多目标优化软件开发及应用范文

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1改进粒子群算法与灰色决策相结合的多目标优化方法

1．1改进粒子群算法针对原始粒子群算法的不足，对原始粒子群算法进行了改进．改进后的粒子群算法在设定每个目标函数优化比例（以下简称为“每个目标函数的优化度”）和每个目标函数原始值（一般可选为优化前原始解所对应的每个目标函数的函数值）的情况下，以种群欧式距离最小作为全局极值及个体极值的评估准则，能同时对多个目标函数进行并行优化计算，并得到一组非劣解．改进后粒子群算法流程如下。

1．2灰色决策灰色决策对样本要求低、计算量小、易于编程实现，在自然科学、社会科学和经济管理等很多领域具有广泛应用［14］．基于灰色关联度理论，运用因素的灰色关联度确定指标权重，以方案的加权灰色关联度作为评判准则，建立一种多目标决策模型［15］．主要步骤如下。

2多目标优化软件开发

基于Windows操作系统，采用VisualBasic的可视化界面设计并结合MATLAB强大的计算处理及图形显示功能，进行软件开发．整个软件为VB界面＋MATLAB计算引擎＋MicrosoftAccess数据库管理数据模式，具体为：采用VB开发输入界面，进行前处理工作，完成多目标优化数学模型及参数输入或者从MicrosoftAccess中调用基本数据；调用MATLAB完成优化计算、决策及数据后处理工作；再用VB显示优化结果．利用ActiveX技术实现MATLAB与VB的信息交换，完成数据通信［16］；VB在调用和处理Ac－cess数据库中的数据是通过ADO控件完成的［17］．采用VB，MATLAB和Access数据库联合编程时，三者之间的关系如图3所示．该优化软件的开发在很大程度上提高了工程实践中多目标优化设计的效率，提高了多目标优化方法的实用性与可靠性．编制完成的软件主要由三大模块组成：基本参数设置模块、输入计算模块、输出与结果显示模块，输入计算模块内含打包编制完成的优化计算程序和决策程序．图2为欢迎界面，基本参数设置界面、输入界面及输出界面等可以参看3．2节中图6至图9．

3应用实例

掘进机铲板是掘进机主要工作部件之一，其工作效率和寿命直接影响掘进机的工作性能，改进铲板参数对提高掘进机整机性能有着重要意义［18］．利用上述软件，对掘进机铲板参数进行多目标优化设计．首先建立掘进机装载能力、装载煤岩时铲板的推进阻力（以下简称推进阻力）与铲板主要结构参数（铲板倾角、铲板宽度）之间的函数关系及铲板参数约束条件；然后应用上述多目标优化软件，为提高装载能力同时减小推进阻力，对铲板参数进行多目标优化设计．

3．1掘进机铲板参数多目标优化模型的建立依据图3所示的铲板简图和图4所示的煤岩在铲板面上的堆积情况，以能进入第1运输机溜槽煤量计算，并考虑煤岩堆积，计算装载能力如式（6）所示．铲板推进煤岩时，推进阻力计算示意图如图4所示，考虑煤岩的压缩、断裂、剪切阻力及其沿铲板面移动的运移阻力等，根据材料力学与工程机械地面力学等相关知识推导，可得推进阻力如式（7）所示．

3．2优化过程及结果应用上述软件进行多目标优化，主要步骤如下：1）打开应用软件出现欢迎界面，如图2所示；2）单击“下一步”，到“优化算法基本参数设置”界面，并设置各参数，如图6所示；3）单击“下一步”，到输入界面，单击“目标函数”按钮，并在“输入窗口”中输入目标函数，当完成1个目标函数的输入后，单击输入窗口左侧的“确定”按钮，该目标函数将在“显示窗口”显示出来，然后再输入下一个目标函数，如图7所示．按照同样的方法依次完成约束条件、自变量初始点、优化度等的输入。4）单击“下一步”，进入到输出界面，单击“优化求解”，系统进行计算，等待系统在显示窗口提示“处理完毕”后，可单击“优化过程”，在“显示窗口”将显示整个优化过程，如图8所示．单击“优化结果”，在“显示窗口”将显示优化结果，此优化结果为上述优化过程中出现的所有非劣解的灰色决策最优解．在输出界面单击“优化结果对比”，在“显示窗口”将显示优化前后结果对比，如图9所示．5）单击“退出”，退出该软件．为了更清楚地展现灰色决策前后的决策效果，限于篇幅所限，表1随机给出了所有非劣解（一共2000个）中的15个及其所对应的目标函数值．由表1可知，非劣解是只是满足优化度条件下的一个解，其各目标函数值优化程度不一致，且同时使这2个目标函数均得到优化的非劣解更少．由图9可知：灰色决策后的最优解为Ft＝5．131kN，Q＝4．954m3／min；与原始值相比，推进阻力减小了6．62％，装载能力提高了3．68％．灰色决策后的最优解使2个目标函数同时得到了优化，且在灰色关联度意义下，每个目标函数同时达到了最大优化程度．EBZ230型掘进机铲板在优化前已经是批量化生产产品，对此优化结果是满意的，达到了提高装载能力同时减小推进阻力的预期优化目标．

4结论

本文提出了一种以与基值欧式距离最小作为全局极值及个体极值评估准则的改进粒子群算法，该算法能同时对多目标函数进行并行优化，求出非劣解集；然后用灰色决策模型在非劣解集中选出最优解，从而实现了多目标优化；联合MATLAB和VB，开发了一款基于改进粒子群算法与灰色决策相结合的多目标优化软件，提高了该多目标优化方法的实用性；将该软件应用于掘进机铲板参数多目标优化，取得了良好的优化效果，验证了该方法的可行性。

作者：毛君 李强 谢苗 曹建南 单位：辽宁工程技术大学 机械工程学院