CN110796298A - 基于化学反应优化算法的不规则货包三维物资装载方法 - Google Patents

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钟敏
张波
陈华
尹羿
姚天问
李皓伟
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Abstract

本发明公开了一种基于化学反应优化算法的不规则货包三维物资装载方法，包括：构建分子和分子群；计算初始势能PEk和初始动能KEk；若单个分子发生双分子的元反应，则与随机选择的另一个分子，随机选择两个分子碰撞反应方式，记录分子中的最低势能及拥有最低势能的分子，判断最低势能是否满足要求；若单分子发生单分子的元反应，随机选择单个分子反应方式，记录分子中的最低势能及拥有最低势能的分子，判断最低势能是否满足要求，若不满足返回计算初始动能和势能；否则，最优物资装载方案。本发明在装载布局方案的优化效果上比传统人工装载方式有大幅提升，比原有的遗传算法方式有小幅提升，但算法执行速度快很多。

Description

基于化学反应优化算法的不规则货包三维物资装载方法
技术领域
本发明涉及物资装载技术领域，具体的说，是一种基于化学反应优化算法的不规则货包三维物资装载方法。
背景技术
三维物资装载问题是指在一定的装载约束条件下，在三维容器(货包或集装箱)中排布货物，排布完成后使整体装载方案能够达到指定的指标要求(如总装载物资质量最大、总装载物资对容器的内部空间利用率最大等)。由于在太空运输工程中，因其运输器的外形设计限制，采用的物资装载容器往往会是一些非矩形的不规则空间容器，如本文涉及到的楔形装载空间货包。而在太空运输的工程需求中，由于运输成本很高，因此对货包的空间利用率要求就很高，本发明提供一种物资装载优化方法，减少货包装载空间浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于化学反应优化算法的不规则货包三维物资装载方法，用于解决现有技术中太空运输工程需求中对货包的空间利用率不足的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种基于化学反应优化算法的不规则货包三维物资装载方法，包括：
步骤1：随机选取M个待装载货物，所述待装载货物为不同规格的矩形货物，构成一个分子；多次重复步骤1，形成初始分子群；
将一个矩形货物作为一个原子，矩形货物的长宽高即为原子的属性；
将一个物资装载方案作为分子结构；分子包含的原子个数即为一个装载方案会用到的待装载货物，分子结构为原子的排列顺序，即货物装载的先后顺序也即为货物的装载方案；将货物装载进楔形容器需要满足基本约束条件为：
1)容器外形约束：即所有货物都应该包含在楔形容器外边界以内；
2)稳定性约束：楔形容器内的货物不能存在悬空；
3)货物方向约束：矩形货物按照摆放的方向不同，可视为3种不同货物；
物资装载的优化目标为最大化楔形的货包容积率，即：
Figure BDA0002243174750000021
其中，li、wi、hi表示第i类矩形货物的长宽高，Ni表示的第i类矩形货物的数量，k表示矩形货物的种类，V表示容器的容积，Vp表示容积率，用c表示一种装载方案，则目标函数f(c)描述为：
Figure BDA0002243174750000022
步骤2：计算每一个分子的初始势能PE1、PE2、…、PEk，计算公式为：
PEk＝f(Qk)
Figure BDA0002243174750000023
其中，其中li、wi、hi表示第i类矩形货物的长宽高，Ni表示的第i类矩形货物的数量，k表示矩形货物的种类，V表示容器的容积，M为常数；
目标函数计算方法：
设容器总体积为V0，剩余空间列表为ContainerList，原子总数为M的分子Mole，则目标函数计算方法伪代码为：
Figure BDA0002243174750000024
Figure BDA0002243174750000031
其中：checkContainerExit函数表示查询剩余空间列表中是否存在能够放置当前原子的空间，查询返回的结果为能够放置当前原子的空间在空间列表ContainerList的位置，若空间列表中所有剩余空间都无法放置当前原子，则返回0。TotalV(Mole,N)表示计算分子Mole中原子顺序从1到N的原子体积总和。
计算每一个分子的初始动能KE1、KE2、…、KEk；标准的化学反应优化算法中设定分子初始动能KE为一个大值常数，但是我们知道分子具备的动能越大，其发生化学反应的稳定过程就会越长，即优化算法的收敛速度越慢。但初始动能设定过小，又容易陷入局部最优，无法继续寻找全局最优，导致优化效果不理想，因此，本方案中将分子初始动能设定为：
KEk＝a*Max(PE1,PE2,…,PEk)，其中a为初始动能系数；综合考虑收敛速度和全局优化效果。
步骤3：随机选择单个分子发生的元反应，若该分子发生双分子的元反应，则与随机选择的另一个分子一起进入步骤4；若该分子发生单分子的元反应，则进入步骤5；
步骤4：随机选择两个分子碰撞反应方式，所述两个分子碰撞反应方式为双分子碰撞反应或双分子合成反应，记录本步骤中所有涉及分子中的最低势能及拥有最低势能的分子，然后进入步骤6；
步骤5：随机选择单个分子反应方式，所述单个分子反应方式为单分子墙体碰撞反应或单分子分解反应，记录本步骤中所有涉及分子中的最低势能及拥有最低势能的分子，然后进入步骤6；
步骤6：判断记录的最低势能是否满足设定的优化要求，若不满足，回到步骤2；若满足进入步骤7；
步骤7：获得符合要求的最优物资装载方案。
进一步地，所述单分子墙体碰撞反应具体为：
随机选取单个方案进行处理，随机将该方案中的两个原子位置顺序交换，或者随机将某一个原子的长宽高值互换，即改变某一个货物的摆放方向；
所述单分子分解反应具体为：
随机选取单个方案进行处理，随机选择该方案中的一个原子位置，以该位置为准将方案分解成前段和后段且该位置处于前段，再分别对前段和后段的剩余结构的位置随机排序，从而形成两个新的方案；
所述双分子碰撞反应具体为：
随机选取两个方案进行处理，随机选择两个方案的一个或几个位置上的原子进行交换；
所述双分子合成反应具体为：
选取两个方案进行处理，随机选择两个方案的同一个位置，以该位置为准将本方案分解成前段和后段且该位置处于前段，选取一个方案的前段和另一个方案的后段，组合成新的方案，舍弃两个方案的剩余结构。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明对比包括了传统人工装载方式、采用原有的遗传算法的方式与采用本专利用的算法的方式生成的装载布局效果，从结果可以看出，本专利采用的算法在装载布局方案的优化效果上比传统人工装载方式有大幅提升，比原有的遗传算法方式有小幅提升，但算法执行速度快很多。
附图说明
图1为本发明的楔形容器结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
一种基于化学反应优化算法的不规则货包三维物资装载方法，应用于截面为楔形的货包，其空间结构示意图如图1所示，将一矩形货物靠底靠边放置在楔形货包底面左下角，使矩形货物的三面分别与楔形货包的三面重合，则根据矩形货物剩余的前向面和右向面的延伸面，可以将楔形货包空间分为四个剩余空间，矩形货物正上方为上空间Vup，该空间为矩形空间；前向面对应剩余空间为前空间Vforward，该空间为梯形空间或三角形空间；右向面对应剩余空间为右空间Vright，该空间为梯形空间或三角形空间；与货物不相邻的剩余空间为可扩展空间Vspan，通常仍为楔形空间。根据上述空间划分可知，楔形容器的空间划分存在两个极值点，当矩形货物的前向面过楔形货包钝角顶点，且右向面未过另一直角顶点时，前空间为三角形空间，而右空间为梯形空间，可扩展空间为仍为楔形空间；当矩形货物的前向面过楔形货包钝角顶点，且右向面过另一直角顶点时，则前空间为三角形空间、右空间也为三角形空间，而可扩展空间则不存在。
待装载的货物为多种体形(具有不同长宽高)的矩形货物；将货物装载进楔形容器需要满足基本约束条件为：
1)容器外形约束：即所有货物都应该包含在楔形容器外边界以内；
2)稳定性约束：楔形容器内的货物不能存在悬空；
3)货物方向约束：矩形货物按照摆放的方向不同，可视为3种不同货物。
物资装载的优化目标为最大化楔形的货包容积率，即：
Figure BDA0002243174750000061
其中li、wi、hi表示第i类矩形货物的长宽高，Ni表示的第i类矩形货物的数量，k表示矩形货物的种类，V表示容器的容积，Vp表示容积率。因此，在本专利采用的优化算法中，用c表示一种装载方案，则目标函数f(c)可描述为：
Figure BDA0002243174750000062
基于化学反应优化算法思想，根据楔形容器的特点对算法进行特殊化实现，从而得到较好的楔形容器物资装载优化方法，具体如下：
将一个矩形货物作为一个原子，矩形货物的长宽高即为原子的属性；
将一个物资装载方案作为分子结构；分子包含的原子个数即为一个装载方案会用到的待装载货物，在此方法中取为一个固定的适当大的常数M(该常数根据货包大小及待装载货物尺寸进行选取)；分子的结构为原子的排列顺序，即货物装载的先后顺序即为货物的装载方案。
PEk表示当前分子结构Qk的目标函数值，即PEk＝f(Qk)。由于M取值较大(通常满足货物的总体积大于容器容积)，因此，当前分子结构的势能只需计算当前分子中所有能包含在楔形容器内的原子，因此：
目标函数计算方法如下：
设容器总体积为V0，剩余空间列表为ContainerList，原子总数为M的分子Mole，则目标函数计算方法伪代码为：
Figure BDA0002243174750000072
Figure BDA0002243174750000081
其中：checkContainerExit函数表示查询剩余空间列表中是否存在能够放置当前原子的空间，查询返回的结果为能够放置当前原子的空间在空间列表ContainerList的位置，若空间列表中所有剩余空间都无法放置当前原子，则返回0。TotalV(Mole,N)表示计算分子Mole中原子顺序从1到N的原子体积总和。
标准的化学反应优化算法中设定分子初始动能KE为一个大值常数，但是我们知道分子具备的动能越大，其发生化学反应的稳定过程就会越长，即优化算法的收敛速度越慢。但初始动能设定过小，又容易陷入局部最优，无法继续寻找全局最优，导致优化效果不理想。本专利将算法的分子初始动能设定为：
KEk＝a*Max(PE1,PE2,…,PEk) (4)
其中，a为初始动能系数。
化学反应优化算法的元反应是指方案搜索过程中对方案的处理方式，本发明涉及的元反应包括：单分子墙体碰撞反应、单分子分解反应、双分子碰撞反应、双分子合成反应。
单分子墙体碰撞反应：随机选取单个方案进行处理，随机将方案中的两个原子位置顺序交换，或者随机将某一个原子的长宽高值互换(即改变某一个货物的摆放方向)；
单分子分解反应：随机选取单个方案进行处理，随机选择方案中的一个原子位置，以该位置为准将方案分解成前后两段(该位置处于前段)，由于这两段分开后都不是完整的方案，还需要对分别对两段的剩余结构的位置随机排序，从而形成两个新的方案；
双分子碰撞反应：随机选取两个方案进行处理，随机选择两个方案的一个或几个位置上的原子进行交换；
双分子合成反应：选取两个方案进行处理，随机选择两个方案的同一个位置，以该位置为准将本方案分解成前后两段(该位置处于前段)，选取一个方案的前段和另一个方案的后段(剩余的舍弃)，组合成新的方案。
三维物资装载方法具体为：
步骤1：随机选取M个待装载货物，所述待装载货物为不同规格的矩形货物，构成一个分子；多次重复步骤1，形成初始分子群；
步骤2：计算每一个分子的初始势能PE1、PE2、…、PEk，计算公式如公式(3)；
采用公式(4)计算每一个分子的初始动能KE1、KE2、…、KEk；综合考虑收敛速度和全局优化效果。
步骤3：随机选择单个分子发生的元反应，若该分子发生双分子的元反应，则与随机选择的另一个分子一起进入步骤4；若该分子发生单分子的元反应，则进入步骤5；
步骤4：随机选择两个分子碰撞反应方式，所述两个分子碰撞反应方式为双分子碰撞反应或双分子合成反应，记录本步骤中所有涉及分子中的最低势能及拥有最低势能的分子，然后进入步骤6；
步骤5：随机选择单个分子反应方式，所述单个分子反应方式为单分子墙体碰撞反应或单分子分解反应，记录本步骤中所有涉及分子中的最低势能及拥有最低势能的分子，然后进入步骤6；
步骤6：判断记录的最低势能是否满足设定的优化要求，若不满足，回到步骤2；若满足进入步骤7；
步骤7：获得符合要求的最优物资装载方案。
实验采用的数据中共有60种货物，每种10件，共600个货物。货物均为长方体，同一种货物的边长均相同，不同种类的货物的边长随机设置。设置货包数量为30个，实验结果如表1。
Figure BDA0002243174750000101
表1三种装载方式的实验结果对比
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (2)

1.一种基于化学反应优化算法的不规则货包三维物资装载方法，其特征在于，包括：
步骤1：随机选取M个待装载货物，所述待装载货物为不同规格的矩形货物，构成一个分子，多次重复步骤1，形成初始分子群；
步骤2：计算每一个分子的初始势能PE1、PE2、…、PEk，计算公式为：
PEk＝f(Qk)
Figure FDA0002243174740000011
其中，其中li、wi、hi表示第i类矩形货物的长宽高，Ni表示的第i类矩形货物的数量，k表示矩形货物的种类，V表示容器的容积，M为常数；
计算每一个分子的初始动能KE1、KE2、…、KEk：
KEk＝a*Max(PE1,PE2,…,PEk)
其中a为初始动能系数；
步骤3：随机选择单个分子发生的元反应，若该分子发生双分子的元反应，则与随机选择的另一个分子一起进入步骤4；若该分子发生单分子的元反应，则进入步骤5；
步骤4：随机选择两个分子碰撞反应方式，所述两个分子碰撞反应方式为双分子碰撞反应或双分子合成反应，记录本步骤中所有涉及分子中的最低势能及拥有最低势能的分子，然后进入步骤6；
步骤5：随机选择单个分子反应方式，所述单个分子反应方式为单分子墙体碰撞反应或单分子分解反应，记录本步骤中所有涉及分子中的最低势能及拥有最低势能的分子，然后进入步骤6；
步骤6：判断记录的最低势能是否满足设定的优化要求，若不满足，回到步骤2；若满足进入步骤7；
步骤7：获得符合要求的最优物资装载方案。
2.根据权利要求1所述的基于化学反应优化算法的不规则货包三维物资装载方法，其特征在于，所述单分子墙体碰撞反应具体为：
随机选取单个方案进行处理，随机将该方案中的两个原子位置顺序交换，或者随机将某一个原子的长宽高值互换，即改变某一个货物的摆放方向；
所述单分子分解反应具体为：
随机选取单个方案进行处理，随机选择该方案中的一个原子位置，以该位置为准将方案分解成前段和后段且该位置处于前段，再分别对前段和后段的剩余结构的位置随机排序，从而形成两个新的方案；
所述双分子碰撞反应具体为：
随机选取两个方案进行处理，随机选择两个方案的一个或几个位置上的原子进行交换；
所述双分子合成反应具体为：
选取两个方案进行处理，随机选择两个方案的同一个位置，以该位置为准将本方案分解成前段和后段且该位置处于前段，选取一个方案的前段和另一个方案的后段，组合成新的方案，舍弃两个方案的剩余结构；
所述原子指矩形货物。
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