Open-area search
HRS exploration in an open part of the cleanroom, from the first target to the final source-position decision.
A Benchmark for Gas Source Localization toward Rapid Leak Removal in Cleanrooms
iCIR Lab · Department of Mechatronics Engineering
Chungnam National University
Demo Video
A complete trial in an open area of the cleanroom with moderate source strength and spread, from LRS patrol through HRS exploration to the final source-position decision.
Demonstration method: M6 · 4× speed
SAME ENVIRONMENT · DIFFERENT CASES
Special-case videos
Eight search conditions in the cleanroom: obstacles, initial LRS signal strength, source distance at the HRS transition, and sources inside inaccessible equipment or beyond a wall. Each clip follows exploration through the final source-position decision.
8 cases · 4× speed · Looping playback
Search near an obstacle
HRS exploration around equipment that restricts access, showing detours and the final source-position decision.
Search after a weak LRS signal
Low but detectable LRS concentration readings lead into HRS exploration and the final source-position decision.
Search after a strong LRS signal
High LRS concentration readings lead into HRS exploration and the final source-position decision.
Search for a nearby source
With moderate LRS readings, HRS begins a short path distance from the source and continues to the final position decision.
Search for a distant source
With moderate LRS readings, HRS begins a long path distance from the source and continues to the final position decision.
Source inside inaccessible equipment
The gas source is inside equipment that the robot cannot enter. The clip shows the search under this access constraint.
Source beyond a wall
The gas source is on the other side of a wall. The clip shows exploration with the wall separating the robot from the source.
Demonstration method: M6 · All eight cases
Abstract
When a hazardous gas leak occurs in a structured indoor environment such as a cleanroom, it is important to reach and remove the gas source rapidly while minimizing the need for personnel to enter the affected area. Cleanrooms with stringent cleanliness requirements, such as semiconductor front-end fabrication facilities, use vertical unidirectional airflow from the ceiling to a perforated floor. In these environments, the horizontal airflow component is negligible, leaving no wind-direction cues that indicate the direction of the gas source.
Most research on mobile robot-based gas source localization (GSL) relies on plumes generated by horizontal airflow and wind-direction measurements as key cues, while established benchmarks focus on warehouses, residential environments, and wind tunnels. To the best of our knowledge, no GSL evaluation has been reported for the vertical unidirectional airflow conditions found in cleanrooms. Moreover, existing studies typically assume that the search begins without prior information and focus on localization accuracy or concentration mapping. Consequently, how quickly a robot can reach a gas source using limited concentration measurements collected during routine patrols remains insufficiently explored.
This paper proposes a benchmark for a single gas source that evaluates the process from anomaly detection during a robot's patrol to the final source-position decision in the absence of wind-direction cues. In regions away from obstacles, gas concentration on the horizontal plane at sensor height is modeled as an isotropic Gaussian, since there is no horizontal airflow to skew the distribution. The robot measures concentrations at predefined locations during a low-resolution survey (LRS). Upon detecting an anomalous concentration, it switches to a high-resolution search (HRS), using a Gaussian Markov random field (GMRF) to estimate the concentration field and locate the source. Evaluation measures the time from the transition to HRS until the final source-position decision, together with the source localization error. Methods are compared by a Score that averages, over trials, the ratio of ideal travel time to HRS decision time, discounted by the localization error expressed in GMRF cells. HRS decision time, localization error, and the time to reach the final estimated position are reported as detailed metrics.
We randomly generated gas source positions, strengths, and distribution widths in an indoor environment with obstacles simulated using ROS 2, Gazebo, and Nav2. We compared six methods combining three search starting-point selection rules (the patrol location with the highest measured concentration, the concentration-weighted centroid of patrol locations, and the cell with the highest estimated mean) with two subsequent search strategies (selection of the cell with the highest estimated mean and spiral search). All methods were evaluated on the same 100 gas sources generated with fixed random seeds, and the 91 sources on which all six methods finished normally were used for comparison.
Combining the concentration-weighted centroid start with spiral search achieved the highest Score (0.311), followed by the highest-concentration patrol start with spiral search (0.277). For every starting-point rule, spiral search reached the source-position decision faster than selecting the cell with the highest estimated mean. Mean localization error was below 0.07 m for all six methods.
System overview
One benchmark trial: from a patrol pass to a final source-position decision.
LRS · One patrol pass
Measure concentration and update GMRF at each patrol stop
Anomaly detected · complete the patrol
HRS · Focused search
ITERATEContinue updating the GMRF built during LRS.
-
GMRF
Update the concentration estimate
-
Select next position
Apply the search strategy
-
Move & measure
Navigate, dwell and sample
Feed new observations back into GMRF
Search termination condition met
Decide source position
Record the estimate and decision time
TRIAL COMPLETE
Evaluate
Time · Error · Score
OBSERVATION PROTOCOL
Measurement
Where concentration observations come from, how they are collected, and what is recorded.
- 01
Define the position
Use the robot center in the map frame as the horizontal sampling reference.
- 02
Arrive and sample
Collect concentration samples during the configured dwell interval at each target.
- 03
Average and record
Store the sample mean with the visit position, phase, time and sample count.
A centered sampling reference
The physical inlet is offset from the robot center. For this experiment, the horizontal sampling and recording reference is placed at the robot center (base_link). The body’s inlet offset is not applied to the sampled coordinates.
Concentration is sampled from a static 2D Gaussian field at the virtual sensor’s (x, y). Its value is relative and bounded between 0 and 1; the computation does not use height z.
- Position reference
- Robot center · map frame
- Nominal update rate
- 20 Hz
- LRS dwell
- 1 s per visit
- HRS dwell
- 2 s per visit
These are the current model/configuration defaults, not fixed requirements. Use the actual settings and sample counts for each experiment.
ONE VISIT → ONE OBSERVATION
Averaging the samples
The arithmetic mean of the samples collected during the dwell interval becomes the concentration observation used to update the GMRF.
c̄_j = (1 / n_j) Σ c_j,k- j
- Measurement visit index.
- c_j,k
- The k-th concentration sample received during visit j (relative value, 0–1).
- n_j
- Actual number of samples received during that visit.
- c̄_j
- Mean concentration stored as one observation.
Recorded per visit
Position at the start of sampling · mean concentration · actual sample count · LRS/HRS phase · measurement event time. The recorded position is mapped to a GMRF cell for the field update.
FROM OBSERVATIONS TO PERFORMANCE
Evaluation Metrics
Compare decision time and localization error together. Use an ideal travel-time reference to express the decision-time ratio.
01 / TIME · s
Decision time
How quickly does the robot decide where the source is? Lower is better, alongside error.
T_HRS = t_decide − t_switch
- T_HRS
- HRS decision duration (s).
- t_switch
- Simulation time when the robot switches to HRS (s).
- t_decide
- Simulation time when the robot commits to the final source coordinates (s).
All methods use the same LRS procedure. The primary time comparison starts at the HRS transition and ends at the source-position decision.
LRS and total-time definitions
T_LRS = t_switch − t_start; T_total = T_LRS + T_HRS
- t_start
- Patrol start time (simulation seconds).
- T_LRS
- Patrol-start to HRS-transition interval, including any transition gap (s).
- T_total
- Patrol-start to final-decision duration (s); excludes subsequent approach.
02 / ACCURACY · m
Localization error
How close is the final estimated source position to the true source? Lower is better.
E = ‖p̂ − p_src‖₂ = √[(x̂ − x_src)² + (ŷ − y_src)²]
- E
- Straight-line localization error (m).
- p̂ = (x̂, ŷ)
- Final estimated source coordinates in the map frame (m).
- p_src
- True source coordinates (x_src, y_src), used as ground truth for evaluation (m).
- ‖·‖₂
- Euclidean norm: straight-line distance between the two positions.
If the true source lies in a non-navigable area (inside equipment, walls or safety margins), the robot cannot reach it, so the nearest reachable point replaces p_src as the reference.
How the final estimate is selected
j* = arg max c̄_j over HRS visits; p̂ = q(p_j*)
- M_HRS
- Indices of valid HRS measurement visits.
- j*, c̄_j
- Visit with the highest mean concentration, and the mean defined in Measurement.
- p_j, q(·)
- Recorded visit position (m); q maps it to its GMRF cell center.
The current branch freezes the cell associated with the highest recorded HRS mean concentration. Equal means retain the earlier record. GMRF estimates support exploration; the final logged position follows this measured-maximum rule.
03 / REFERENCE RATIO
Decision-time ratio
How fast is the decision relative to ideal travel time? Compare with position error.
η = T* / T_HRS; T* = L* / v_max
- η
- Dimensionless ideal-travel-time / decision-time ratio.
- T*
- Ideal time to traverse the reference shortest path at the configured maximum speed (s).
- L*
- Shortest feasible path length from the robot’s HRS-transition position to the true source (m).
- v_max
- Maximum speed configured for the robot in the experiment (m/s). Use that experiment’s setting.
- T_HRS
- Decision duration defined above (s); positive for this ratio.
T* is an evaluation reference. The ratio may exceed 1 when the robot decides the source location before an ideal traversal would finish. Interpret it together with localization error.
Reference-path conditions
Compute L* with the same map and navigation constraints across methods. T* omits acceleration, turning and stops. If the true source is unreachable, define a reachable reference endpoint separately before computing the ratio.
04 / AGGREGATE SCORE
Score
Average the trial-wise time ratios, each discounted by that trial’s localization error, to compare methods on the same trial set. Higher is better.
Score = (1/N) Σ η_i / (1 + E_i/d) = (1/N) Σ (T*_i / T_HRS,i) · d / (d + E_i)
- N
- Number of trials included in the comparison for each method. Use the same trial set across methods.
- i
- Trial index, from 1 to N.
- η_i
- Time ratio of trial i. Each trial is weighted equally.
- T*_i
- Ideal reference travel time for trial i (s).
- T_HRS,i
- HRS decision duration for trial i (s).
- E_i
- Localization error of trial i, as defined in 02 (m).
- d
- GMRF cell size, 0.5 m. Final estimates are cell centers, so this is the resolution of the estimate.
E_i/d is the error in GMRF cells: zero error (E_i = 0) keeps η_i, a one-cell error halves it, and a two-cell error leaves one third. No success threshold is applied. Per-trial values are averaged, rather than dividing the average reference time by the average decision time.
Supplementary measure: time to estimated source
T_arrival = t_arrival − t_switch
- t_arrival
- Robot’s arrival time at the final estimated source position under the stated navigation criterion (simulation s).
- t_switch
- HRS transition time (simulation s).
- T_arrival
- Elapsed time from HRS transition through decision and approach to arrival (s).
This supplementary measure evaluates physical approach. Report it with localization error; arrival at an estimated position does not establish arrival at the true source.
The next section compares M1–M6 by Score on 91 shared seeds, with localization error and decision time in the details. Decision time is measured to the decision event, separately from arrival.
BENCHMARK RESULTS
Evaluation results
Comparing how quickly and accurately M1–M6 found the gas source, using Score.
91 shared seeds · 546 runs · Only seeds on which all six methods finished normally are included; each method ran independently under the same source conditions.
- Top ScoreM6
Score 0.311
Score
A single number for how quickly and accurately the gas source was found. Finding it faster and with a smaller error raises the score.
T* is a reference value computed from a reconstructed shortest path from the first logged HRS plan position (v_max = 0.18 m/s).
Show detailed results by method
Source localization error
Mean distance between the estimated position and the source (reachable reference).
Search decision time
Elapsed simulation time from the transition to HRS to the final source-position decision.
Summary by method
| Method | Start rule | Search | Score | Decision time (s) Median [Q1–Q3] | Decision time (s) Mean ± SD | Mean error (m) | 0 m error rate |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| M6 | Weighted centroid | Spiral | 0.311 | 199.8 [162.4–250.9] | 209.9 ± 62.3 | 0.056 | 90.1% |
| M2 | Patrol max | Spiral | 0.277 | 248.1 [212.1–278.3] | 243.0 ± 58.3 | 0.022 | 95.6% |
| M4 | Estimated max | Spiral | 0.273 | 245.7 [204.6–281.1] | 241.2 ± 59.9 | 0.038 | 92.3% |
| M5 | Weighted centroid | Estimated-max cell | 0.267 | 225.0 [181.4–288.1] | 242.0 ± 83.5 | 0.064 | 89.0% |
| M1 | Patrol max | Estimated-max cell | 0.244 | 269.7 [236.3–315.3] | 279.9 ± 66.7 | 0.023 | 96.7% |
| M3 | Estimated max | Estimated-max cell | 0.239 | 269.0 [235.3–319.1] | 277.1 ± 61.1 | 0.051 | 93.4% |
Sorted by Score; bold values are the best in each column.
Data and selection criteria
Cohort: 91 seeds on which M1–M6 all finished with classification = normal. Excluded seeds (9): 103, 107, 114, 124, 138, 140, 145, 175, 182.
Supplementary: median time from the HRS transition to arrival at the estimated position is 207.8–280.2 s. LRS patrol time is excluded from all time metrics.
SAME ENVIRONMENT · DIFFERENT CASES
특수 케이스별 영상
클린룸의 여덟 가지 탐색 조건을 살펴봅니다. 장애물, LRS 초기 신호, HRS 시작 위치와 가스원 사이의 거리, 접근 불가능한 설비 내부와 벽 너머의 가스원 등 다양한 조건에서 탐색 과정을 보여줍니다.
8개 케이스 · 4배속 · 자동 반복 재생
개방된 구역에서 탐색
장애물 영향이 적은 클린룸 구역에서 HRS의 첫 목표 선택부터 최종 가스원 위치 결정까지 보여줍니다.
장애물 근처에서 탐색
설비로 접근 방향이 제한되는 상황에서 HRS의 우회 경로와 최종 가스원 위치 결정 과정을 보여줍니다.
약한 LRS 신호에서 탐색
LRS에서 낮지만 검출 가능한 농도를 측정한 뒤, HRS로 전환해 최종 가스원 위치를 결정하는 과정을 보여줍니다.
강한 LRS 신호에서 탐색
LRS에서 높은 농도를 측정한 뒤, HRS로 전환해 최종 가스원 위치를 결정하는 과정을 보여줍니다.
가까운 가스원 탐색
LRS에서 보통 수준의 농도를 측정하고, HRS 시작 위치에서 가스원까지의 이동 경로가 짧은 상황의 탐색과 최종 위치 결정을 보여줍니다.
먼 가스원 탐색
LRS에서 보통 수준의 농도를 측정하고, HRS 시작 위치에서 가스원까지의 이동 경로가 긴 상황의 탐색과 최종 위치 결정을 보여줍니다.
접근 불가능한 설비 내부의 가스원
로봇이 진입할 수 없는 설비 내부에 가스원이 있는 상황에서의 탐색 과정을 보여줍니다.
벽 너머의 가스원
로봇과 가스원 사이에 벽이 있는 상황에서의 탐색 과정을 보여줍니다.
시연 방법: M6 · 8개 케이스 공통
초록
클린룸과 같은 구조화된 실내 환경에서 유해가스 누출이 발생하면, 작업자의 접근을 최소화하면서 가스원에 신속히 도달해 제거하는 것이 중요하다. 반도체 전공정 팹과 같이 높은 청정도가 요구되는 클린룸은 천장에서 타공 바닥으로 공기가 흐르는 수직 단방향 기류 방식을 사용하며, 이 환경에서는 수평 방향 기류 성분이 거의 없어 가스원의 방향을 알려주는 풍향 단서를 얻을 수 없다.
이동 로봇 기반 가스원 위치 추정(GSL) 연구는 대부분 수평 기류가 만드는 플룸과 풍향 측정을 핵심 단서로 삼으며, 대표적인 벤치마크 역시 창고·주택·풍동 환경을 대상으로 한다. 우리가 아는 한 클린룸의 수직 단방향 기류 환경을 대상으로 한 GSL 평가는 보고되지 않았다. 또한 기존 연구는 사전 정보 없이 탐색을 시작하는 상황을 가정하고 위치 정확도나 농도 지도 작성에 초점을 두어, 평시 순찰로 얻은 제한적인 농도 정보를 활용해 가스원에 얼마나 빨리 도달하는가는 충분히 다뤄지지 않았다.
본 논문은 단일 가스원을 대상으로, 풍향 단서가 없는 환경에서 순찰 중 이상을 감지한 로봇이 최종 가스원 추정 위치를 결정하기까지의 과정을 평가하는 벤치마크를 제안한다. 장애물에서 떨어진 영역에서는 분포를 한쪽으로 치우치게 할 수평 기류가 없으므로, 센서 높이 수평 단면의 가스 농도를 등방성 가우시안으로 모델링한다. 로봇은 저해상도 순찰(LRS)로 사전에 정의된 지점의 농도를 측정하고, 이상 농도가 검출되면 고해상도 탐색(HRS)으로 전환하여 가우시안 마르코프 랜덤 필드(GMRF)로 농도를 추정하여 가스원을 찾는다. 평가는 탐색 전환부터 최종 가스원 추정 위치 결정까지의 시간과 위치 추정 오차로 한다. 방법 간 비교에는 이상적 이동시간을 HRS 위치 결정 시간으로 나눈 비율에 GMRF 셀 단위의 위치 오차를 반영해 시행별로 평균한 Score를 사용하며, HRS 위치 결정 시간, 위치 추정 오차, 최종 추정 위치까지의 도착 시간은 상세 지표로 제시한다.
ROS 2, Gazebo, Nav2 기반 시뮬레이션의 장애물 실내 환경에서 가스원의 위치, 세기, 분포 폭을 무작위로 생성하였다. 탐색 시작 위치 선정 방법 3가지(순찰 최고 농도 지점, 순찰 농도 가중 무게중심, 추정 평균 최대 셀)와 이후 탐색 전략 2가지(추정 평균 최대 셀 선택, 나선 탐색)를 조합한 6개 방법을, 시드를 고정한 동일 가스원 100개 중 6개 방법이 모두 정상 종료된 91개에 대해 비교하였다.
그 결과 순찰 농도 가중 무게중심에서 시작해 나선 탐색을 수행한 방법이 가장 높은 Score(0.311)를 보였고, 순찰 최고 농도 지점에서 시작한 나선 탐색(0.277)이 뒤를 이었다. 모든 시작 위치 규칙에서 나선 탐색은 추정 평균 최대 셀 선택보다 빠르게 가스원 위치를 결정했으며, 6개 방법 모두 평균 위치 추정 오차가 0.07 m 미만이었다.
전체 시스템 구성
한 번의 평가 시행: 순찰부터 최종 가스원 위치 결정까지.
LRS · 순찰 1회
각 순찰 지점에서 농도 측정·GMRF 갱신
이상 농도 감지 · 현재 순찰 완료
HRS · 집중 탐색
반복LRS에서 구축한 GMRF를 이어서 갱신합니다.
-
GMRF
농도 분포 추정·갱신
-
다음 측정 위치 선택
방법별 탐색 전략 적용
-
이동·농도 측정
목표 도착 후 정지 측정
새 측정값으로 GMRF 갱신
탐색 종료 조건 충족
최종 가스원 위치 결정
추정 좌표·결정 시각 기록
시행 종료
평가
시간 · 오차 · Score
OBSERVATION PROTOCOL
측정 방법
농도 관측값을 어디에서, 얼마 동안 수집하고 어떤 값으로 기록하는지 설명합니다.
- 01
측정 위치 정의
지도 좌표계의 로봇 중심을 수평면 측정 기준으로 사용합니다.
- 02
도착 후 정지·수집
목표 지점 도착 후 설정된 정지 측정 시간 동안 농도 샘플을 수집합니다.
- 03
평균·기록
농도 평균과 방문 위치·단계·시각·샘플 수를 함께 기록합니다.
외형과 구분한 중앙 측정 기준
외형상 흡입구는 로봇 중심에서 벗어나 있지만, 이 실험의 수평면 측정·기록 기준은 로봇 중심(base_link)으로 둡니다. 외형의 흡입구 위치 차이를 측정 좌표에 적용하지 않습니다.
가상 센서의 (x, y) 위치에서 정적 2차원 가우시안 농도장 값을 읽습니다. 농도는 0~1 범위의 상대값이며, 계산에는 높이 z를 사용하지 않습니다.
- 위치 기준
- 로봇 중심 · 지도 좌표계
- 기본 갱신 주파수
- 20 Hz
- LRS 정지 측정
- 방문당 1초
- HRS 정지 측정
- 방문당 2초
현재 모델·설정의 기본값이며 고정 규칙이 아닙니다. 실험별 설정과 실제 수신 샘플 수를 사용합니다.
ONE VISIT → ONE OBSERVATION
한 번의 방문을 하나의 관측값으로
정지 측정 구간에 수집한 농도 샘플의 산술평균을 관측 농도로 사용하고, 이 값으로 GMRF를 갱신합니다.
c̄_j = (1 / n_j) Σ c_j,k- j
- 측정 방문의 번호.
- c_j,k
- j번째 방문에서 받은 k번째 농도 샘플 (상대값, 0~1).
- n_j
- 해당 방문의 측정 구간 동안 실제 수신한 샘플 수.
- c̄_j
- 한 개 관측값으로 기록하는 평균 농도.
방문별 기록
측정 시작 시점의 위치 · 평균 농도 · 실제 샘플 수 · LRS/HRS 단계 · 측정 이벤트 시각. 기록 위치는 GMRF 셀에 대응시켜 농도 분포 갱신에 사용합니다.
FROM OBSERVATIONS TO PERFORMANCE
평가지표
위치 결정 시간과 위치 오차를 함께 비교하고, 이상적 이동 기준시간으로 위치 결정 시간의 비율을 나타냅니다.
01 / 시간 · s
위치 결정 시간
가스원이 어디인지 얼마나 빨리 결정했는가? 위치 오차와 함께 비교하며, 낮을수록 좋습니다.
T_HRS = t_decide − t_switch
- T_HRS
- HRS 위치 결정 소요 시간 (s).
- t_switch
- 로봇이 HRS로 전환한 시뮬레이션 시각 (s).
- t_decide
- 로봇이 최종 가스원 추정 좌표를 결정한 시뮬레이션 시각 (s).
모든 방법은 동일한 LRS 절차를 사용합니다. 주 시간 비교는 HRS 전환부터 최종 가스원 위치 결정까지로 한정합니다.
LRS 및 전체 시간 정의
T_LRS = t_switch − t_start; T_total = T_LRS + T_HRS
- t_start
- 순찰 시작 시각 (시뮬레이션 초).
- T_LRS
- 순찰 시작부터 HRS 전환까지의 시간. 전환 대기가 있다면 포함 (s).
- T_total
- 순찰 시작부터 최종 위치 결정까지의 시간 (s). 이후 접근 시간은 제외.
02 / 정확도 · m
위치 추정 오차
최종 추정 위치가 실제 가스원에 얼마나 가까운가? 낮을수록 좋습니다.
E = ‖p̂ − p_src‖₂ = √[(x̂ − x_src)² + (ŷ − y_src)²]
- E
- 직선거리로 계산한 위치 추정 오차 (m).
- p̂ = (x̂, ŷ)
- 지도 좌표계의 최종 가스원 추정 좌표 (m).
- p_src
- 평가 기준인 실제 가스원 좌표 (x_src, y_src), Ground Truth (m).
- ‖·‖₂
- 유클리드 노름. 두 위치 사이의 직선거리.
실제 가스원이 주행 불가능한 영역(설비 내부·벽·안전거리)에 있으면 로봇이 도달할 수 없으므로, 가장 가까운 도달 가능 지점을 p_src 대신 기준으로 사용합니다.
최종 추정 좌표를 결정하는 방법
j* = arg max c̄_j over HRS visits; p̂ = q(p_j*)
- M_HRS
- 유효한 HRS 측정 방문 번호의 집합.
- j*, c̄_j
- 평균 측정 농도가 최대인 방문 번호와 Measurement에서 정의한 평균 농도.
- p_j, q(·)
- 방문 시 기록 위치 (m). q는 그 위치를 대응하는 GMRF 셀 중심으로 변환합니다.
현재 브랜치는 HRS 평균 측정 농도가 가장 높았던 지점의 셀을 최종 위치로 확정합니다. 동점이면 먼저 기록된 측정을 유지합니다. GMRF 추정은 탐색에 활용되며, 최종 기록 좌표는 이 최대 측정값 규칙을 따릅니다.
03 / 기준시간 비율
위치 결정 시간 비율
이상적 이동시간을 기준으로 위치 결정 속도를 비교합니다. 위치 오차와 함께 평가합니다.
η = T* / T_HRS; T* = L* / v_max
- η
- 이상적 이동 기준시간을 위치 결정 시간으로 나눈 무차원 비율.
- T*
- 기준 최단경로를 설정 최고속도로 이동하는 이상적 시간 (s).
- L*
- HRS 전환 시점의 로봇 위치에서 실제 가스원까지의 최단 주행 경로 길이 (m).
- v_max
- 해당 실험에 사용하는 로봇에 설정된 최고속도 (m/s). 실험별 설정값을 사용합니다.
- T_HRS
- 앞에서 정의한 위치 결정 시간 (s). 비율 계산 시 양수여야 합니다.
T*는 평가를 위한 기준시간입니다. 로봇이 이상적 이동시간보다 먼저 가스원 위치를 결정하면 비율은 1을 넘을 수 있습니다. 위치 오차와 함께 해석합니다.
기준 경로의 조건
L*는 방법 간 동일한 지도와 주행 제약으로 계산합니다. T*에는 가감속·회전·정지 시간이 포함되지 않습니다. 실제 가스원이 도달 불가능한 위치라면, 비율을 계산하기 전에 도달 가능한 기준점을 별도로 정의해야 합니다.
04 / 오차 반영 시간 효율
Score
시행별 시간 비율에 그 시행의 위치 오차를 반영한 뒤 평균하여, 동일한 시행 집합에서 방법별 성능을 비교합니다. 높을수록 좋습니다.
Score = (1/N) Σ η_i / (1 + E_i/d) = (1/N) Σ (T*_i / T_HRS,i) · d / (d + E_i)
- N
- 방법별 비교에 포함하는 시행 수. 방법 간 동일한 시행 집합을 사용합니다.
- i
- 시행 번호. 1부터 N까지의 각 시행을 나타냅니다.
- η_i
- i번째 시행의 시간 비율. 모든 시행을 동일한 비중으로 평균합니다.
- T*_i
- i번째 시행의 이상적 이동 기준시간 (s).
- T_HRS,i
- i번째 시행의 HRS 위치 결정 소요 시간 (s).
- E_i
- i번째 시행의 위치 추정 오차 (m). 02에서 정의한 값입니다.
- d
- GMRF 셀 크기 0.5 m. 최종 추정 위치는 셀 중심이므로 추정의 분해능에 해당합니다.
E_i/d는 오차를 GMRF 셀 수로 나타낸 값입니다. 오차가 0이면 η_i를 그대로, 1셀 오차면 절반, 2셀 오차면 1/3을 반영합니다. 성공 임계값은 두지 않습니다. 평균 기준시간을 평균 결정 시간으로 나누지 않고, 시행별 값을 계산한 뒤 평균합니다.
보조 지표: 추정 위치 도착 시간
T_arrival = t_arrival − t_switch
- t_arrival
- 주행 도착 기준에 따라 로봇이 최종 추정 위치에 도착한 시각 (시뮬레이션 s).
- t_switch
- HRS 전환 시각 (시뮬레이션 s).
- T_arrival
- HRS 전환부터 위치 결정·접근을 거쳐 도착할 때까지의 시간 (s).
실제 접근 성능을 평가할 때 추가하는 보조 지표입니다. 추정 위치에 도착해도 실제 가스원에 도착한 것은 아닐 수 있으므로 위치 오차와 함께 제시합니다.
다음 결과에서는 공통 시드 91개에 대해 M1–M6를 Score로 비교하고, 위치 오차와 위치 결정 시간은 상세 결과에 제공합니다. 위치 결정 시간은 도착과 구분하여 위치 결정 이벤트를 기준으로 계산했습니다.
BENCHMARK RESULTS
평가 결과
M1–M6가 가스원 위치를 얼마나 빠르고 정확하게 찾았는지 Score로 비교합니다.
공통 시드 91개 · 546회 실행 · 6개 방법이 모두 정상 종료된 시드만 포함했으며, 각 방법은 같은 가스원 조건에서 독립적으로 실행했습니다.
- Score 1위M6
Score 0.311
Score
가스원 위치를 얼마나 빠르고 정확하게 찾았는지를 하나로 나타낸 점수입니다. 빨리 찾을수록, 오차가 작을수록 높아집니다.
T*는 로그의 첫 HRS 계획 위치에서 복원한 최단경로(v_max = 0.18 m/s)로 계산한 참고값입니다.
방법별 상세 결과 보기
가스원 위치 추정 오차
추정 위치와 가스원(도달 가능한 기준점) 사이 거리의 평균입니다.
가스원 위치 결정 시간
HRS 전환부터 최종 가스원 추정 위치 결정까지의 시뮬레이션 시간입니다.
방법별 결과 요약
| 방법 | 시작 위치 | 이후 탐색 | Score | 결정 시간 (s) 중앙값 [Q1–Q3] | 결정 시간 (s) 평균 ± 표준편차 | 평균 오차 (m) | 오차 0 m 비율 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| M6 | 농도 가중 무게중심 | 나선 탐색 | 0.311 | 199.8 [162.4–250.9] | 209.9 ± 62.3 | 0.056 | 90.1% |
| M2 | 순찰 최고 농도 | 나선 탐색 | 0.277 | 248.1 [212.1–278.3] | 243.0 ± 58.3 | 0.022 | 95.6% |
| M4 | 추정 평균 최대 | 나선 탐색 | 0.273 | 245.7 [204.6–281.1] | 241.2 ± 59.9 | 0.038 | 92.3% |
| M5 | 농도 가중 무게중심 | 추정 평균 최대 셀 | 0.267 | 225.0 [181.4–288.1] | 242.0 ± 83.5 | 0.064 | 89.0% |
| M1 | 순찰 최고 농도 | 추정 평균 최대 셀 | 0.244 | 269.7 [236.3–315.3] | 279.9 ± 66.7 | 0.023 | 96.7% |
| M3 | 추정 평균 최대 | 추정 평균 최대 셀 | 0.239 | 269.0 [235.3–319.1] | 277.1 ± 61.1 | 0.051 | 93.4% |
Score 순으로 정렬했으며, 굵은 값은 각 열에서 가장 좋은 결과입니다.
사용한 데이터 및 집계 기준
대상: M1–M6가 모두 정상 종료(classification = normal)된 시드 91개. 제외한 시드 9개: 103, 107, 114, 124, 138, 140, 145, 175, 182.
보조 지표: HRS 전환부터 추정 위치 도착까지의 시간 중앙값은 207.8–280.2 s입니다. LRS 순찰 시간은 모든 시간 지표에서 제외했습니다.