带静不平衡约束的正交矩形布局问题的启发式模拟退火算法*

以卫星舱布局为背景,研究一类带静不平衡约束的正交矩形布局问题.借鉴拟物策略,定义矩形与矩形、矩形与圆形容器之间的嵌入度计算公式,将该问题转变为无约束的优化问题.通过将启发式格局更新策略、基于梯度法的局部搜索机制与具有全局优化功能的模拟退火算法相结合,提出一种求解带静不平衡约束的正交矩形布局问题的启发式模拟退火算法.算法中的启发式格局更新策略产生新格局和跳坑,梯度法搜索新格局附近能量更低的格局.另外,在布局优化过程中,通过在挤压弹性势能的基础上增加静不平衡量惩罚项,并采用质心平移的方法,使布局系统的静不平衡量达到约束要求.实验表明,文中算法是一种解决带静不平衡约束的正交矩形布局问题的有效算法.     

基于蚁群算法的带平衡约束矩形布局问题的启发式求解

以卫星舱布局问题作为研究背景,求解了带平衡约束的矩形布局问题。采用启发式策略设计了分区域分步布局法,该策略将圆形卫星舱承重板分成4个区域,分区域同步进行布局。当所布矩形和区域都确定时,采用最左最底填充策略进行布局。该方法通过不干涉约束,使布局紧凑,通过控制系统质心的位置,使系统保持平衡。在启发式策略的基础上,设计了蚁群算法搜索优化定位次序,从而得到优化的布局。数值仿真结果表明,该布局方法具有优良的计算性能。     

基于禁忌搜索的启发式算法求解带平衡约束的圆形装填问题

带平衡约束的圆形装填(Packing)问题是一类简化的卫星舱布局优化问题.现提出一个基于禁忌搜索的启发式(TSH)算法对该问题进行求解.算法从任一初始格局出发,应用基于自适应步长的梯度法进行能量极小化.为了使计算能有效地逃离局部极小点的陷阱且避免迂回搜索,算法采用了禁忌搜索的策略.在禁忌搜索的过程中,我们对传统的邻域解、禁忌对象以及当前解接受原则进行了有效的改进.对两组共11个有代表性的算例进行了实算.计算结果表明,TSH算法刷新了其中7个算例的当今国际上的最好纪录,对于其余4个算例,该算法均达到问题的最优解.     

基于带变异算子粒子群优化算法的约束布局优化研究

该文研究二维带平衡及不干涉约束的圆集在圆容器内的布局优化问题(如卫星舱布局),属于NP-Hard问题,难于求解．文章提出了带变异算子的PSO算法(PSO with Mutation Operator),在算法搜索的后期引入变异算子,使算法摆脱后期易于陷入局部极优点的束缚,同时又保持前期搜索速度快的特性．将改进后的算法应用于约束布局问题,建立了此类问题的粒子群算法,并进行了3个算例(其中一个为已知最优解的算例)的数值计算,验证了带变异算子PSO算法在约束布局问题上的可行性和有效性．     

基于自适应粒子群算法的约束布局优化研究

二维带平衡及不干涉约束的圆集在圆容器内的布局优化问题（如卫星舱布局）在理论上属于带性能约束的布局优化M题，它是NP—hard问题的难点，由于它的复杂性，传统的粒子群优化算法难于求解．通过对传统的粒子群优化算法的多重改进，提出了一种自适应粒子群优化算法，该算法在整个搜索过程中，既能保持粒子群原有基本结构，同时又能扩大搜索范围，在提高多样性的同时保证搜索精度，从而加快了收敛速度，有效避免早熟收敛问题，得到最优解．将改进后的算法应用于约束布局问题，建立了此类问题的粒子群算法，通过3个算例的数值计算，验证了该算法的可行性和有效性．     

求解带动不平衡约束的卫星舱布局问题的启发式算法

以卫星舱中承载板上物件的三维布局为背景,研究一类带动不平衡约束的圆柱体形和长方体形待布物的混合布局问题.采用两阶段法进行求解,首先引入基面分配策略,将待布物分配到承载板上、下基面上;然后采用禁忌搜索算法对每一基面上的待布物进行布局优化:对传统禁忌搜索算法中的邻域格局提出启发式的产生策略,并对禁忌对象和格局接受原则进行有效改进,将改进的禁忌搜索算法与局部搜索的梯度下降法相结合,提出一种启发式的布局方法——基于梯度下降的禁忌搜索算法.最后通过算例验证了文中算法的高效性.     

基于Wang-Landau抽样的带静不平衡约束的简化卫星舱布局方法

以简化卫星舱承载板上三维布局设计问题为背景,研究一类带静不平衡约束的圆柱体和长方体混合待布物布局问题。针对该三维布局问题,将已成功应用于统计物理学和蛋白质结构预测的Wang-Landau抽样算法引入布局问题中。Wang- Landau抽样算法通过在复杂布局空间中进行有效抽样来得到一个平坦的能量直方图,从而精确估计布局系统的状态密度。通过将Wang- Landau抽样算法与带加速策略的最速下降法、质心平移策略相结合,提出了改进的Wang-Landau抽样算法。对文献中两个算例进行了实算,计算结果表明,改进的Wang-Landau抽样算法的收敛速度和解的质量相比文献中其它算法均有较大的提高。     

一种多目标不等面积设施布局问题的启发式算法

多目标不等面积设施布局问题（UA-FLP）是将一些不等面积设施放置在车间内进行布局,要求优化多个目标并满足一定的限制条件。以物料搬运成本最小和非物流关系强度最大来建立生产车间的多目标优化模型,并提出一种启发式算法进行求解。算法采用启发式布局更新策略更新构型,通过结合基于自适应步长梯度法的局部搜索机制和启发式设施变形策略来处理设施之间的干涉性约束。为了得到问题的Pareto最优解集,提出了基于Pareto优化的局部搜索和基于小生境技术的全局优化方法。通过两个典型算例对算法性能进行测试,实验结果表明,所提出的启发式算法是求解多目标UA-FLP的有效方法。     

求解卫星舱布局问题的蚁群劳动分工优化算法

卫星舱布局是卫星总体设计的重要组成部分,其研究的是仪器设备在卫星舱内的最佳摆放方式.从空间的角度出发,卫星舱布局的一个设计方案就是不同的仪器设备在容器内占据着不同的空间,当仪器设备所占空间发生变化时,就会形成新的设计方案.因此,卫星舱布局可以看成是将容器空间合理地分配给仪器设备(分配特性),并达到某种最优指标(优化特性).在借鉴蚁群劳动分工任务分配实现卫星舱布局空间分配的基础上,进一步融合卫星舱布局的优化特性,提出一种蚁群劳动分工优化算法.在具体的实现过程中,为基本蚁群劳动分工算法设计启发式占位动作、自适应环境刺激和个性化响应阈值,同时引入禁忌搜索、跳坑策略和接收准则等优化技术,对16个代表性算例的计算结果表明,所提出算法是求解卫星舱布局的有效算法.     

动作空间带平衡约束圆形Packing问题的拟物求解算法

对于一个以卫星舱内设备布局为背景的具有NP难度的全局优化问题——带平衡约束的圆形Packing问题,提出了基于动作空间的拟物求解算法.在拟物下降遇到局部极小点的陷阱时,如何找到当前格局下的最空闲空间以使搜索过程跳到更有前景的区域去是设计跳坑策略的一个关键难点.借鉴求解矩形Packing问题中动作空间的概念,通过化“圆”为“方”,将不规则的空闲空间近似为一系列规则的矩形空间,从而有效地解决了此难点.另外,将拟物法与提前中止、粗精调和自适应步长这3个拟人辅助策略相结合,以提高势能下降的效率.对3组共13个代表性算例的计算结果及与国内外代表性算法的比较表明,所提格局的外包络圆半径多为最小或次小,且在部分算例上找到了有更小外包络圆半径的格局,总体计算结果较好,且静不平衡量的精度较高.     

Multi-objective layout optimization of a satellite module using the Wang-Landau sampling method with local search

The layout design of satellite modules is considered to be NP-hard. It is not only a complex coupled system design problem but also a special multi-objective optimization problem. The greatest challenge in solving this problem is that the function to be optimized is characterized by a multitude of local minima separated by high-energy barriers. The Wang-Landau (WL) sampling method, which is an improved Monte Carlo method, has been successfully applied to solve many optimization problems. In this paper we use the WL sampling method to optimize the layout of a satellite module. To accelerate the search for a global optimal layout, local search (LS) based on the gradient method is executed once the Monte-Carlo sweep produces a new layout. By combining the WL sampling algorithm, the LS method, and heuristic layout update strategies, a hybrid method called WL-LS is proposed to obtain a final layout scheme. Furthermore, to improve significantly the efficiency of the algorithm, we propose an accurate and fast computational method for the overlapping depth between two objects (such as two rectangular objects, two circular objects, or a rectangular object and a circular object) embedding each other. The rectangular objects are placed orthogonally. We test two instances using first 51 and then 53 objects. For both instances, the proposed WL-LS algorithm outperforms methods in the literature. Numerical results show that the WL-LS algorithm is an effective method for layout optimization of satellite modules.     

Two-dimensional equilibrium constraint layout using simulated annealing

This paper studies the layout optimization problem with equilibrium constraint. It is a two-dimensional packing problem with the industrial background of simplified satellite module layout design, and is known as NP-hard problem. By incorporating the heuristic neighborhood search mechanism and the adaptive gradient method into the simulated annealing procedure, a heuristic simulated annealing algorithm is put forward for this problem. The special neighborhood search mechanism can avoid the disadvantage of blind search in the simulated annealing algorithm, and the adaptive gradient method is used to execute local search and speed up finding the global optimal solution. Numerical examples are illustrated to verify the effectiveness of the proposed algorithm.     

Two-dimensional equilibrium constraint layout using simulated annealing

This paper studies the layout optimization problem with equilibrium constraint. It is a two-dimensional packing problem with the industrial background of simplified satellite module layout design, and is known as NP-hard problem. By incorporating the heuristic neighborhood search mechanism and the adaptive gradient method into the simulated annealing procedure, a heuristic simulated annealing algorithm is put forward for this problem. The special neighborhood search mechanism can avoid the disadvantage of blind search in the simulated annealing algorithm, and the adaptive gradient method is used to execute local search and speed up finding the global optimal solution. Numerical examples are illustrated to verify the effectiveness of the proposed algorithm.     

正三角形容器内等圆Packing问题的启发式算法

等圆Packing问题研究如何将n个单位半径的圆形物体互不嵌入地置入一个边长尽量小的正三角形容器内,作为一类经典的NP难度问题,其有着重要的理论价值和广泛的应用背景.模拟退火算法是一种随机的全局寻优算法,通过将启发式格局更新策略与基于梯度法的局部搜索策略融入模拟退火算法,并与二分搜索相结合,提出一种求解正三角形容器内等圆Packing问题的启发式算法.该算法将启发式格局更新策略用来产生新格局和跳坑,用梯度法搜索新产生格局附近能量更低的格局,并用二分搜索得到正三角形容器的最小边长.对41个算例进行测试的实验结果表明,文中算法改进了其中38个实例的目前最优结果,是求解正三角形容器内等圆Packing问题的一种有效算法.     

A new heuristic algorithm for the circular packing problem with equilibrium constraints

The circular packing problem with equilibrium constraints is an optimization problem about simplified satellite module layout design.A heuristic algorithm based on tabu search is put forward for solving this problem.The algorithm begins from a random initial configuration and applies the gradient method with an adaptive step length to search for the minimum energy configuration.To jump out of the local minima and avoid the search doing repeated work,the algorithm adopts the strategy of tabu search.In the pr...     

基于Wang-Landau算法的动态设施布局方法

动态设施布局问题是设施在车间内多个阶段的布局规划问题。目前,针对动态设施布局问题,国内外学者对离散模型研究较多,而对连续模型的研究却较少。根据连续动态设施布局的特性与需求,构建了不等面积设施的动态设施布局连续模型。求解该模型的难点在于缺乏一种高效的布局优化方法。Wang-Landau算法是一种改进的蒙特卡罗算法。通过将Wang-Landau算法与空位点放置策略、外推移动策略、内压移动策略三种启发式策略相结合,提出一种基于Wang-Landau抽样的启发式算法,并以此求解该模型。使用文献中已有的测试算例对提出的算法进行测试,计算结果表明,所提出的算法在求解连续动态设施布局问题上是有效的。