[发明专利]一种基于动态参考点的NSGAⅢ的路径规划方法

摘要

本发明提供一种基于动态参考点的NSGAⅢ的路径规划方法，属于信息技术领域。本发明根据当前解的分布情况和优化现状，将多目标优化方法NSGAⅢ中的参考点动态处理，使其解向更有利于现实情况的方向优化，首先对路径数据进行预处理，得到需进行路径规划的所有的点的信息——包括点的坐标和该点在不同的点检次序中的不同的紧急程度；对预处理得到的点的信息，使用基于动态参考点的NSGAⅢ多目标优化方法进行优化，从而得到最佳优化结果。这种优化方法可更好地规划巡检路径，辅助现场操作人员对工厂内部机器进行巡检，提升巡检效率。

主权项

1.一种基于动态参考点的NSGAⅢ的路径规划方法，其特征在于，步骤如下：步骤一：数据选取与预处理从工业现场的设备预警信息数据库中读取设备的位置信息和对应的紧急程度信息，对数据进行预处理，并选取待巡检设备信息作为输入；步骤二：建立数学模型针对路径长度和紧急度两个目标建立数学模型；a.目标函数其中，f₁表示该路线的路径长度，用路径点的集合中相邻两巡检点的距离依次加和得到；f₂表示该路线所花费的紧急度参数；当以不同的次序经过不同的巡检点时会有不同的紧急度；总的紧急度为经过每一巡检点的紧急度加和；b.约束条件式中：其中，N为巡检点的数目，i，j表示巡检点的编号，i＝0,j＝0时，表示工厂入口；k表示工人的编号；G表示工人的个数；t_ij为巡检点为i和j之间的行走时间，通过速度与距离计算；S_ij表示巡检点的紧急度权值；X_ij表示从巡检点i至巡检点j的路径长度；X_ijk工人k是否从巡检点i至巡检点j这条路线，当经过该路径则X_ijk为1，否则为0；y_ik表示工人k是否经过巡检点j，当经过则y_jk为1，不经过则为0，y_ik表示工人k是否经过巡检点i，当经过则y_ik为1，不经过则y_ik为0；公式(2‑2)表示每一个巡检点有且仅有一名工人；公式(2‑3)表示出入某巡检点的工人数量守恒；公式(2‑4)(2‑5)表示一个工人被指派到某一巡检路径，则一定存在一条返回工厂入口的路线；步骤三：采用基于动态参考点的NSGAⅢ多目标优化方法对优化模型进行求解，得到路径优化的Pareto解集；(3.1)初始化规模为N的种群，记为A；用遗传算子，即选择、重组、变异，对种群A进行操作；得到另一个规模同样为N的种群B；将种群A，B混合以后，进行非支配排序，得到U_i，i＝1,2,3…，个非支配层，把非支配层级中的个体按照非支配排序的顺序依次加入到下一代子代集合C中，当C的规模大于N时，记此时的非支配层级为J，从J层中挑选K个个体，加入C中，使得C的规模为N；(3.2)目标归一化：首先计算M个目标函数中每一个目标维度m上的最小值，即遍历取到Min，得到第i个目标上对应的最小数值为Z_i，此Z_i的集合即为NSGA‑III算法中提到的理想点集合；(3.3)计算理想点：求解种群C中所有目标函数的最小值即为然后把所有个体的目标值减去理想点，标量化公式如下所示：其中，f_i'(x)表示平移后的目标值点；f_i(x)表示平移前的目标值点；(3.4)计算极值点：每个维度的目标函数为：式中，其中r表示第r维度目标函数；遍历每个维度的目标函数，找到ASF数值最小的个体，即极值点，极值点和理想点的连线组成一个超平面或一条直线，这个面或直线与坐标轴的交点即最终要求解的截距，求得截距并按如下公式进行归一化运算：其中，f_iⁿ表示归一化运算之后的目标点值；a_i表示超平面或者直线与第i维坐标轴的交点，即截距；(3.5)将步骤(3.4)中得到一个的超平面或一条直线等分，等分点即为参考点；参考点的个数由下面的公式算出：其中，H为参考点个数，P为等分数，M为目标个数；(3.6)动态参考点的建立超平面的中间点坐标为D,则点D与超平面的顶点连线将超平面均分为M部分，每一部分记为S_i；记包括边界的每一部分的参考点总的被引用次数为L_i；设在连续0.2N次进化中被引用0.15N次以上参考点为活跃参考点，设在连续0.2N次进化中被引用0.05N次或以下的参考点为非活跃参考点；其中，L_i为第i个区域中参考点被引用的总数，n为每个区域中的参考点总数，记k_i为第i个区域中的非活跃参考点个数，每0.2N次进化就会有P个L_i并且对应的区域有k_i个被标记的非活跃参考点，i∈(1，P)；当第j个区域参考点被引用的次数最少，则将区域L_j中被标记的非活跃参考点k_j全部剔除，j∈(1，P)，并在参考点被引用次数最多的区域中随机分布增加k_j个参考点；(3.7)参考点与理想点连线构建参考向量，对每一个种群个体遍历所有向量，同时记录下参考点的信息和对应的最短距离；其中，种群个体到参考点向量的距离将用垂直距离来描述；步骤四：根据多个目标的相对权重，对巡检路径进行选择针对基于动态参考点的NSGAⅢ多目标优化方法得到的路径优化的Pareto解集进行选择，描绘出每个解的路径，并给出每条路径的长度和紧急状况信息，由工人根据现场当时的情况是侧重于路径长度或者侧重于紧急程度，然后来选择路径长度和紧急状况都符合要求的解。