[发明专利]基于离散化与启发式进化算法的空间布局优化方法

权利要求书

1.一种基于离散化与启发式进化算法的空间布局优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：建立空间布局优化模型，具体包括：

步骤1-1：几何信息离散化处理：首先定义空间布局问题相关概念：其中定义1场地：指可供加工、堆放利用的空间资源，如分段堆场，组立加工平台；基于场地特征，对其作以下假定：①场地为二维矩形；②场地空间内部不存在不可占用区域，且能够被任意划分；一个长为L，宽为W的矩形场地，根据实际精度需求，用m×m大小的网格将场地离散化后，其初始空间资源占用信息可用的零矩阵SP来表示；

定义2布局件：指根据船舶建造模式、生产工艺以及船体特征分解所生成的中间产品，如船舶分段，对其假定如下：①其平面投影为任意二维图形，不仅限于凹凸多边形，也包括含弧线的不规则图形；②其投影包含加工、转移所需安全距离的部分空间；③由高度产生的约束不予考虑；④布局件能够以不同的角度放置到场地空间，为减少计算量，选取了4个具有代表性的角度：0°、90°、180°、270°、0°为其初始状态角度，其余角度在初始状态基础上旋转得到，在实际工程应用中，根据情况增加或减少旋转角度；

B＝{b₁，b₂，...b_i，...，b_n}为布局件集合，A_i为布局件b_i的投影面积，r_i为布局件b_i在场地中布置时相对于初始状态的旋转角度，取值如下：

使用与场地离散化同样大小的网格对布局件离散化，定义布局件所覆盖的网格对应的矩阵元素值为1，其余为0，可得布局件的几何形状信息矩阵G_i，由矩阵G_i计算得到布局件b_i的投影面积：

A_i＝sum(G_i＝1)

其中sum(G_i(：)＝1)表示矩阵G_i中元素值为1的值的总数；

将G_i左下角元素G_i(end，1)视为布局件b_i的定位基准，其在场地矩阵SP中的坐标(x_i，y_i)决定了布局件b_i的位置；

布局件b_i在场地中的信息表示如下：

假定三角形是以旋转角度为零的初始状态置于场地，则可知其几何形状信息矩阵为：

其定位基准在场地空间矩阵SP中的坐标为(3，6)，那么该布局件的位置方位信息为(3，6，0)，考虑场地中的所有布局件，整个场地空间资源占用的矩阵表示如下：

定义3可行放置区域：指场地内部未被占用且能够容纳布局件的区域，其面积和为UA，由于布局件尺寸较大，布局件之间的空隙很难被其他布局件利用，因此假定：布置完成后布局件之间的空隙均视为不可行放置区域，NUA为不可行放置区域面积和，UA和NUA满足以下条件：

布局前：

UA＝L×W，NUA＝0

布局完成后：

定义4空间利用率，指所有布局件布置完成后，除去可行放置区域，场地的空间覆盖率；

空间利用率SUR：

步骤1-2：建立空间布局模型，具体包括以下内容：

(1)已知条件：场地长度L、宽度W，离散精度m，所有布局件b_i的几何形状矩阵G_i；

(2)设计变量：布局件的旋转角度r_i，定位基准坐标x_i，y_i；

(3)优化目标：最终所得的布局方案，要能够使场地空间资源得到合理的利用，即：得到空间利用率高或剩余可用空间大的布局结果，因此将最小化不可形放置区域面积作为目标进行优化求解，即：

(4)约束条件：

约束1：边界约束，布局件必须处于场地内部，不可越过场地边界；即场地外部空间被占用面积：BA＝0；

约束2：重叠悬挂约束；场地同一部分空间资源不能被两个个体同时占用，当前布置对象不可悬挂于另一对象上方，相互之间不可重叠，即场地内部被重复占用的空间面积：OA＝0；约束3：旋转角度约束；布局件在场地内部的旋转角度仅从0°，90°，180°，270°中选择；步骤2：启发式进化求解算法，具体包括：

步骤2-1：生成满足出界约束的初始种群，种群中每条染色体个体表示一种可能的布局方案；置最优值保持代数gen0＝0，进化代数gen＝0；

步骤2-2：计算个体适应度值；

步骤2-3：运用遗传算子对种群进行选择、交叉、变异操作得到新的种群；

步骤2-4：遍历新种群染色体，判断是否满足重叠出界约束，即S-RS是否为零，如果为零则对该染色体进行启发式移动操作，更新种群，否则跳过该操作；

步骤2-5：计算本次进化种群个体适应度值，用上次进化适应度值最大的个体代替本次最差的个体，记录最优值，gen＝gen+1；

步骤2-6：判断当前最优值是否与上次最优值一致，若一致则 最优值保持代数加一即：gen0＝gen0+1，不一致则更新最优值并将gen0归零；

步骤2-7：判断最优值保持代数gen0是否达到最少保持代数，如果达到则进化结束，否则返回第2-2步，进化继续。