一種基于免疫算法的大型纜機(jī)gps誘導(dǎo)路徑優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及纜機(jī)運(yùn)行路徑優(yōu)化領(lǐng)域，具體涉及一種基于免疫算法的大型纜機(jī)GPS 誘導(dǎo)路徑優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大型纜機(jī)運(yùn)行施工現(xiàn)場，投入了各種施工設(shè)備、呈立體交錯(cuò)布置，尤其是多臺(tái)平移 式纜索起重機(jī)與其它設(shè)備的工作范圍多有重疊現(xiàn)象。這些大型纜機(jī)施工設(shè)備呈立體交錯(cuò)式 布局，工作現(xiàn)場在有限的高山峽谷，形成了一個(gè)交叉重疊，相互影響的作業(yè)環(huán)境，為安全施 工埋下了各種隱患。纜機(jī)自身重量和起吊運(yùn)物體的重量都較大，一旦與其它大型設(shè)備或建 筑物發(fā)生碰撞，容易造成設(shè)備損傷，甚至可能造成設(shè)備或其部件的報(bào)廢及人員傷亡。同時(shí)纜 機(jī)施工一般在高空霧氣較重，又考慮到在夜晚施工或陰霧天氣下能見度很低等因素，這些 不利的自然環(huán)境因素將給司機(jī)的施工操作以及相應(yīng)的監(jiān)測和跟蹤等帶來很大的困難，嚴(yán)重 時(shí)容易產(chǎn)生工程事故。
[0003] 利用GPS實(shí)時(shí)高精度定位技術(shù)誘導(dǎo)大型纜機(jī)安全高效運(yùn)行，已經(jīng)成為當(dāng)前信息化 施工的發(fā)展趨勢，但是GPS的合理誘導(dǎo)的前提是有一種高效智能算法來提供合理的行車線 路，以規(guī)避各種碰撞風(fēng)險(xiǎn)、提高行車效率、符合纜機(jī)司機(jī)科學(xué)操作。顯然，現(xiàn)有的人工指揮和 信號(hào)預(yù)警方式，不僅難以有效控制此施工模式下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，而且容易因效率低造成工期 延誤。因此，針對多臺(tái)纜機(jī)同時(shí)施工工況，無法兼顧安全、效率和可操作性的問題，有必要研 究一種適應(yīng)不同工況模式和各種自然環(huán)境施工的纜機(jī)路徑優(yōu)化方法，來保障纜機(jī)施工安全 性和高效性。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0004] 為了克服上述【背景技術(shù)】的缺陷，本發(fā)明提供一種基于免疫算法的大型纜機(jī)GPS誘 導(dǎo)路徑優(yōu)化方法，能夠兼顧安全和效率的問題，并且可適應(yīng)復(fù)雜工況。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題本發(fā)明的所采用的技術(shù)方案為：
[0006] -種基于免疫算法的大型纜機(jī)GPS誘導(dǎo)路徑優(yōu)化方法，包括：
[0007] 步驟1，確定纜機(jī)可行范圍；
[0008] 步驟2，在可行范圍內(nèi)選取兩個(gè)纜機(jī)的初始路徑；
[0009] 步驟3，將初始路徑信息編碼成為初始種群，同時(shí)設(shè)定最大迭代次數(shù)；
[0010] 步驟4，對初始種群進(jìn)行親和度評(píng)價(jià)，篩選出優(yōu)質(zhì)抗體和劣質(zhì)抗體；
[0011] 步驟5,對優(yōu)質(zhì)抗體和劣質(zhì)抗體進(jìn)行克隆操作得到克隆種群，對除優(yōu)質(zhì)抗體和劣質(zhì) 抗體之外的剩余抗體進(jìn)行免疫和變異操作得到免疫種群；
[0012] 步驟6,對克隆種群和免疫種群中的所有抗體共同濃度抑制操作，得到新種群；
[0013] 步驟7,判斷新種群是否收斂或當(dāng)前迭代次數(shù)是否不小于最大迭代次數(shù)，若是，則 將新種群作為結(jié)果輸出，若否，則將新種群作為初始種群并回到步驟4,并且將當(dāng)前迭代次 數(shù)加1。
[0014] 較佳地，纜機(jī)可行范圍是指寬度為W、長度為S的路徑范圍，其中d為吊鉤與障礙物 間允許的安全距離，S為纜機(jī)運(yùn)行的起點(diǎn)到終點(diǎn)的長度。
[0015] 較佳地，可行范圍不包括灰色區(qū)域，灰色區(qū)域是指寬度與壩面相同且高度不小于 最高施工設(shè)備的水平面。
[0016] 較佳地，初始路徑數(shù)量小于最大種群數(shù)的50%，最大種群數(shù)為20~50。
[0017] 較佳地，將初始路徑信息編碼成為抗體種群，包括:優(yōu)化迭代次數(shù)、抗體種群容量、 免疫操作中選擇抗體的個(gè)數(shù)、克隆操作中保留的抗體個(gè)數(shù)、變異程度控制參數(shù)、親和度計(jì)算 參數(shù)、分組個(gè)數(shù)。
[0018] 較佳地，步驟4對抗體種群進(jìn)行親和度評(píng)價(jià)的方法為：設(shè)定整體評(píng)價(jià)函數(shù)F = W1* f"safel+W2*f safe2+W3*f ecnomy+W^^f smooth，
[0019]
，D為吊鉤運(yùn)行過程中 與壩體、邊坡之間的最小距離，d為吊鉤與障礙物間允許的安全距離；
[0020]
，其中 llSin9和 l2sin0分別為兩纜機(jī)的擺動(dòng)距離，L12為兩纜機(jī)吊鉤的軸心距；
[0021]
，其中S為纜機(jī)運(yùn)行總路程，L為取 料點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的直線距離；
[0022]
'其中ΔΘ為轉(zhuǎn)向過程中 轉(zhuǎn)過的角度，A s為轉(zhuǎn)向過程中做走弧長；
[0023 ] W1，W2，W3，W4為由層次分析法確定的各函數(shù)權(quán)重。
[0024] 較佳地，步驟4篩選優(yōu)質(zhì)抗體和劣質(zhì)抗體的方法為:依據(jù)各抗體親和度評(píng)價(jià)所得的 值，由高到低對抗體種群中的各個(gè)抗體進(jìn)行排序，將位于前列10%以內(nèi)的抗體作為優(yōu)質(zhì)抗 體，位于末尾10%以內(nèi)的抗體作為劣質(zhì)抗體，優(yōu)質(zhì)抗體和劣質(zhì)抗體數(shù)均不小于1。
[0025] 較佳地，步驟5中對優(yōu)質(zhì)抗體和劣質(zhì)抗體進(jìn)行克隆操作得到克隆種群的方法為:克 隆優(yōu)質(zhì)抗體，并用優(yōu)質(zhì)抗體替換劣質(zhì)抗體。
[0026] 較佳地，步驟5中對除優(yōu)質(zhì)抗體和劣質(zhì)抗體之外的剩余抗體進(jìn)行免疫和變異操作 得到免疫種群的方法包括：
[0027] 免疫操作，依據(jù)步驟4所得的各個(gè)抗體的親和度，選取最優(yōu)抗體作為疫苗，為各個(gè) 剩余抗體接種疫苗；
[0028] 變異操作，對經(jīng)免疫的剩余抗體的至少一位基因值按照設(shè)定的變異概率做突變操 作，變異概率由人工確定。
[0029] 較佳地，步驟6的具體方法包括:計(jì)算克隆種群和免疫種群中各個(gè)抗體的親和度， 將所有抗體依據(jù)親和度值由高到低排序，選取與初始種群個(gè)數(shù)相等的抗體作為新種群。
[0030] 本發(fā)明的有益效果在于:設(shè)定最大種群，且初始路徑按一定比例在最大種群中選 取，一方面保證路徑選擇的科學(xué)性，另一方面避免路徑太多，本發(fā)明優(yōu)選的20%可以避免演 示路徑太多造成運(yùn)算的浪費(fèi)。利用免疫操作提取當(dāng)前最優(yōu)解為疫苗，可提高種群收斂速度， 使優(yōu)化過程效率更高;克隆操作保留了當(dāng)前最優(yōu)解，可以有效的防止種群退化現(xiàn)象。整個(gè)優(yōu) 化過程綜合考慮了纜機(jī)運(yùn)行的安全、效率和可操作性，使纜機(jī)在安全運(yùn)行的前提下同時(shí)保 證效率，并且考慮了纜機(jī)間的相互影響給出高度優(yōu)化的誘導(dǎo)路徑，既有效消除纜機(jī)間的碰 撞風(fēng)險(xiǎn)，又保證施工效率。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的初始路徑的立體圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的初始路徑的側(cè)視圖；
[0034] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)化后路徑的立體圖；
[0035] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)化后路徑的側(cè)視圖；
[0036] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例收斂路徑的立體圖；
[0037] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例收斂路徑的側(cè)視圖；
[0038] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例最優(yōu)路徑與經(jīng)驗(yàn)路徑的對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，一種基于免疫算法的大型纜機(jī) GPS誘導(dǎo)路徑優(yōu)化方法，本實(shí)施例中所有的纜機(jī)位置信息均是由GPS平臺(tái)系統(tǒng)提供的，該方 法包括：
[0040] 步驟1，確定纜機(jī)可行范圍；
[0041] 纜機(jī)可行范圍是指寬度為W、長度為S的路徑范圍，纜機(jī)靜態(tài)障礙物(邊坡、壩體)之 間的安全距離d由纜機(jī)的運(yùn)行速度V和纜機(jī)的制動(dòng)能力確定，V為纜機(jī)運(yùn)行速度，a為 纜機(jī)的制動(dòng)能力，
[0042]
(xi，yi，zi)(x2，y2，z2)為一個(gè) 纜機(jī)運(yùn)行中選取的特定的兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，而t為該纜機(jī)在兩個(gè)點(diǎn)之間運(yùn)行走過一次的時(shí)間。
[0043] 對纜機(jī)運(yùn)行的路程由每一段路徑的長度求和，然后將轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的一小段弧線進(jìn) 行近似處理，得出總路程S。
[0044] 由于大壩表面參差不齊，施工人員眾多，危險(xiǎn)因素難以判斷，因此大壩表面上方一 定區(qū)域定義為灰色區(qū)域，可行范圍不包括灰色區(qū)域，灰色區(qū)域是指，灰色區(qū)域是指寬度與壩 面相同且高度不小于最高施工設(shè)備的水平面。本實(shí)施例根據(jù)施工設(shè)備的高度和人員活動(dòng)的 范圍確定，在本文的中的灰色區(qū)域設(shè)為壩面到上方3.5m，纜機(jī)運(yùn)行路徑盡量不接近灰色區(qū) 域。
[0045] 步驟2,在可行范圍內(nèi)選取兩個(gè)纜機(jī)的初始路徑;初始路徑數(shù)量小于最大種群數(shù)的 50%，最大種群數(shù)為20~50。
[0046] 過多的初始路徑演示起來太復(fù)雜，因此本實(shí)施例最大種群數(shù)為30,初始路徑選取 最大種群的1/5,也即按一定間隔為兩個(gè)纜機(jī)分別選取6組初始路徑，如圖2和圖3所示。 [0047]為了保證在運(yùn)行過程中兩纜機(jī)間空間距離盡量大，一號(hào)纜機(jī)以較大角度向下運(yùn) 行；當(dāng)接近壩體后為保證安全平行壩面運(yùn)行，然后緩慢進(jìn)入工作面。二號(hào)纜機(jī)在相對較高的 平面運(yùn)行，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作面上方時(shí)開始逐漸下落;當(dāng)一號(hào)纜機(jī)已減速進(jìn)入工作面，慢慢趨向靜 止，兩纜機(jī)間碰撞風(fēng)險(xiǎn)很小，此時(shí)二號(hào)纜機(jī)從高處下落，可以安全進(jìn)入工作面同時(shí)施工。如 圖2所示。
[0048] 步驟3，將初始路徑信息編碼成為初始種群，同時(shí)設(shè)定最大迭代次數(shù)；
[0049] 將初始路徑信息編碼成為抗體種群，包括:優(yōu)化迭代次數(shù)、抗體種群容量、免疫操 作中選擇抗體的個(gè)數(shù)、克隆操作中保留的抗體個(gè)數(shù)、變異程度控制參數(shù)、親和度計(jì)算參數(shù)、 分組個(gè)數(shù)。
[0050] 將初始路徑信息編碼成為初始種群的函數(shù)為：
[0051 ] [Bestl,Best2,Allfarm]=AIA(M,N,Ns,Nr,Pd,alpha,K)；
[0052] M為優(yōu)化迭代次數(shù)，N為抗體種群容量，Ns為免疫操作中選擇抗體的個(gè)數(shù)，Nr為克隆 操作中保留的抗體個(gè)數(shù)，Pd為變異程度控制參數(shù)，alpha為親和度計(jì)算參數(shù)，K為分組個(gè)數(shù)， Bestl為一號(hào)纜機(jī)優(yōu)化結(jié)果，Best2為二號(hào)纜機(jī)優(yōu)化結(jié)果
[0053] 抗體初始化厶1^瓜111=厶111^13〇(17111；[1^&1(1^，11，1();
[0054] η為初始抗體個(gè)數(shù)
[0055] 步驟4,對初始種群進(jìn)行親和度評(píng)價(jià)，篩選出優(yōu)質(zhì)抗體和劣質(zhì)抗體；
[0056] 41)對抗體種群進(jìn)行親和度評(píng)價(jià)的：
[0057] 設(shè)定整體評(píng)價(jià)函數(shù) F = Wl*fsafel+W2*fsafe2+W3*fecmmy+W4*f smooth，
[0058]
，D為吊鉤運(yùn)行過程中 與壩體、邊坡之間的最小距離，d為吊鉤與障礙物間允許的安全距離；
[0059]
其中 lisin