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人机共站并行拆卸线平衡问题建模与混合教学优化算法

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计算机集成制造系统 2023年第7期29卷 2175-2190页

作者：许培玉张则强管超西南交通大学机械工程学院四川成都610031 西南交通大学轨道交通运维技术与装备四川省重点实验室四川成都610031

针对现有人机共站拆卸问题研究对任务间影响关系约束的不足,提出人机共站并行拆卸线平衡问题,以工作站开启数、空闲时间均衡指标、操作者总数和拆卸成本为优化目标,构建了其多目标混合整数规划模型。并提出一种混合教学优化算法求解,算... 详细信息

针对现有人机共站拆卸问题研究对任务间影响关系约束的不足,提出人机共站并行拆卸线平衡问题,以工作站开启数、空闲时间均衡指标、操作者总数和拆卸成本为优化目标,构建了其多目标混合整数规划模型。并提出一种混合教学优化算法求解,算法在原始教学优化算法的基础上融入自学操作和模拟退火操作,以保持种群多样性并避免算法陷入局部最优。应用数学规划软件LINGO精确求解所提问题的中小规模算例并与算法求解结果对比,验证了所建模型正确性与算法的有效性。最后,将所建模型与所提算法应用至大规模人机共站并行拆卸线实例中,通过与多种算法进行不同的对比试验,进一步验证了所提算法求解性能和求解质量的优越性。

关键词：人机共站并行拆卸线教学优化算法混合整数规划模型多目标优化

教学优化算法及其在车间调度问题中的应用研究

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教学优化算法及其在车间调度问题中的应用研究

作者：张斌兰州理工大学

学位级别：硕士

调度问题的本质是在满足工艺、设备、资金等约束条件下,通过对资源进行合理分配、对工序或其他操作进行合理安排,使得产量、能耗、时间等问题目标实现最优化。车间调度是调度问题中不可或缺的一部分,直接决定了生产效率,从而影响制造系... 详细信息

调度问题的本质是在满足工艺、设备、资金等约束条件下,通过对资源进行合理分配、对工序或其他操作进行合理安排,使得产量、能耗、时间等问题目标实现最优化。车间调度是调度问题中不可或缺的一部分,直接决定了生产效率,从而影响制造系统的运行、企业的效益以及市场竞争力。大部分车间调度问题都是NP-Hard问题,随着问题规模增大和科学研究的不断深入,人们对计算复杂度和求解效率也有了更高的要求,因此,开发简单高效易于实现的方法仍然是本领域的研究热点。教学优化算法（Teaching-Learning-Based Optimization Algorithm,TLBO）是一种受教学过程启发的群体智能优化算法。TLBO算法因其优化过程简单,不需要额外的参数,已经广泛应用于数值优化和工业设计。本文对TLBO进行了深入研究,通过分析TLBO算法的优化过程,并将该算法与其他算法相结合,对TLBO进行了两种不同的改进。同时将改进后的算法分别应用两种不同的车间调度问题,通过仿真测试及实验分析,验证了算法的有效性和可行性。本文的主要研究内容和相关工作如下:（1）针对标准的TLBO算法在求解离散问题时存在的学习者之间信息交流不足、单一教师容易陷入局部最优的问题,本文提出了一种多班级教学优化算法（Multi-Classes Teaching-Learning-Based Optimization Algorithm,MCTLBO）,并将MCTLBO用于求解置换流水车间调度问题（Permutation Flowshop Scheduling Problem,PFSP）。在MCTLBO中,以基于置换的变异方法和NEH进行初始化,保持初始种群的质量和多样性;在教学阶段,考虑教师与学生之间的差异,给出了基于位置的交叉方法,同时以去重操作避免无意义的教学过程;引入了学生的自学阶段,以莱维飞行消除随机变异的不确定性,并以变邻域搜索提升解的质量。在相互学习阶段,以种群的平均适应度作为筛选条件,避免差生之间的相互影响,有效的保证了优势个体相互交流。通过对标准测试集Rec进行测试,并与相关算法进行比较,验证了MCTLBO求解离散问题的有效性和稳定性。（2）针对零等待流水车间调度问题（No-Wait Flowshop Scheduling Problem,NWFSP）,提出了一种离散的教学优化算法（Discrete Teaching-Learning-Based Optimization Algorithm,DTLBO）。在DTLBO中,从工件差异（学生水平）的角度出发,重新定义了重新定义了教学优化过程。在教学阶段,教师根据学生水平的不同采取不同的教学方式,以达到因材施教的效果。在相互学习阶段,根据自身水平的不同,学生也表现出不同的学习行为。此外,以迭代贪婪算法的破坏重构操作作为局部搜索。将改进后的算法应用于求解NWFSP问题,通过仿真实验及相关的结果分析,验证了算法的有效性。（3）对迭代贪婪算法的破坏过程进行了分析,给出了破坏过程中存在的不均匀性和无意义性两种情况。以工件及其对应的无意义破坏次数构建知识库,每次破坏之前从知识库中获取知识,从而动态的改变破坏过程中工件的选取方式。此外,以知识有效期为限制对早期知识进行擦除,只保留一定迭代次数的知识,保证了知识积累的有效性。最后将改进的破坏过程融入到DTLBO中,仿真结果表明改进破坏过程对算法求解效率提升的有效性。

关键词：教学优化算法置换流水车间调度零等待流水车间调度迭代贪婪算法知识库

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基于滑窗的自适应红外小目标检测方法

光学技术 2022年第4期48卷 506-512页

作者：李常宝山西警官职业学院信息工程系山西太原030006

为解决传统自适应红外小目标检测方法虚警严重的问题,提出一种滑窗式自适应红外小目标检测方法。结合教学优化算法来增强哈里斯鹰优化算法跳出局部极值的能力,提出一种混合的多种群哈里斯鹰优化算法;设计了基于滑动窗口的小目标搜索适... 详细信息

为解决传统自适应红外小目标检测方法虚警严重的问题,提出一种滑窗式自适应红外小目标检测方法。结合教学优化算法来增强哈里斯鹰优化算法跳出局部极值的能力,提出一种混合的多种群哈里斯鹰优化算法;设计了基于滑动窗口的小目标搜索适应度函数;提出了红外小目标的自适应检测方法。基于公开数据集的实验结果表明,相较于其它自适应红外小目标检测方法,该检测方法的虚警率较低。

关键词：红外夜视安防监控教学优化算法多种群优化算法滑动窗口目标检测目标识别

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教学优化算法的改进及仿真研究

教学优化算法的改进及仿真研究

作者：闫苗苗西安电子科技大学

学位级别：硕士

在信息化时代背景下,科学研究和工程实践等领域鼎力发展,由此产生了许多难以解决的复杂优化问题,如何设计更加有效的优化方法,已然成为众多学术领域亟待解决的焦点问题。在这样的需求导向下,智能优化算法应势而生,因为其可以高效迅速地... 详细信息

在信息化时代背景下,科学研究和工程实践等领域鼎力发展,由此产生了许多难以解决的复杂优化问题,如何设计更加有效的优化方法,已然成为众多学术领域亟待解决的焦点问题。在这样的需求导向下,智能优化算法应势而生,因为其可以高效迅速地解决多峰、不可微、不可分、不连续等复杂的优化问题,应用前景十分宽泛,与其相关的研究迅速壮大,许多基于不同原理的新算法被相继提出。2011年,印度学者Rao基于学校教学原理提出了一种新的智能优化算法——教学优化算法,其将学生成绩比作适应度值,模仿学校提高学生成绩的方式,将教师教学和学生学习的过程抽象为教学阶段和学习阶段,其原理贴近生活,易于理解,便于使用,且控制参数较少,是解决传统优化算法难以解决的优化问题的有力算法。目前,教学优化算法相关研究处于初步阶段,与其它算法一样,基本教学优化算法也存在求解精度不高、局部搜索能力有所欠缺等问题。针对这些问题,本文以更高效、更实用、更稳定为目标对教学优化算法做出如下改进工作:(1)针对教学优化算法探索能力强但开发能力弱的特点,根据一般反向学习方法,提出了基于自学机制的教学优化算法。在该算法中,为了使教师在进化中能更好地引导种群进化,令教师个体在每次迭代前根据一般反向学习方法进行自学提升,从而有效避免由于教师本身不够优秀而对算法寻优带来的负面影响,同时,为了增强算法局部搜索能力,在学习阶段建立了三种更新机制,使个体进行概率型的有选择性的学习。最后,对18个标准测试函数进行数值实验,结果显示,相比其它算法该算法不易陷入局部“低谷”,求解精度更高,稳定性更好。(2)为了进一步地提高教学优化算法的开发能力,结合聚类划分方法提出了一种多班级交互式教学优化算法。该算法采用新型的基于欧氏距离的聚类划分方法,将初始种群划分为若干子群,从而更大化地利用种群邻域信息,提高种群局部搜索能力。同时为加强子群间的联系、保证各子群间同步进化,在教学阶段后令各子群间最差个体向种群最优个体学习,在学习阶段后令随机个体向其他子群个体学习,增强了种群多样性,提高了求解精度。通过对6个无约束函数、4个约束函数及拉压弹簧优化问题进行数值实验,结果表明该算法相对其他算法具有良好的求解精度和稳定性,且在工程优化问题中表现突出。

关键词：教学优化算法局部搜索能力一般反向学习方法聚类划分方法种群多样性

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一种优化云无线接入网络资源分配算法

火力与指挥控制 2023年第11期48卷 67-71,80页

作者：付国帅郑州工业应用技术学院郑州451150

在云接入网络(cloud radio access network,C-RAN)中,设备至设备(device-to-device,D2D)通信共享蜂窝用户的资源,提高了频谱利用率。但是资源共享也引入干扰问题,降低了网络的和速率。提出基于教学优化法的资源分配算法(teacher learner... 详细信息

在云接入网络(cloud radio access network,C-RAN)中,设备至设备(device-to-device,D2D)通信共享蜂窝用户的资源,提高了频谱利用率。但是资源共享也引入干扰问题,降低了网络的和速率。提出基于教学优化法的资源分配算法(teacher learner based optimization-resource allocation,TLRA)。TLRA算法在分配资源时,考虑了干扰问题,并以蜂窝用户端的干扰不高于预定阈值为约束条件,建立目标问题。利用教学优化法求解目标问题,获取最优的资源分配策略。性能分析表明,提出的TLRA算法提高了系统和速率,Jain公平指数接近0.8。

关键词：云无线接入网络 D2D通信资源分配教学优化算法和速率

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动态自适应的教学优化算法

计算机应用研究 2023年第11期40卷 3321-3326页

作者：夏军勇徐志强钟飞湖北工业大学机械工程学院武汉430068

针对教学优化算法(teaching-learning-based optimization algorithm,TLBO)容易陷入局部最优和寻优速度慢等缺陷,提出一种动态自适应的教学优化算法(ITLBO)。首先,提出一种与sigmoid函数有关的惯性权重,并将其引入到教师阶段和学生阶段... 详细信息

针对教学优化算法(teaching-learning-based optimization algorithm,TLBO)容易陷入局部最优和寻优速度慢等缺陷,提出一种动态自适应的教学优化算法(ITLBO)。首先,提出一种与sigmoid函数有关的惯性权重,并将其引入到教师阶段和学生阶段,以动态调整种群的移动步长,从而抑制算法前期种群多样性的衰减,扩大寻优区域,增强算法后期局部精细化搜索能力,提高求解精度;其次,在教师阶段,利用一种动态更新教师的机制来增强教师的教学水平,保证学生及时地向全局最优解学习,提高算法收敛速度;再次,在学生阶段,提出一种自学与向最好学生学习相结合的学习方式,让学生全面发展,从而提高算法的搜索能力和收敛速度。为验证ITLBO的有效性,采用16个标准测试函数,对惯性权重的有效性和各算子对算法整体的贡献度进行测试,对TLBO、RTLBO、EPGTOA和ITLBO进行仿真对比实验。一系列测试结果表明,ITLBO具有更好的收敛能力和稳定性。

关键词：教学优化算法动态更新自适应自学

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基于混合教学优化算法的多车间协作综合调度

中国机械工程 2020年第16期31卷 1940-1949页

作者：廖不凡雷琦吴文烈宋豫川郭伟飞重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 复旦大学科学技术研究院上海200433

目前在处理加工属性类似的多车间协作综合调度问题时,几乎都是采用调度规则,对产品加工工艺结构的依赖度过高,降低了算法对同一类问题不同实例的适应性,并且对大型实例的求解结果普遍欠佳,为此提出了一种混合教学优化算法。该算法在基... 详细信息

目前在处理加工属性类似的多车间协作综合调度问题时,几乎都是采用调度规则,对产品加工工艺结构的依赖度过高,降低了算法对同一类问题不同实例的适应性,并且对大型实例的求解结果普遍欠佳,为此提出了一种混合教学优化算法。该算法在基本教学优化算法的基础上加入采用变异操作模拟的自学习阶段,提高其局部搜索能力,并且在教学、互学和自学三个阶段均按照模拟退火算法中Metropolis准则计算的概率,随机接受学生群体中某一个较差个体作为新个体,进一步提高算法跳出局部最优解的能力;教学、互学和自学三个阶段设计的变换操作均考虑综合调度问题中各虚拟工序之间的顺序约束关系,保证生成的解均是可行解。通过测试以往该类问题实例,得到的结果验证了所提算法的可行性和有效性。

关键词：多车间协作综合调度教学优化算法自学习 Metropolis准则

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分布式两阶段混合流水车间调度

华中科技大学学报（自然科学版） 2020年第4期48卷 127-132页

作者：张清勇孙泽轩雷德明武汉理工大学自动化学院湖北武汉430070

针对分布式两阶段混合流水车间调度问题(DTHFSP),提出一种教学优化算法(TLBO)求解工厂分配问题并设计一种启发式算法解决机器分配问题,以最小化最大完工时间.首先,采用均衡工厂负载的方法生成初始班级;然后,引入淘汰机制以加强对优势解... 详细信息

针对分布式两阶段混合流水车间调度问题(DTHFSP),提出一种教学优化算法(TLBO)求解工厂分配问题并设计一种启发式算法解决机器分配问题,以最小化最大完工时间.首先,采用均衡工厂负载的方法生成初始班级;然后,引入淘汰机制以加强对优势解的局部搜索效率,并在自学阶段增加反思过程强化教学结果;最后,通过大量实例实验验证了教学优化算法在求解分布式两阶段混合流水车间调度问题时的搜索优势.结果分析表明教学优化算法在求解分布式两阶段混合流水车间调度方面具有更好的稳定性和求解质量.

关键词：分布式调度两阶段混合流水车间调度教学优化算法启发式算法负载均衡

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求解PFSP的集成多策略教学优化算法

组合机床与自动化加工技术 2023年第12期 34-39页

作者：亓祥波马志强王宏伟沈阳大学机械工程学院沈阳110044

在标准教学优化算法的基础上,提出一种集成多策略教学优化算法(IMTLBO)用于求解置换流水车间调度问题(PFSP)。为了生成具有一定质量和多样性的精英种群,初始种群的20%使用NEHLJP1算法生成,其余个体使用反向学习法产生;此外,教学阶段采... 详细信息

在标准教学优化算法的基础上,提出一种集成多策略教学优化算法(IMTLBO)用于求解置换流水车间调度问题(PFSP)。为了生成具有一定质量和多样性的精英种群,初始种群的20%使用NEHLJP1算法生成,其余个体使用反向学习法产生;此外,教学阶段采用基于惯性权重的分组教学、正弦TF策略和变邻域搜索,学习阶段采用双学习策略;最后,通过双局部搜索来提高算法精度。为检验其有效性,在三类基准实例上进行实验,结果表明了IMTLBO相比其它算法具有显著的寻优能力。除此之外,针对汽车连杆部件制造的大规模生产问题进行求解,大幅缩短了完工时间,进一步表明了IMTLBO求解PFSP的有效性。

关键词：置换流水车间调度教学优化算法精英初始化双局部搜索基准实例