吉林大学学报(工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (6): 2069-2075.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20180674

• • 上一篇    下一篇

考虑工具和空间约束的机器人装配线平衡优化

周炳海(),吴琼   

  1. 同济大学 机械与能源工程学院, 上海 201804
  • 收稿日期:2018-06-25 出版日期:2019-11-01 发布日期:2019-11-08
  • 作者简介:周炳海(1965-),男,教授,博士生导师. 研究方向:离散系统调度、建模与仿真.E-mail:bhzhou@tongji.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(71471135)

Balancing and optimization of robotic assemble lines withtool and space constraint

Bing-hai ZHOU(),Qiong WU   

  1. College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China
  • Received:2018-06-25 Online:2019-11-01 Published:2019-11-08

摘要:

为了提高流水装配线的效率和产能,在进行机器人装配线平衡的同时,优化任务资源的占用空间大小,考虑工具的占用空间及切换次数,在工作站数量最小化以及每个工作站占用空间最小化两个冲突目标之间寻求平衡。针对该带约束的多目标优化问题,首先建立数学模型,然后提出一种改进的多目标免疫克隆算法,基于该问题的特殊性提出了针对性的编码方式,引入了Pareto前沿排序、精英策略、全局搜索策略,以提升该算法的综合性能。最后,对不同规模的实例问题进行优化,并且与其他算法进行对比,以评价本文算法的效率和优越性。结果表明:本文算法在得到的解数量与质量方面都更加有效,对于不同规模问题都具有可行性。

关键词: 计算机应用, 机器人, 装配线平衡, 空间约束, 多目标, 免疫克隆算法

Abstract:

In order to improve the efficiency and productivity of the assembly line, the assembly line area was optimized and the space occupied by the tools and changeover for each task were taken into consideration when balancing the robotic assembly line. The two conflicting objective functions considered in this article were to minimize the cycle time of the number of workstations and to minimize the area of each workstation. A mathematical model was first established. In order to effectively solve this problem, a coding method based on separator genes was designed and then an improved multi-objective immune clonal algorithm was proposed for the constrained multi-objective optimization problem. Pareto frontier sorting, elite strategy, and global search were introduced to enhance the performance of the algorithm. Finally, the problems of different scales were optimized and the results were compared with other algorithms to evaluate the efficiency and superiority of the proposed algorithm. The results show that the algorithm is effective on both quantity and quality of solutions, and feasible for different scales of problems.

Key words: computer applications, robots, assembly line balancing, space constraint, multi-objective, immune clonal algorithm

中图分类号: 

  • TP391

图1

基于分隔基因的编码方式"

图2

拥挤距离"

表1

各算法参数表"

算法 参 数
NSGA?II Q=100;P m=0.4;P c=0.6
MICA Q=100;P m=0.4;P c=0.6;μ=10
AMICA Q=100;P m=0.4;P c=0.6
μ=10;α=(0, 0.8);γ=40

表2

NSGA?II、MICA、AMICA对不同规模问题的计算结果"

问题名称 NSGA?II MICA AMICA
N GD s T N GD s T N GD s T
小规模 WEEMAG (I=75,CT=56) 5 6.35 1.72 154 3 8.34 2.22 144 8 4.75 1.07 181
LUTZ2 (I=89,CT=16) 6 1.43 75.39 179 4 3.65 90.35 114 5 1.62 69.86 200
中规模 BARTHOLD (I=148, CT=805) 14 4.98 26.19 452 10 6.34 31.16 463 18 3.09 24.55 497
BARTHOL2 (I=148,CT=85) 4 5.06 11.32 356 3 8.86 13.28 299 6 3.88 8.29 398
大规模 SCHOLL (I=297,CT=1394) 8 52.45 8.29 398 7 60.23 185.37 492 11 32.18 97.91 862
NTIGen (I=320,CT=169.55) 8 3.98 7.70 723 6 5.02 10.31 693 11 1.77 5.23 1196
均 值 8.33 37.49 111.09 378.08 6.41 48.145 145.93 326.0 10.83 36.71 101.65 487.42

图3

算例SCHOLL下解间距(左)和解的数量(右)评价指标的箱型图"

图4

算例NTIGen下变异系数α取值对解的影响"

1 ? Baybars . A survey of exact algorithms for the simple assembly line balancing problem[J]. Management Science, 1986, 32(8):909-932.
2 Daganzo C F , Blumenfeld D E . Assembly system design principles and tradeoffs[J]. International Journal of Production Research, 1994, 32(3):669-681.
3 Nicosia G , Pacciarelli D , Pacifici A . Optimally balancing assembly lines with different workstations[J]. Discrete Applied Mathematics, 2002, 118(1/2):99-113.
4 Bautista J , Pereira J . Ant algorithms for a time and space constrained assembly line balancing problem[J]. European Journal of Operational Research, 2007, 177(3):2016-2032.
5 Deckro R F . Balancing cycle time and workstations[J]. IIE Transactions, 1989, 21(2):106-111.
6 Chica M , Cordón O , Damas S, et al . A multiobjective ant colony optimization algorithm for the 1/3 variant of the time and space assembly line balancing problem[C]∥The 12th International Conference on Processing and Management of Uncertainty in Knowledge-based Systems (IPMU), Málaga, Spain, 2008:1454-1461.
7 Rada-Vilela J , Chica M , Cordón óscar , et al . A comparative study of multi-objective ant colony optimization algorithms for the time and space assembly line balancing problem[J]. Applied Soft Computing Journal, 2013, 13(11):4370-4382.
8 Deb K , Pratap A , Agarwal S , et al . A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II[J]. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 2002, 6(2):182-197.
9 焦玉玲, 徐良成, 王占中, 等 . 基于有向网络的双U型装配线平衡实验与分析[J]. 吉林大学学报:工学版, 2018, 48(2):454-459.
9 Jiao Yu-ling , Xu Liang-cheng , Wang Zhan-zhong , et al . Balance experiment and analysis of double U-shaped assembly line based on directed network[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2018, 48(2):454-459.
10 周炳海,康雪云 .考虑切换时间的机器人装配线平衡优化方法[J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2017,44(8):35-42.
10 Zhou Bing-hai , Kang Xue-yun . Optimal method of robotic assemble line balancing considering changeover time[J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences),2017,44(8):35-42.
11 景云, 何世伟, 宋瑞, 等 . 基于云免疫克隆算法的空车动态优化问题[J]. 吉林大学学报:工学版, 2012,42(增刊1):261-265.
11 Jing Yun , He Shi-wei , Song Rui , et al . Dynamic empty car scheduling optimization based on immune clonal with cloud preference[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2012, 42(Sup.1):261-265.
[1] 贾富淳,孟宪皆,雷雨龙. 基于多目标遗传算法的二自由度动力吸振器优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(6): 1969-1976.
[2] 沈军,周晓,吉祖勤. 服务动态扩展网络及其结点系统模型的实现[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(6): 2058-2068.
[3] 车翔玖,刘华罗,邵庆彬. 基于Fast RCNN改进的布匹瑕疵识别算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(6): 2038-2044.
[4] 周柚,杨森,李大琳,吴春国,王岩,王康平. 基于现场可编程门电路的人脸检测识别加速平台[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(6): 2051-2057.
[5] 马芳武,倪利伟,吴量,聂家弘,徐广健. 轮腿式全地形移动机器人位姿闭环控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(6): 1745-1755.
[6] 赵宏伟,王鹏,范丽丽,胡黄水,刘萍萍. 相似性保持实例检索方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(6): 2045-2050.
[7] 李宾,周旭,梅芳,潘帅宁. 基于K-means和矩阵分解的位置推荐算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(5): 1653-1660.
[8] 王家序,蒋倩倩,李俊阳,韩彦峰,张雷,唐挺. 双圆弧谐波传动柔轮齿形参数多目标优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1194-1202.
[9] 李欣,王丹,陈军绪,孙延朋,谷诤巍,徐虹. 手刹固定板冲压成形数值模拟[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1258-1265.
[10] 孙延君,申铉京,陈海鹏,赵永哲. 基于局部平面线性点的翻拍图像鉴别算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1320-1328.
[11] 李雄飞,宋璐,张小利. 基于协同经验小波变换的遥感图像融合[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1307-1319.
[12] 翟凤文,党建武,王阳萍,金静,罗维薇. 基于扩展轮廓的快速仿射不变特征提取[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1345-1356.
[13] 刘元宁,刘帅,朱晓冬,霍光,丁通,张阔,姜雪,郭书君,张齐贤. 基于决策粒子群优化与稳定纹理的虹膜二次识别[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1329-1338.
[14] 李宾,申国君,孙庚,郑婷婷. 改进的鸡群优化算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1339-1344.
[15] 温海营,任翔,徐卫良,丛明,秦文龙,胡书海. 咀嚼机器人颞下颌关节仿生设计及试验测试[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(3): 943-952.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 石宇, 王树勋,黄志强 . 基于多级维纳滤波器的信源参数估计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2006, 36(05): 761 -0765 .
[2] 王知人,王平,白象忠 . 载流矩形薄板在电磁场中的屈曲分析
[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(03): 721 -0725 .
[3] 董劲男, 秦贵和,,张晋东,崔玥 . 基于多项式预测滤波理论的实时信号传输[J]. 吉林大学学报(工学版), 2008, 38(04): 890 -896 .
[4] 高兴泉, 马苗苗,陈虹 . 考虑时域硬约束的T-S模糊系统最优控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(03): 640 -0645 .
[5] 于远彬, 王庆年. 基于Advisor的仿真软件的二次开发及其在复合电源混合动力汽车上的应用[J]. 吉林大学学报(工学版), 2005, 35(04): 353 -357 .
[6] 杨超,曹春杰,王巍,马建峰 . 一种新的Mesh网络漫游接入协议[J]. 吉林大学学报(工学版), 2008, 38(02): 423 -0428 .
[7] 张传敏,,付文智,李明哲 . 采用弹性垫抑制多点数字化拉形工艺中的压痕[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(01): 83 -87 .
[8] 陆震,王勇,葛建华 . 空频分组编码OFDM系统迭代解码算法
[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(02): 474 -0478 .
[9] 王明星,周宏,王林,李伟,赵宇 . Y和Ce对AZ91D镁合金显微组织和力学性能的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(01): 6 -10 .
[10] 耿端阳,, 张铁中. 直动双挡销式分钵落苗系统设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2005, 35(05): 495 -0499 .