一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划方法
【专利摘要】本发明涉及一种以粒子群算法为基础的装配序列规划方法，尤指一种基于自适应变异粒子群优化算法并对算法作出改进的一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划方法，所述的装配序列规划方法主要包括5个步骤：1）首先建立干涉矩阵，然后建立零件的增强邻接矩阵和支撑矩阵；2）建立装配工具集合的装配序列；3）通过装配序列的几何可行性判定可行装配方向；4）基于步骤1-3建立的评价指标，建立目标函数；5）重定义粒子的位置和速度、位置与速度的更新操作的算法；6）进行装配序列规划；本发明克服了粒子群算法在装配序列规划中的不足，利用装配序列规划的离散性特点，对粒子的位置和速度等进行重定义，能有效提高装配序列规划的效率和质量。
【专利说明】一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种以粒子群算法为基础的装配序列规划方法，尤指一种基于自适应 变异粒子群优化算法并对算法作出改进的一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划 方法。
【背景技术】
[0002] 核电站或高能物理装置等辐射装备在特定环境中进行零件的装配时，特定环境一 般为放射性辐射环境，而参与装配的关键部件由于在辐射环境中进行辐射装配的难度较高 导致发生故障的可能性提高，若关键部件发生故障，轻则造成的非计划停机，重则引起严重 核污染和核事故；在辐射环境中对零件遥控维护的操作时，设备维护操作人员在远离维护 现场的安全区域，并在辐射设备内采用机械手开展维护工作，以此操作可降低维护工作人 员受辐照程度和疲劳程度，保证核能装备的正常进行；因辐射装备的组成较为复杂，使得在 进行维护时零件的装配和拆卸操作复杂，因此需要对零件装配的维护过程进行预先规划， 传统的装配序列规划主要通过经验设计和实物验证的方式进行。
[0003] -般而言，运用基于经验的装配序列规划方法对于结构复杂的设备需耗费大量的 人力、效率低下，且无法在设计阶段得出反映零件装配的可行性，同时建造试验平台的方式 成本高、周期长；为改进装配序列规划方法，近年来科学研究将虚拟维护规划应用在计算 机上，从而建立虚拟现实的规划环境，为遥控维护装配序列规划提供有效经验，但是，遥控 维护装配序列规划的实现不仅需要在虚拟规划环境上满足条件要求，而且需要满足装配时 间、装配费用、装配可靠性等条件的需求，从中确定最优方案。
[0004] 近年来，研究人员相继应用遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、人工神经网络、粒 子群算法等智能优化算法来解决组合爆炸的问题，然而，当算法的种群规模较小或初始种 群的整体质量较差即初始可行装配序列比例较少时，遗传算法的收敛速度就会很慢，不容 易得到理想的装配序列；由于模拟退火算法对解空间的拓展不够好，不容易搜索到最有效 的区域，所以搜索效率低，而且还存在种群多样性较差，难以得到最优装配序列的缺点；人 工神经网络算法缺乏全局搜索能力；蚁群算法在搜索后期存在容易出现停滞现象的缺点； 相对于其它智能算法，粒子群算法是解决装配序列规划的较优方法，但粒子群算法却存在 早熟收敛的不足。
【发明内容】
[0005] 为解决上述问题，本发明旨在公开一种以粒子群算法为基础的装配序列规划方 法，尤指一种基于自适应变异粒子群优化算法并对算法作出改进的一种辐射环境下的零件 遥控维护装配序列规划方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种辐射环境下的零件遥控维护装 配序列规划方法，所述的零件安装在辐射环境内，并通过遥控维护实现零件装配，其特征在 于，所述装配序列规划方法基于自适应变异粒子群优化算法，装配序列规划方法主要包括 以下步骤： 步骤1、首先建立干涉矩阵，描述总装配体中待装配零件在笛卡尔坐标系±X、土y、±Z 方向上与其他零件的干涉关系，然后建立零件的增强邻接矩阵和支撑矩阵量化表示装配操 作的稳定性； 步骤2、建立装配序列AP= (P1, P2，…，Pk，Pk+1，…，Pn)为装配工具的集合，从装配工 具集取得可行的装配工具，再根据可行装配工具的数量计算在更换工具过程中的装配工具 的改变次数，并推算装配序列中的对装配工具更换次数最少的改变次数； 步骤3、通过所述装配序列AP= (P1, P2，…，Pk，Pk+1，…，Pn)的几何可行性判定可行装 配方向，并推算出装配序列中的对装配方向更换次数最少的改变次数； 步骤4、基于步骤1-3建立的评价指标，建立目标函数； 步骤5、基于自适应变异粒子群优化算法，将算法应用于离散空间，首先重定义粒子的 位置和速度，以及重定义位置与速度的更新操作的算法，然后建立可行的装配序列矩阵，最 后确定初始个体最优序列和初始全局最优序列并从中找出最优序列； 步骤6、进行装配序列规划，步骤包括：包括1)粒子初始化；2)初始适应度计算；3)惯 性权重计算；4)粒子更新；5)适应度更新；6)多样性因子更新；7)全局最优装配零件序列 变异；8)如果当前迭代次数小于最大迭代次数，转到步骤3)，否则进行下一步；9)输出最优 序列。
[0007] 所述的干涉矩阵为A，用P表示零件，装配体由n个零件（P1, P2，…，PJ组成，设 干涉矩阵的元素Iijx、Iijy和I ijz为零件Pi沿+x、+y和+z方向上装配时与零件Pj的干涉情 况，则干涉矩阵A表示为 ：
【权利要求】
1. 一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划方法，所述的零件安装在辐射环境 内，并通过遥控维护实现零件装配，其特征在于，所述装配序列规划方法基于自适应变异粒 子群优化算法，装配序列规划方法主要包括以下步骤： 步骤1、首先建立干涉矩阵，描述总装配体中待装配零件在笛卡尔坐标系±χ、土y、±Z 方向上与其他零件的干涉关系，然后建立零件的增强邻接矩阵和支撑矩阵量化表示装配操 作的稳定性； 步骤2、建立装配序列AP= (P1, P2，…，Pk，Pk+1，…，Pn)为装配工具的集合，从装配工 具集取得可行的装配工具，再根据可行装配工具的数量计算在更换工具过程中的装配工具 的改变次数，并推算装配序列中的对装配工具更换次数最少的改变次数； 步骤3、通过所述装配序列AP= (P1, P2，…，Pk，Pk+1，…，Pn)的几何可行性判定可行装 配方向，并推算出装配序列中的对装配方向更换次数最少的改变次数； 步骤4、基于步骤1-3建立的评价指标，建立目标函数； 步骤5、基于自适应变异粒子群优化算法，将算法应用于离散空间，首先重定义粒子的 位置和速度，以及重定义位置与速度的更新操作的算法，然后建立可行的装配序列矩阵，最 后确定初始个体最优序列和初始全局最优序列并从中找出最优序列； 步骤6、进行装配序列规划，步骤包括：包括1)粒子初始化；2)初始适应度计算；3)惯 性权重计算；4)粒子更新；5)适应度更新；6)多样性因子更新；7)全局最优装配零件序列 变异；8)如果当前迭代次数小于最大迭代次数，转到步骤3)，否则进行下一步；9)输出最优 序列。
2. 根据权利要求1所述的一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划方法，其特征 在于：所述的干涉矩阵为A，用P表示零件，装配体由η个零件{ΡρΡ 2，…，PJ组成，设干涉 矩阵的元素 Iijx、Iijy和Iijz为零件Pi沿+X、+y和+z方向上装配时与零件P j的干涉情况， 则干涉矩阵A表示为：
而Iijx的取值表示为：
设序列AP= (P1, P2，…，Pp1)为已装配好的零件序列，Pi为待装配零件，则零件P i的可 行装配方向的判定公式为：
D可以为X、y或z，分别判断零件在笛卡尔坐标系的六个方向上的装配干涉情况，若公 式的结果不为〇,则发生干涉，该装配序列不可行，装配序列中不可行操作的次数nf越小，则 该装配序列的装配可行性越好。
3. 根据权利要求1所述的一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划方法，其特征 在于：所述步骤1建立的邻接矩阵为C= ( CiPnita，支撑矩阵为S= ( Sij)
4. 根据权利要求3所述的一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划方法，其特征 在于：在所述的步骤1建立的邻接矩阵和支撑矩阵中，零件P i和零件&之间的连接类型用 元素 Cij表示，当Pi和Pj稳定连接时(^_=2 ;接触连接时Cij=I ;未连接时Cij=O ;以元素 Sij表 示零件Pi和零件I之间的支撑关系，当Pi对I稳定支撑时，S u=I,否则Sij=CL
5. 根据权利要求4所述的一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划方法，其特 征在于：在所述的邻接矩阵和支撑矩阵中，若存在(^_=2, j e [l，i-l]，则该装配操作稳 定；若Cij=O,则该装配操作不稳定；若Cij=I或C ij=O,则判断Sij的取值，若存在Sij=I, j e [1，i-Ι]，则该装配操作稳定，否则该装配操作不稳定，装配序列中不稳定操作的次数ns 越小，则该装配序列的装配稳定性越好。
6. 根据权利要求1所述的一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划方法，其特 征在于，从所述步骤2建立的装配序列（P1, P2，…，Pk，Pk+1，…，Pn)中取得任一零件P i的 可行装配工具AT(Pi);若存在(Pi)关0，则装配零件？1;+1时无需改变装配工具；若 ff=1AT 0且il^AT (Pi)= 0，则装配零件pk+1时需要改变一次装配工具；推算出任 一装配序列的装配工具的最少改变次数nt。
7. 根据权利要求1所述的一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划方法，其特征 在于，在所述步骤3中，通过建立的装配序列（P 1, P2，…，Pk，Pk+1，…，Pn)的几何可行性判 定任一零件Pi的可行装配方向AD(Pi),若PlIi1Pi关0,则在装配口:七，…,P k时无需改变装 卜i秦 配方向；若nL巧关队且（1?1 Pi= 0，则在装配零件pk+#须改变装配方向一次，推出任一 装配序列的装配方向的最少改变次数nd。
8. 根据权利要求1所述的一种辐射环境下的零件遥控维护装配序列规划方法，其特征 在于，所述步骤4建立的目标函数如下： f=cfnf+csns+ctn t+cdnd, (^、(^、(^和cd分别为不可行操作的次数nf、不稳定操作的次数ns、装配工具的最少改变 次数nt和装配方向的最少改变次数nd的权重系数，其中、cf比c s、ct、cd大。
【文档编号】G06F19/00GK104376227SQ201410731129
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】孙振忠, 郭建文, 陈海彬, 王松, 汤泓, 张智聪 申请人:东莞理工学院, 孙振忠, 郭建文, 陈海彬