained (i.e., the source domain). This phenomenon, known as domain shift, can significantly degrade the performance of ML systems in new deployment scenarios. In this thesis, we study the impact of domain shift caused by variations in system hardware, software and user preferences on the performance of ML systems. After quantifying the performance degradation of ML models in target domains due to the various types of domain shift, we propose unsupervised domain adaptation (uDA) algorithms that leverage unlabeled data collected in the target domain to improve the performance of the ML model. At its core, this thesis argues for the need to develop uDA solutions while adhering to practical scenarios in which ML systems will scale. More specifically, we consider four scenarios: (i) opaque ML systems, wherein parameters of the source prediction model are not made accessible in the target domain, (ii) transparent ML systems, wherein source model parameters are accessible and can be modified in the target domain, (iii) ML systems where source and target domains do not have identical label spaces, and (iv) distributed ML systems, wherein the source and target domains are geographically distributed, their datasets are private and cannot be exchanged using adaptation. We study the unique challenges and constraints of each scenario and propose novel uDA algorithms that outperform state-of-the-art baselines

Multi-Robot Systems: Challenges, Trends and Applications

This book is a printed edition of the Special Issue entitled “Multi-Robot Systems: Challenges, Trends, and Applications” that was published in Applied Sciences. This Special Issue collected seventeen high-quality papers that discuss the main challenges of multi-robot systems, present the trends to address these issues, and report various relevant applications. Some of the topics addressed by these papers are robot swarms, mission planning, robot teaming, machine learning, immersive technologies, search and rescue, and social robotics