遗传算法GA解决混合流水车间调度问题HFSP

文章介绍了混合流水车间调度问题(HFSP),并采用带精英保留的遗传算法进行求解。通过MATLAB实现,展示了GA的迭代曲线和甘特图,用于可视化调度结果。

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混合流水车间HFSP

混合流水车间调度问题(HFSP)是传统流水车间调度问题(FSP)的拓展,本文针对HFSP问题进行描述、建模和求解。

混合流水车间问题(HFSP)


问题描述
通常模型做如下假设:
假设


HFSP符号描述:

在这里插入图片描述

决策变量:
决策变量
主要约束:
约束
约束
约束描述
优化目标:
优化目标

遗传算法(带精英保留)求解

本节使用带精英保留的遗传算法GA对HFSP问题进行求解。求解结果如下:


自定义算例如下:
加工时间矩阵:
加工时间
每阶段的并行机数量:
并行机数量


部分代码:
如需完整matlab代码,可私~ ~,也可咨询3249992049(扣)
main.m

clear all;
clc;
%% 生成数据
xls_path='.\工件信息.xlsx';
dataGenerate(xls_path);
%% 加载数据
load jobdata.mat
%% GA遗传算法
GAResult=GA(jobInfo,jobNum,machineVec,machineGroup);
%% GA迭代曲线
figure(1)
plot(GAResult.Convergence_curve_min,'r-','LineWidth',1.5)
hold on
plot(GAResult.Convergence_curve_avg,'b-.','LineWidth',1.5)
xlabel('运行次数');
ylabel('最大完工时间(makespan)');
title('运行结果')
legend('最小值','平均值')
box on; grid on
%% 画出甘特图
ganttIndex=1;
figure(2);
gantt_chart(GAResult.machineTable{ganttIndex},machineName,'甘特图');

GA.m

function GAResult=GA(jobInfo,jobNum,machineVec,machineGroup)
tstart=tic;         % 计时器
%% 种群规模、最大迭代次数
pop=100;
maxGen=100;
% 加工阶段数量,本数据集是8;自变量维度:dim
stageN=length(machineGroup);
dim=2*jobNum*stageN;

% 初始化种群
[chrom]=init(pop,jobNum,machineGroup);

% 计算目标函数值
for i=1:pop
    makespan=fitness(chrom(i,:),jobNum,machineVec,jobInfo,stageN);
    chrom(i,dim+1)=makespan;
end

%% 迭代主循环
Convergence_curve_min=zeros(1,maxGen);
Convergence_curve_avg=zeros(1,maxGen);
for gen=1:maxGen
    % 锦标赛法选择父代
    parent_chromosome=tournamentGA(chrom,dim);
    % 交叉变异
    offspring_chromosome=varOperator(parent_chromosome,jobNum,machineVec,...
        jobInfo,stageN);
    % 下面进行合并种群
    intermediate_chromosome=[chrom;offspring_chromosome];
    % 筛选种群
    [~,index]=sort(intermediate_chromosome(:,dim+1));
    chrom=intermediate_chromosome(index(1:pop),:);
    %% Disp
    disp(['当前迭代次数:',num2str(gen),'||最大完工时间(平均值):',num2str(mean(chrom(:,dim+1))),...
        '||最大完工时间(最小值):',num2str(min(chrom(:,dim+1)))]);
    %% 迭代曲线
    Convergence_curve_min(gen)=min(chrom(:,dim+1));
    Convergence_curve_avg(gen)=mean(chrom(:,dim+1));
end
RunTime=toc(tstart);
% disp(['Time:',num2str(RunTime)]);
%% 保存
GAResult.chrom=chrom;
GAResult.BestMakespan=chrom(1,size(chrom,2));
GAResult.RunTime=RunTime;
GAResult.Convergence_curve_min=Convergence_curve_min;
GAResult.Convergence_curve_avg=Convergence_curve_avg;
for i=1:pop
    [~,GAResult.machineTable{i}]=fitness(chrom(i,:),jobNum,machineVec,jobInfo,stageN);
end
save('GA_运行结果.mat','GAResult');
end

迭代曲线:
迭代曲线


甘特图:

甘特图

写在最后

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### 使用Python实现免疫遗传算法解决杂合性最小化问题 杂合性最小化问题(Heterozygous Fragment Selection Problem, HFSP)是一个复杂的组合优化问题,在生物信息学领域具有重要意义。为了有效求解该类问题,可以采用融合了人工免疫系统特性的改进型遗传算法——即免疫遗传算法。 #### 免疫遗传算法简介 免疫遗传算法结合了传统遗传算法的优点以及来自生物学中的人工免疫系统的特性[^1]。通过引入抗体多样性机制、克隆选择原理等概念来增强种群多样性和局部搜索能力,从而提高全局最优解的发现概率并加快收敛速度。 #### 实现框架概述 基于`scikit-opt`库中的现有组件构建适用于HFSP场景下的自定义版本: - **初始化参数设置** 定义染色体长度、交叉率、变异率以及其他必要的超参数配置项。 - **适应度函数设计** 针对具体应用场景编写计算个体适应度得分的方法,对于HFSP而言,则需考虑如何量化所选片段集合的质量标准。 - **选择操作调整** 考虑到免疫记忆功能的重要性,在常规的选择过程中加入精英保留策略的同时也允许部分低质量但具备新颖特征的个体进入下一代繁殖池。 - **交叉与变异算子定制** 设计适合处理离散变量编码方式下基因交换及随机扰动逻辑的操作符形式;同时利用亲和成熟理论指导新抗原识别过程中的突变方向控制。 - **抑制冗余方案制定** 建立一套有效的负反馈调节体系用于防止过度相似结构重复出现而造成早熟现象发生的风险。 ```python from sko.GA import GA_TSP import numpy as np class IGA_HFSP(GA_TSP): def __init__(self, func, n_dim=None, size_pop=50, max_iter=200, prob_mut=0.001, T=0.7, alpha=0.95): super().__init__(func, n_dim=n_dim, size_pop=size_pop, max_iter=max_iter, prob_mut=prob_mut) self.T = T # Temperature parameter controlling diversity level self.alpha = alpha # Cooling factor reducing temperature over iterations def clone_selection(self): pass def affinity_mature(self): pass def negative_selection(self): pass def fitness_func(solution): """Define the specific evaluation metric here.""" ... iga_hfsp_instance = IGA_HFSP(func=fitness_func, ...) best_x, best_y = iga_hfsp_instance.run() print('Best solution:', best_x) print('Best objective function value:', best_y) ``` 上述代码展示了继承自通用TSP问题求解器的一个简化版IGA-HFSP类模板,并预留了一些待填充的关键方法接口以便后续完善特定业务需求的功能模块开发工作。
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