m分别通过GA遗传优化算法对企业不同产品订单生产进行时间优化

本文涉及的产品
全球加速 GA,每月750个小时 15CU
简介: m分别通过GA遗传优化算法对企业不同产品订单生产进行时间优化

1.算法概述
首先介绍MATLAB部分的遗传算法的优化算法介绍:

   遗传算法的原理

   遗传算法GA把问题的解表示成“染色体”,在算法中也即是以二进制编码的串。并且,在执行遗传算法之前,给出一群“染色体”,也即是假设解。然后,把这些假设解置于问题的“环境”中,并按适者生存的原则,从中选择出较适应环境的“染色体”进行复制,再通过交叉,变异过程产生更适应环境的新一代“染色体”群。这样,一代一代地进化,最后就会收敛到最适应环境的一个“染色体”上,它就是问题的最优解。

一、遗传算法的目的

    典型的遗传算法CGA(Canonical Genetic Algorithm)通常用于解决下面这一类的静态最优化问题:考虑对于一群长度为L的二进制编码bi,i=1,2,…,n;有

bi{0,1}L (3-84)

给定目标函数f,有f(bi),并且

0

同时f(bi)≠f(bi+1)求满足下式

max{f(bi)|bi{0,1}L}

的bi。很明显,遗传算法是一种最优化方法,它通过进化和遗传机理,从给出的原始解群中,不断进化产生新的解,最后收敛到一个特定的串bi处,即求出最优解。

二、遗传算法的基本原理

    长度为L的n个二进制串bi(i=1,2,…,n)组成了遗传算法的初解群,也称为初始群体。在每个串中,每个二进制位就是个体染色体的基因。根据进化术语,对群体执行的操作有三种:

1.选择(Selection)

这是从群体中选择出较适应环境的个体。这些选中的个体用于繁殖下一代。故有时也称这一操作为再生(Reproduction)。由于在选择用于繁殖下一代的个体时,是根据个体对环境的适应度而决定其繁殖量的,故而有时也称为非均匀再生(differential reproduction)。

2.交叉(Crossover)

这是在选中用于繁殖下一代的个体中,对两个不同的个体的相同位置的基因进行交换,从而产生新的个体。

3.变异(Mutation)

这是在选中的个体中,对个体中的某些基因执行异向转化。在串bi中,如果某位基因为1,产生变异时就是把它变成0;反亦反之。

遗传算法的原理可以简要给出如下:

choose an intial population

determine the fitness of each individual

perform selection

repeat

perform crossover

perform mutation

determine the fitness of each individual

perform selection

until some stopping criterion applies

    这里所指的某种结束准则一般是指个体的适应度达到给定的阀值;或者个体的适应度的变化率为零。

三、遗传算法的步骤和意义
1.初始化

选择一个群体,即选择一个串或个体的集合bi,i=1,2,...n。这个初始的群体也就是问题假设解的集合。一般取n=30-160。

通常以随机方法产生串或个体的集合bi,i=1,2,...n。问题的最优解将通过这些初始假设解进化而求出。

2.选择

根据适者生存原则选择下一代的个体。在选择时,以适应度为选择原则。适应度准则体现了适者生存,不适应者淘汰的自然法则。

给出目标函数f,则f(bi)称为个体bi的适应度。以

为选中bi为下一代个体的次数。

显然.从式(3—86)可知:

(1)适应度较高的个体,繁殖下一代的数目较多。

(2)适应度较小的个体,繁殖下一代的数目较少;甚至被淘汰。

这样,就产生了对环境适应能力较强的后代。对于问题求解角度来讲,就是选择出和最优解较接近的中间解。

3.交叉

对于选中用于繁殖下一代的个体,随机地选择两个个体的相同位置,按交叉概率P。在选中的位置实行交换。这个过程反映了随机信息交换;目的在于产生新的基因组合,也即产生新的个体。交叉时,可实行单点交叉或多点交叉。

例如有个体

S1=100101

S2=010111

选择它们的左边3位进行交叉操作,则有

S1=010101

S2=100111

一般而言,交 婊显譖。取值为0.25—0.75。

4.变异

根据生物遗传中基因变异的原理,以变异概率Pm对某些个体的某些位执行变异。在变异时,对执行变异的串的对应位求反,即把1变为0,把0变为1。变异概率Pm与生物变异极小的情况一致,所以,Pm的取值较小,一般取0.01-0.2。

例如有个体S=101011。

对其的第1,4位置的基因进行变异,则有

S'=001111

单靠变异不能在求解中得到好处。但是,它能保证算法过程不会产生无法进化的单一群体。因为在所有的个体一样时,交叉是无法产生新的个体的,这时只能靠变异产生新的个体。也就是说,变异增加了全局优化的特质。

5.全局最优收敛(Convergence to the global optimum)

当最优个体的适应度达到给定的阀值,或者最优个体的适应度和群体适应度不再上升时,则算法的迭代过程收敛、算法结束。否则,用经过选择、交叉、变异所得到的新一代群体取代上一代群体,并返回到第2步即选择操作处继续循环执行。

图1中表示了遗传算法的执行过程。

1.png

一、遗传算法的特点

1.遗传算法从问题解的中集开始嫂索,而不是从单个解开始。

这是遗传算法与传统优化算法的极大区别。传统优化算法是从单个初始值迭代求最优解的;容易误入局部最优解。遗传算法从串集开始搜索,复盖面大,利于全局择优。

2.遗传算法求解时使用特定问题的信息极少,容易形成通用算法程序。

由于遗传算法使用适应值这一信息进行搜索,并不需要问题导数等与问题直接相关的信息。遗传算法只需适应值和串编码等通用信息,故几乎可处理任何问题。

3.遗传算法有极强的容错能力

遗传算法的初始串集本身就带有大量与最优解甚远的信息;通过选择、交叉、变异操作能迅速排除与最优解相差极大的串;这是一个强烈的滤波过程;并且是一个并行滤波机制。故而,遗传算法有很高的容错能力。

4.遗传算法中的选择、交叉和变异都是随机操作,而不是确定的精确规则。

这说明遗传算法是采用随机方法进行最优解搜索,选择体现了向最优解迫近,交叉体现了最优解的产生,变异体现了全局最优解的复盖。

5.遗传算法具有隐含的并行性

遗传算法的基础理论是图式定理。它的有关内容如下:

(1)图式(Schema)概念

一个基因串用符号集{0,1,}表示,则称为一个因式;其中可以是0或1。例如:H=1xx 0 x x是一个图式。

(2)图式的阶和长度

图式中0和1的个数称为图式的阶,并用0(H)表示。图式中第1位数字和最后位数字间的距离称为图式的长度,并用δ(H)表示。对于图式H=1x x0x x,有0(H)=2,δ(H)=4。

(3)Holland图式定理

    低阶,短长度的图式在群体遗传过程中将会按指数规律增加。当群体的大小为n时,每代处理的图式数目为0(n3)。

    遗传算法这种处理能力称为隐含并行性(Implicit Parallelism)。它说明遗传算法其内在具有并行处理的特质。

简化模型:

    在一个企业里,三种不一样的产品,分别定义为A, B, C,每个产品生产周期已知(表一), 需要在三个不一样容量的机器里生产,容量分别为20 30 50所产生的初始时间不一样, 而且更换不一样的机器也产生5个小时的延迟。

    根据每天的订单的数量(表二, 10天订单已知, 订单会持续到达形成排列等待生产)根据交货时间和其他要求,你怎样做出决定每一个产品生产在每一个机器里.达到时间最小化? 目标函数是什么,怎样在simulink中实现。

条件:

    每一个机器同时只能生产一种产品(但可以批量生产,例如同时生产几天,订单总数接近或者等于容量总数为有效)直到生产完成后才可以生产不一样的产品,但是需要产生5 小时的延迟,或者继续生产上一次的产品, 没有延迟. 同时, 每次生产完毕后,必须清洗机器, 每台机器的清洗时间分别为2, 3 ,5小时。

容量:

机器一: 20. 机器二: 30, 机器三: 50

每次生产完毕清洁时间 (小时)

机器一: 2. 机器二: 3, 机器三: 5

大概流程如下图:

三个产品10天内订单已知,每个产品生产周期已知,订单数量和交货期已知,因此怎样做出决策让订单在三个平行机器里生产达到最优化。怎样用数学建立公式, 必须满足已知条件, 然后需用GA实现优化.

    让所有订单累积达到容量值,其余的推迟到下一次批次生产。 根据已知条件,然后最大容量的运行,运用偏于理解的matlab GA实现优化。。。每一步的编码都需要注释,(由于我这看不到中文,所以麻烦用文本方式标注,而且要仔细讲解结果和没优化的结果有什么不同,优化在哪里? 学习过程中,希望简化点,易理解,而且结果非常好。

2.仿真效果预览
matlab2022a仿真结果如下:

2.png

3.核心MATLAB代码预览

%%%%%%%%%%%%%%此处在Simulink等效替换%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% RandStream.setDefaultStream(RandStream('mt19937ar','seed',Seek_A));
rng(Seek_A)
A_source = floor(10*rand(1,Num))+1;
% RandStream.setDefaultStream(RandStream('mt19937ar','seed',Seek_B));
rng(Seek_B)
B_source = floor(10*rand(1,Num))+1;
% RandStream.setDefaultStream(RandStream('mt19937ar','seed',Seek_C));
rng(Seek_C)
C_source = floor(10*rand(1,Num))+1;
 
TASKer   = [A_source',B_source',C_source']; 
 
%生产完一批,下一批换产品导致的延迟
A_1           = Time_iniA + Time_wash(1) + Time_delay;
A_2           = Time_iniA + Time_wash(2) + Time_delay;
A_3           = Time_iniA + Time_wash(3) + Time_delay; 
A_delays_diff = [A_1,A_2,A_3];
 
B_1           = Time_iniB + Time_wash(1) + Time_delay;
B_2           = Time_iniB + Time_wash(2) + Time_delay;
B_3           = Time_iniB + Time_wash(3) + Time_delay; 
B_delays_diff = [B_1,B_2,B_3];
 
C_1           = Time_iniC + Time_wash(1) + Time_delay;
C_2           = Time_iniC + Time_wash(2) + Time_delay;
C_3           = Time_iniC + Time_wash(3) + Time_delay; 
C_delays_diff = [C_1,C_2,C_3];
%生产完一批,下一批还是生产同样的产品(根据修改后的要求可知,只要是同一批产品,则可以连续生产)
A_1           = 0;
A_2           = 0;
A_3           = 0; 
A_delays_same = [A_1,A_2,A_3];
 
B_1           = 0;
B_2           = 0;
B_3           = 0; 
B_delays_same = [B_1,B_2,B_3];
 
C_1           = 0;
C_2           = 0;
C_3           = 0; 
C_delays_same = [C_1,C_2,C_3];
 
 
for i = 1:Num
    Machine_sel{i,1} = [1,1,1];
    Machine_sel{i,2} = [2,2,2];
    Machine_sel{i,3} = [3,3,3];
end
 
 
%根据每个机器的容量,来等效出每个单个订单的生产时间,但在后面计算过程中,当期满足判决条件的时候,时间则为72,96或者120
for i = 1:Num
    Machine_time{i,1} = [A_source(i)/Cap(1)*ProduceA,B_source(i)/Cap(1)*ProduceB,C_source(i)/Cap(1)*ProduceC];
    Machine_time{i,2} = [A_source(i)/Cap(2)*ProduceA,B_source(i)/Cap(2)*ProduceB,C_source(i)/Cap(2)*ProduceC];
    Machine_time{i,3} = [A_source(i)/Cap(3)*ProduceA,B_source(i)/Cap(3)*ProduceB,C_source(i)/Cap(3)*ProduceC];
end
 
%一下是遗传算法的一些参数
%个体
Num_gene  = 20;        
%遗传次数
Iteration = 400;      
%代沟
DG        = 0.9;      
%交叉率
cross_rate= 0.8;  
%变异率
by_rate   = 0.6;   
%计数器
Cnter     = 0;          
 
[Nums_time,Num_ABC] = size(Machine_sel);  
Best_save           = zeros(2, Iteration); 
All_Number          = Nums_time*Num_ABC;    
Number              = zeros(1,Nums_time);
for i=1:Nums_time
    Number(i)=Num_ABC;     
end
 
Random_save_machine = zeros(Num_gene,2*All_Number);
for j=1:Num_gene
    Number2=Number;
    for i=1:All_Number
        %产品编号ABC - > 123
        val = unidrnd(Nums_time);
        while Number2(val)==0
            val = unidrnd(Nums_time);
        end
        
        %产品编号
        Random_save_machine(j,i) = val;
        Number2(val)             = Number2(val)-1;
        
        %机器编号
        Temp     = Machine_sel{val,Num_ABC-Number2(val)};
        SizeTemp = length(Temp);
        %随机产品机器
        Random_save_machine(j,i+All_Number) = unidrnd(SizeTemp);
    end
end
%定义fitness
[Value_Product,ObjV,Product,Genes] = func_fitness(Random_save_machine,Num_machine,Machine_time,Machine_sel);  
s = RandStream('mt19937ar','Seed',0);
RandStream.setGlobalStream(s);
%开始优化迭代
while Cnter <= Iteration
    Cnter
    isover    = 0;
    %适应度值
    Value_fit = ranking(ObjV);  
    %选择
    GA_Oper   = select('rws', Random_save_machine, Value_fit, DG);       
    %交叉
    GA_Oper   = func_Gene_cross(GA_Oper,cross_rate,Machine_sel,Machine_time);          
    %变异
    GA_Oper   = func_aberrance(GA_Oper,by_rate,Machine_sel,Machine_time);            
    
    %适应度值
    [Value_Product,Obj_Product,Product,Genes,TYPE] = func_fitness(GA_Oper,Num_machine,Machine_time,Machine_sel);   
    %新种群
    [Random_save_machine,ObjV]                     = reins(Random_save_machine, GA_Oper,1, 1, ObjV, Obj_Product); 
    
    Cnter              = Cnter + 1;       
    %保存最值
    Best_save(1,Cnter) = min(ObjV);       
    Best_save(2,Cnter) = mean(ObjV);  
    %记录最佳值
    if Cnter == 1
       Values1   = Value_Product;
       Values2   = Product;
       MinVal = min(ObjV); 
       STemp  = Genes;
    end
    if MinVal > Best_save(1,Cnter)
       Values1   = Value_Product;
       Values2   = Product;
       MinVal    = Best_save(1,Cnter);
       STemp     = Genes;
    end
    %延期判决
    if isover == 1
       Cnter = Cnter-1;%重新开始本次迭代
    else
       Cnter =Cnter;  
    end
    Best_V(Cnter)=min(ObjV);
    Best_M(Cnter) = mean(ObjV)   
end
 
%当前最佳值
Value_Product = Values1; 
Product       = Values2;  
Genes         = STemp;
%描绘解的变化
02_015m
相关文章
|
21天前
|
算法
基于GA遗传算法的PID控制器参数优化matlab建模与仿真
本项目基于遗传算法(GA)优化PID控制器参数,通过空间状态方程构建控制对象,自定义GA的选择、交叉、变异过程,以提高PID控制性能。与使用通用GA工具箱相比,此方法更灵活、针对性强。MATLAB2022A环境下测试,展示了GA优化前后PID控制效果的显著差异。核心代码实现了遗传算法的迭代优化过程,最终通过适应度函数评估并选择了最优PID参数,显著提升了系统响应速度和稳定性。
|
1月前
|
算法
雪花算法反思:订单ID生成的痛点与解决方案
雪花算法(Snowflake Algorithm)因其生成唯一ID的能力而被广泛应用于分布式系统中。然而,随着业务的发展和系统规模的扩大,一些隐藏的问题逐渐浮现。本文将探讨使用雪花算法生成订单ID后可能遇到的挑战,并提供相应的解决方案。
51 2
|
2月前
|
机器学习/深度学习 算法 数据安全/隐私保护
基于GA遗传优化的GroupCNN分组卷积网络时间序列预测算法matlab仿真
该算法结合了遗传算法(GA)与分组卷积神经网络(GroupCNN),利用GA优化GroupCNN的网络结构和超参数,提升时间序列预测精度与效率。遗传算法通过模拟自然选择过程中的选择、交叉和变异操作寻找最优解;分组卷积则有效减少了计算成本和参数数量。本项目使用MATLAB2022A实现,并提供完整代码及视频教程。注意:展示图含水印,完整程序运行无水印。
|
1月前
|
机器学习/深度学习 算法 数据安全/隐私保护
基于GA-PSO-SVM算法的混沌背景下微弱信号检测matlab仿真
本项目基于MATLAB 2022a,展示了SVM、PSO、GA-PSO-SVM在混沌背景下微弱信号检测中的性能对比。核心程序包含详细中文注释和操作步骤视频。GA-PSO-SVM算法通过遗传算法和粒子群优化算法优化SVM参数,提高信号检测的准确性和鲁棒性,尤其适用于低信噪比环境。
|
2月前
|
算法 决策智能
基于GA-PSO遗传粒子群混合优化算法的TSP问题求解matlab仿真
本文介绍了基于GA-PSO遗传粒子群混合优化算法解决旅行商问题(TSP)的方法。TSP旨在寻找访问一系列城市并返回起点的最短路径,属于NP难问题。文中详细阐述了遗传算法(GA)和粒子群优化算法(PSO)的基本原理及其在TSP中的应用,展示了如何通过编码、选择、交叉、变异及速度和位置更新等操作优化路径。算法在MATLAB2022a上实现,实验结果表明该方法能有效提高求解效率和解的质量。
|
19天前
|
算法
基于WOA算法的SVDD参数寻优matlab仿真
该程序利用鲸鱼优化算法(WOA)对支持向量数据描述(SVDD)模型的参数进行优化,以提高数据分类的准确性。通过MATLAB2022A实现,展示了不同信噪比(SNR)下模型的分类误差。WOA通过模拟鲸鱼捕食行为,动态调整SVDD参数,如惩罚因子C和核函数参数γ,以寻找最优参数组合,增强模型的鲁棒性和泛化能力。
|
25天前
|
机器学习/深度学习 算法 Serverless
基于WOA-SVM的乳腺癌数据分类识别算法matlab仿真,对比BP神经网络和SVM
本项目利用鲸鱼优化算法(WOA)优化支持向量机(SVM)参数,针对乳腺癌早期诊断问题,通过MATLAB 2022a实现。核心代码包括参数初始化、目标函数计算、位置更新等步骤,并附有详细中文注释及操作视频。实验结果显示,WOA-SVM在提高分类精度和泛化能力方面表现出色,为乳腺癌的早期诊断提供了有效的技术支持。
|
5天前
|
供应链 算法 调度
排队算法的matlab仿真,带GUI界面
该程序使用MATLAB 2022A版本实现排队算法的仿真,并带有GUI界面。程序支持单队列单服务台、单队列多服务台和多队列多服务台三种排队方式。核心函数`func_mms2`通过模拟到达时间和服务时间,计算阻塞率和利用率。排队论研究系统中顾客和服务台的交互行为,广泛应用于通信网络、生产调度和服务行业等领域,旨在优化系统性能,减少等待时间,提高资源利用率。
|
12天前
|
存储 算法
基于HMM隐马尔可夫模型的金融数据预测算法matlab仿真
本项目基于HMM模型实现金融数据预测,包括模型训练与预测两部分。在MATLAB2022A上运行,通过计算状态转移和观测概率预测未来值,并绘制了预测值、真实值及预测误差的对比图。HMM模型适用于金融市场的时间序列分析,能够有效捕捉隐藏状态及其转换规律,为金融预测提供有力工具。
|
12天前
|
机器学习/深度学习 算法 信息无障碍
基于GoogleNet深度学习网络的手语识别算法matlab仿真
本项目展示了基于GoogleNet的深度学习手语识别算法,使用Matlab2022a实现。通过卷积神经网络(CNN)识别手语手势,如&quot;How are you&quot;、&quot;I am fine&quot;、&quot;I love you&quot;等。核心在于Inception模块,通过多尺度处理和1x1卷积减少计算量,提高效率。项目附带完整代码及操作视频。