CN111222799A - 一种基于改进粒子群算法的装配序列规划方法 - Google Patents

一种基于改进粒子群算法的装配序列规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改进粒子群算法的装配序列规划方法，本方法考虑装配问题求解过程中，粒子群算法容易陷入局部优化，出现多个优化解，但实际可行优化解效率较低，因此，根据迭代过程中全局最优值的实际更新情况，改进标准粒子群算法中的w参数，以前后两次的全局最优最优值的变化与否为基础，通过对w参数的自适应调整，提高算法的收敛精度和全局搜索能力。将传统标准的w固定模式改进为在考虑全局最优值的变化情况下，以迭代次数为变量的非连续性变化的可调节参数模式，可以有效提高粒子群算法的收敛准确性和全局搜索能力，较好地解决在装配序列规划问题中出现的可行解效率较低的问题。

Description

一种基于改进粒子群算法的装配序列规划方法
技术领域
本发明涉及一种装配序列规划方法，基于标准粒子群算法的优化原理，通过对原有粒子群算法进行重新定义与改进，适用于装配体序列规划等多目标优化问题。
背景技术
装配序列规划严重影响着产品生产的实际效率和经济成本，是数字化装配过程中重要环节之一，目前，国内外的学者对其进行了大量研究，随着群体智能的广泛应用，遗传算法，蛙跳算法，蚁群算法、模因算法、粒子群算法等都成功应用在该领域，但是由于装配问题优化属于离散型问题，在求解前期，需要大量的算法调试工作，例如在遗传算法中的选择因子、交叉因子、变异因子、操作指数等，蚁群算法中的信息素参数等，因此，借助粒子群算法的优势，考虑对粒子群算法进行改进，用来求解装配序列规划问题。
发明内容
现有的装配序列规划方法主要分为两大类：精确计算方法和启发式方法.精确计算方法如树搜索或图搜索方法等。采用割集算法，能确保全局最优解的产生，然而对零件数目较多的复杂产品，将会出现装配序列组合爆炸问题，使该方法求解难度增大，很难得到理想结果。因此，结合粒子群算法具有编程结构简单、调制参数较少、收敛速度较快等优势，将粒子群算法应用在装配序列规划问题上，考虑粒子群算法在迭代过程中容易出现局部最优等现象，对标准粒子群算法进行改进，避免陷入局部最优结果，提高算法优化结果。由于装配求解问题是离散型整数求解问题，因此对粒子群算法中的位置、速度以及适应度函数等进行重新定义。
一种基于改进粒子群算法的装配序列规划方法，该方法的实现过程如下：
1)利用三维软件绘制装配体的三维模型图，得到三维实体模型。
2)结合等计算机语言对相应三维设计软件进行二次开发，根据三维软件绘制的实体模型，得到装配体零部件之间的装配关系矩阵。
3)以得到的装配关系矩阵为评价标准，设计装配序列优化的适应度函数f。
4)每一个粒子的空间位置代表装配优化的一个解，设置粒子群数目为m,即在算法优化装配问题时有m个空间解在同时进行优化，设置最大迭代次数K，学习因子c1,c2，c3以及粒子的搜索空间，即装配体的零件数目d。
5)考虑到装配序列优化问题的优化解为离散型的整数，即对粒子的位置与速度进行重新定义，对d个零件位置、速度进行随机序排序设置，保证每个粒子的空间位置是包含所有零部件序号但又随机分布的向量。
6)计算每个粒子的评价函数值，设置当前粒子位置为历史最优位置pi，即m个装配序列的潜在优化解，带入评价函数f，得到每个粒子历史最优适应度值fi，即每个粒子的装配序列优化解对应的评价函数值大小；通过比较不同粒子之间fi的大小，更新种群最优适应度值fg，其中fg对应的粒子空间位置即当前装配序列的最优解。
7)在粒子群迭代过程中，根据当前全局最优值的变化与否，对当前全局最优值进行上下浮动并调整当前惯性权重的大小。
8)根据速度公式和位置公式，更新对各粒子的位置和速度以及粒子个体最优值fi和全局最优值fg。
9)判断粒子迭代次数是否达到最大迭代次数，若没达到，转步骤6。
10)输出最优结果fg，以及全局最优值fg对应的粒子空间位置，得到最终装配序列优化结果，算法优化结束。
11)步骤7的具体自定义为：
Figure BDA0002364204100000021
Figure BDA0002364204100000022
Figure BDA0002364204100000023
Figure BDA0002364204100000024
其中，Δ为全局最优值的浮动变量，t为当前迭代次数，T为设置的最大迭代次数，
Figure BDA0002364204100000025
为当前粒子群的全局最优值，
Figure BDA0002364204100000026
是上一次粒子群的全局最优值，rand为0到1之间的随机值，ω为粒子群在不断迭代过程中的惯性权重，ω1为设置的固定权重，ωt为根据全局最优值变化情况，以迭代次数不断变化的动态调整惯性权重，ω0是ωt的最大值。
装配序列规划问题是多维的，离散型的，因此，在得到可行的优化解之前，需要做大量的调整工作，例如修改参数大小，调整迭代次数等，并不能确保每一次的优化解为可行解，求解效率较低，因此，针对粒子群算法在求解装配问题时的迭代情况，对全局最优值进行数值上的上下浮动与惯性权重进行的调整，尽可能保障了迭代过程中全局最优值的实时变化，防止了算法过程中出现的局部优化问题，可有效地避免了操作人员在进行优化求解时的重复操作，提高实际可行解的求解效率。
附图说明
图1改进后粒子群算法流程图
具体实施方式
以下结合附图，及实施例对本发明的具体方法进行说明
本发明方法主要是考虑装配问题求解过程中，粒子群算法容易陷入局部优化，出现多个优化解，但实际可行优化解效率较低，因此，根据迭代过程中全局最优值的实际更新情况，改进标准粒子群算法中的w参数，以前后两次的全局最优最优值的变化与否为基础，通过对w参数的自适应调整，提高算法的收敛精度和全局搜索能力。以往的参数可调节函数是呈连续变化的趋势，或者在未考虑实际迭代过程的情况下，呈非线性变化的趋势。本文的主要思想是将传统标准的w固定模式改进为在考虑全局最优值的变化情况下，以迭代次数为变量的非连续性变化的可调节参数模式，可以有效提高粒子群算法的收敛准确性和全局搜索能力，较好地解决在装配序列规划问题中出现的可行解效率较低的问题。结合图1，具体的实施步骤如下：
1)根据零部件的二维装配体设计图，利用三维软件NX、ProE等绘制装配体的三维图。
2)结合Visual Studio或C语言等计算机语言对相应三维设计软件进行二次开发，得到装配体零部件之间的支撑矩阵、连接矩阵、干涉矩阵。
3)以支撑矩阵，连接矩阵，干涉矩阵为评价标准，设计装配序列优化的适应度函数f。
4)假设装配体内有d个零部件，在d维搜索空间内，存在m个粒子，第i个粒子的速度和位置可分别表示为
Figure BDA0002364204100000041
的d维向量，
Figure BDA0002364204100000042
的d维向量，其中，每个粒子的位置对应为一组优化解。
5)计算每个粒子自身适应度值，设置当前粒子位置为历史最优位置pi，得到自身历史最优适应度值fi，所有粒子中的最优值对应的位置为种群最优位置pg，得到种群最优适应度值fg。
6)在粒子群迭代过程中，判断当前全局最优值相对之前全局最优值是否有数值大小上的变动，若有变化则对当前全局最优值进行随机的上下浮动，并对惯性权重进行上下浮动。
7)在粒子群迭代过程中，判断当前全局最优值相对之前全局最优值是否有数值大小上的变动，若有变化则对当前全局最优值进行随机的上下浮动，并对惯性权重进行上下浮动。
全局最优值
Figure BDA0002364204100000043
惯性权重
Figure BDA0002364204100000044
8)根据速度方程
vi+1(k+1)＝w*vi(k)+c1*(pbesti-xi(k))+c2*(gbest-xi(k))更新各粒子的速度，位置方程xi(k+1)＝xi(k)+vi(k+1)更新各粒子的位置
9)判断各粒子的位置和速度是否达到边界状态，若超出边界状态，则以边界大小代替粒子的位置或速度。
10)判断粒子迭代次数是否达到最大迭代次数，若没达到，转步骤5。
11)输出最优结果fg，以及全局最优值fg对应的粒子空间位置，得到最终装配序列优化结果，算法优化结束。

Claims (2)

1.一种基于改进粒子群算法的装配序列规划方法，其特征在于：该方法的实现过程如下：
1)利用三维软件绘制装配体的三维模型图，得到三维实体模型；
2)结合等计算机语言对相应三维设计软件进行二次开发，根据三维软件绘制的实体模型，得到装配体零部件之间的装配关系矩阵；
3)以得到的装配关系矩阵为评价标准，设计装配序列优化的适应度函数f；
4)每一个粒子的空间位置代表装配优化的一个解，设置粒子群数目为m,即在算法优化装配问题时有m个空间解在同时进行优化，设置最大迭代次数K，学习因子c1,c2，c3以及粒子的搜索空间，即装配体的零件数目d；
5)考虑到装配序列优化问题的优化解为离散型的整数，即对粒子的位置与速度进行重新定义，对d个零件位置、速度进行随机序排序设置，保证每个粒子的空间位置是包含所有零部件序号但又随机分布的向量；
6)计算每个粒子的评价函数值，设置当前粒子位置为历史最优位置pi，即m个装配序列的潜在优化解，带入评价函数f，得到每个粒子历史最优适应度值fi，即每个粒子的装配序列优化解对应的评价函数值大小；通过比较不同粒子之间fi的大小，更新种群最优适应度值fg，其中fg对应的粒子空间位置即当前装配序列的最优解；
7)在粒子群迭代过程中，根据当前全局最优值的变化与否，对当前全局最优值进行上下浮动并调整当前惯性权重的大小；
8)根据速度公式和位置公式，更新对各粒子的位置和速度以及粒子个体最优值fi和全局最优值fg；
9)判断粒子迭代次数是否达到最大迭代次数，若没达到，转步骤6；
10)输出最优结果fg，以及全局最优值fg对应的粒子空间位置，得到最终装配序列优化结果，算法优化结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进粒子群算法的装配序列规划方法，其特征在于：步骤7的具体自定义为：
Figure FDA0002364204090000011
Figure FDA0002364204090000021
Figure FDA0002364204090000022
Figure FDA0002364204090000023
其中，Δ为全局最优值的浮动变量，t为当前迭代次数，T为设置的最大迭代次数，
Figure FDA0002364204090000024
为当前粒子群的全局最优值，
Figure FDA0002364204090000025
是上一次粒子群的全局最优值，rand为0到1之间的随机值，ω为粒子群在不断迭代过程中的惯性权重，ω1为设置的固定权重，ωt为根据全局最优值变化情况，以迭代次数不断变化的动态调整惯性权重，ω0是ωt的最大值。
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