这是为了求解高空台试验调度优化问题而设计的遗传算法,请详细解释代码

时间: 2024-12-01 22:18:39 浏览: 4
RAR

代码 离散型遗传算法求解组合优化代码

star5星 · 资源好评率100%
### 高空台试验调度优化问题的遗传算法实现详解 #### 1. 问题背景 高空台试验调度优化问题是将多个试验任务合理安排在不同的试验舱内,以最小化总完成时间(makespan),同时满足资源约束和任务间的依赖关系。 #### 2. 数据结构与参数定义 - **任务定义** (`tasks`): ```python tasks = { 0: {'duration': 0, 'successors': [11, 21, 31, 32, 41, 42, 51, 52]}, 11: {'duration': 0.8, 'successors': [12], 'resources': [350, 25870, 12750]}, ... 60: {'duration': 0, 'successors': []} } ``` - `duration`: 任务持续时间。 - `successors`: 后继任务列表。 - `resources`: 任务所需的资源量(供气、抽气、软化水)。 - **资源限制** (`resource_limits`): ```python resource_limits = [790, 110000, 43000] ``` - **任务与试验舱对应关系** (`task_experiment`): ```python task_experiment = { 11: "T101", 12: "T101", ... 52: "T105" } ``` #### 3. 遗传算法主要步骤 ##### 3.1 初始化种群 - **初始化种群** (`initialize_population`): ```python def initialize_population(population_size, tasks): population = [] task_ids = list(tasks.keys()) task_ids.remove(0) task_ids.remove(60) for _ in range(population_size): individual = [0] + random.sample(task_ids, len(task_ids)) + [60] population.append(individual) return population ``` - 创建初始种群,每个个体是一个任务序列,包含所有任务且以0开头、60结尾。 ##### 3.2 修复任务顺序 - **修复任务顺序** (`repair_task_order`): ```python def repair_task_order(individual, tasks): valid_orders = { "T101": [[11, 12, 13]], "T102": [[21, 22, 23], [22, 21, 23]], ... } experiment_tasks = {exp: [] for exp in valid_orders} for task_id in individual: exp = task_experiment.get(task_id) if exp in experiment_tasks: experiment_tasks[exp].append(task_id) for exp, tasks_in_exp in experiment_tasks.items(): if tasks_in_exp not in valid_orders[exp]: corrected_order = random.choice(valid_orders[exp]) experiment_tasks[exp] = corrected_order repaired_individual = [] for task_id in individual: exp = task_experiment.get(task_id) if exp and experiment_tasks[exp]: repaired_individual.append(experiment_tasks[exp].pop(0)) else: repaired_individual.append(task_id) return repaired_individual ``` - 确保每个试验舱内的任务顺序符合预定义的有效顺序。 ##### 3.3 适应度函数 - **适应度函数** (`fitness_function`): ```python def fitness_function(individual, tasks, resource_limits): total_duration = 0 resource_usage = np.zeros(len(resource_limits)) task_queue = [] end_times = {} experiment_last_task_time = {exp: None for exp in set(task_experiment.values())} current_time = 0 index = 1 while index < len(individual) - 1: task_started = False for i in range(index, len(individual) - 1): task_id = individual[i] task = tasks[task_id] task_duration = task['duration'] task_resources = task['resources'] experiment = task_experiment.get(task_id, None) is_first_task_in_experiment = experiment_last_task_time[experiment] is None if all(resource_usage[j] + task_resources[j] <= resource_limits[j] for j in range(len(resource_limits))) and \ (is_first_task_in_experiment or current_time >= experiment_last_task_time[experiment] + 1): start_time = current_time end_time = start_time + task_duration end_times[task_id] = end_time experiment_last_task_time[experiment] = end_time task_started = True for j in range(len(resource_limits)): resource_usage[j] += task_resources[j] heapq.heappush(task_queue, (end_time, task_id, task_resources)) index += 1 break if not task_started: if task_queue: current_time = task_queue[0][0] while task_queue and task_queue[0][0] <= current_time: finish_time, finished_task, finished_resources = heapq.heappop(task_queue) for j in range(len(resource_limits)): resource_usage[j] -= finished_resources[j] else: current_time += 0.5 return max(end_times.values()) ``` - 计算个体的适应度值,即完成所有任务所需的时间。 - 使用优先队列管理任务的完成时间和资源释放。 ##### 3.4 选择操作 - **轮盘赌选择** (`roulette_wheel_selection`): ```python def roulette_wheel_selection(fitness_scores): total_fitness = sum(1 / score for _, score in fitness_scores) pick = random.uniform(0, total_fitness) current = 0 for individual, score in fitness_scores: current += 1 / score if current > pick: return individual ``` - 根据适应度值选择个体,适应度越低的个体被选中的概率越高。 ##### 3.5 交叉操作 - **交叉操作** (`crossover`): ```python def crossover(parent1, parent2, tasks): point1, point2 = sorted(random.sample(range(1, len(parent1) - 1), 2)) child = [-1] * len(parent1) child[point1:point2] = parent1[point1:point2] pos = point2 for task in parent2: if task not in child: while child[pos] != -1: pos = (pos + 1) % len(child) child[pos] = task child = repair_start_end(child) child = repair_task_order(child, tasks) return child ``` - 在两个父代之间进行部分匹配交叉,生成新个体并修复任务顺序。 ##### 3.6 变异操作 - **逆转变异** (`inversion_mutation`): ```python def inversion_mutation(individual): idx1, idx2 = sorted(random.sample(range(1, len(individual) - 1), 2)) individual[idx1:idx2] = reversed(individual[idx1:idx2]) individual = repair_start_end(individual) individual = repair_task_order(individual, tasks) return individual ``` - 随机选择一段区间,反转该区间的任务顺序。 - **交换变异** (`swap_mutation`): ```python def swap_mutation(individual): idx1, idx2 = random.sample(range(1, len(individual) - 1), 2) individual[idx1], individual[idx2] = individual[idx2], individual[idx1] individual = repair_start_end(individual) individual = repair_task_order(individual, tasks) return individual ``` - 随机选择两个任务,交换它们的位置。 - **变异操作选择** (`mutate`): ```python def mutate(individual, tasks, mutation_type="random"): if mutation_type == "inversion": return inversion_mutation(individual) elif mutation_type == "swap": return swap_mutation(individual) elif mutation_type == "random": if random.random() < 0.5: return inversion_mutation(individual) else: return swap_mutation(individual) return individual ``` ##### 3.7 局部搜索 - **局部搜索** (`local_search`): ```python def local_search(individual, tasks, resource_limits): if random.random() < 0.5: new_individual = insert_neighborhood(individual) else: new_individual = shift_neighborhood(individual) if fitness_function(new_individual, tasks, resource_limits) < fitness_function(individual, tasks, resource_limits): return new_individual return individual ``` - 随机选择插入或移位邻域结构进行局部搜索,如果局部搜索后的个体更优,则返回新的个体。 ##### 3.8 遗传算法主函数 - **遗传算法主函数** (`genetic_algorithm`): ```python def genetic_algorithm(population_size, generations, tasks, task_experiment, resource_limits, crossover_rate=0.9, mutation_rate=0.1): population = initialize_population(population_size, tasks) best_individual = None best_fitness = float('inf') for generation in range(generations): fitness_scores = [(individual, fitness_function(individual, tasks, resource_limits)) for individual in population] for individual, fitness in fitness_scores: if fitness < best_fitness: best_individual = individual best_fitness = fitness new_population = [] for _ in range(population_size): parent1, parent2 = roulette_wheel_selection(fitness_scores), roulette_wheel_selection(fitness_scores) if random.random() < crossover_rate: child = crossover(parent1, parent2, tasks) else: child = parent1[:] if random.random() < mutation_rate: if random.random() < 0.5: child = insert_neighborhood(child) else: child = shift_neighborhood(child) new_population.append(child) new_fitness_scores = [(individual, fitness_function(individual, tasks, resource_limits)) for individual in new_population] new_fitness_scores.sort(key=lambda x: x[1]) top_30_percent = int(population_size * 0.3) for i in range(top_30_percent): individual = new_fitness_scores[i][0] improved_individual = local_search(individual, tasks, resource_limits) new_fitness_scores[i] = (improved_individual, fitness_function(improved_individual, tasks, resource_limits)) for individual, fitness in new_fitness_scores: if fitness < best_fitness: best_individual = individual best_fitness = fitness population = [ind for ind, _ in new_fitness_scores] return best_individual, best_fitness ``` #### 4. 结果可视化 - **绘制甘特图** (`plot_gantt_chart`): ```python def plot_gantt_chart(start_times, end_times): fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6)) experiment_order = ["T101", "T102", "T103", "T104", "T105"] y_ticks = [] experiment_y_mapping = {experiment: i for i, experiment in enumerate(experiment_order)} for task_id, start_time in start_times.items(): end_time = end_times[task_id] experiment = task_experiment.get(task_id, None) if experiment in experiment_y_mapping: y_pos = experiment_y_mapping[experiment] ax.barh(y_pos, end_time - start_time, left=start_time, height=0.4, align='center') ax.text(start_time + (end_time - start_time) / 2, y_pos, f"{task_id}\n{start_time:.1f}-{end_time:.1f}", ha='center', va='center', color='white') ax.set_yticks(list(experiment_y_mapping.values())) ax.set_yticklabels(experiment_order) ax.set_xlabel("Time (hours)") ax.set_title("Gantt Chart of Optimal Task Scheduling by Experiment") ax.set_xlim(left=0) plt.show() ``` #### 5. 主程序运行 - **主程序**: ```python experiment_runs = 30 population_size = 100 generations = 250 all_best_fitness = [] for run in range(experiment_runs): best_solution, best_fitness = genetic_algorithm(population_size, generations, tasks, task_experiment, resource_limits) best_fitness = round(best_fitness, 1) all_best_fitness.append(best_fitness) print(f"Experiment {run + 1} best fitness: {best_fitness}") print("\nBest fitness values from each experiment:") for i, fitness in enumerate(all_best_fitness, 1): print(f"Experiment {i}: {fitness}") overall_best_fitness = round(min(all_best_fitness), 1) print(f"\nOverall best fitness from 30 experiments: {overall_best_fitness}") ``` ### 总结 本代码实现了基于遗传算法的高空台试验调度优化问题求解。通过初始化种群、修复任务顺序、计算适应度、选择、交叉、变异和局部搜索等步骤,逐步优化任务调度方案,最终输出最优解及其对应的甘特图。
阅读全文

相关推荐

最新推荐

recommend-type

模拟退火算法与遗传算法结合及多目标优化求解研究.pdf

《模拟退火算法与遗传算法结合及多目标优化求解研究》 多目标优化问题在当前的遗传算法应用中占据重要地位。经典遗传算法在处理此类问题时,往往难以生成足够均匀的帕累托最优集,这是由于其内在的“未成熟收敛”...
recommend-type

基于遗传算法的矩形件排样问题求解

《基于遗传算法的矩形件排样问题求解》 矩形件优化排样是工业生产中的一个重要课题,尤其在煤矿机械等领域,有效地安排矩形零件在矩形板材上的布局,能够最大程度地节省材料,提高材料利用率,从而降低生产成本。...
recommend-type

python 遗传算法求函数极值的实现代码

本篇将详细解释如何使用Python实现遗传算法来求解函数的极值。 首先,我们创建一个名为`Ga`的类,该类包含了遗传算法的核心组件: 1. **初始化**:`__init__`方法设置了搜索空间的边界(`boundsbegin`和`boundsend...
recommend-type

使用Python求解带约束的最优化问题详解

在本文中,我们将深入探讨如何使用Python来解决带有约束条件的最优化问题。最优化问题在许多领域,如工程、经济学、数据科学等,都扮演着至关重要的角色。Python提供了强大的库来处理这类问题,例如`sympy`和`scipy`...
recommend-type

双层规划模型的遗传算法求解的Matlab源码-双层规划模型的遗传算法求解的Matlab源码.doc

双层规划模型的遗传算法求解是指使用遗传算法解决双层规划问题,这类问题广泛应用于管理科学、经济学、工程等领域。遗传算法是一种基于自然选择和遗传的优化算法,模拟生物进化过程来搜索最优解。 在这个Matlab源码...
recommend-type

Angular程序高效加载与展示海量Excel数据技巧

资源摘要信息: "本文将讨论如何在Angular项目中加载和显示Excel海量数据,具体包括使用xlsx.js库读取Excel文件以及采用批量展示方法来处理大量数据。为了更好地理解本文内容,建议参阅关联介绍文章,以获取更多背景信息和详细步骤。" 知识点: 1. Angular框架: Angular是一个由谷歌开发和维护的开源前端框架,它使用TypeScript语言编写,适用于构建动态Web应用。在处理复杂单页面应用(SPA)时,Angular通过其依赖注入、组件和服务的概念提供了一种模块化的方式来组织代码。 2. Excel文件处理: 在Web应用中处理Excel文件通常需要借助第三方库来实现,比如本文提到的xlsx.js库。xlsx.js是一个纯JavaScript编写的库,能够读取和写入Excel文件(包括.xlsx和.xls格式),非常适合在前端应用中处理Excel数据。 3. xlsx.core.min.js: 这是xlsx.js库的一个缩小版本,主要用于生产环境。它包含了读取Excel文件核心功能,适合在对性能和文件大小有要求的项目中使用。通过使用这个库,开发者可以在客户端对Excel文件进行解析并以数据格式暴露给Angular应用。 4. 海量数据展示: 当处理成千上万条数据记录时,传统的方式可能会导致性能问题,比如页面卡顿或加载缓慢。因此,需要采用特定的技术来优化数据展示,例如虚拟滚动(virtual scrolling),分页(pagination)或懒加载(lazy loading)等。 5. 批量展示方法: 为了高效显示海量数据,本文提到的批量展示方法可能涉及将数据分组或分批次加载到视图中。这样可以减少一次性渲染的数据量,从而提升应用的响应速度和用户体验。在Angular中,可以利用指令(directives)和管道(pipes)来实现数据的分批处理和显示。 6. 关联介绍文章: 提供的文章链接为读者提供了更深入的理解和实操步骤。这可能是关于如何配置xlsx.js在Angular项目中使用、如何读取Excel文件中的数据、如何优化和展示这些数据的详细指南。读者应根据该文章所提供的知识和示例代码,来实现上述功能。 7. 文件名称列表: "excel"这一词汇表明,压缩包可能包含一些与Excel文件处理相关的文件或示例代码。这可能包括与xlsx.js集成的Angular组件代码、服务代码或者用于展示数据的模板代码。在实际开发过程中,开发者需要将这些文件或代码片段正确地集成到自己的Angular项目中。 总结而言,本文将指导开发者如何在Angular项目中集成xlsx.js来处理Excel文件的读取,以及如何优化显示大量数据的技术。通过阅读关联介绍文章和实际操作示例代码,开发者可以掌握从后端加载数据、通过xlsx.js解析数据以及在前端高效展示数据的技术要点。这对于开发涉及复杂数据交互的Web应用尤为重要,特别是在需要处理大量数据时。
recommend-type

管理建模和仿真的文件

管理Boualem Benatallah引用此版本:布阿利姆·贝纳塔拉。管理建模和仿真。约瑟夫-傅立叶大学-格勒诺布尔第一大学,1996年。法语。NNT:电话:00345357HAL ID:电话:00345357https://theses.hal.science/tel-003453572008年12月9日提交HAL是一个多学科的开放存取档案馆,用于存放和传播科学研究论文,无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构,也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire
recommend-type

【SecureCRT高亮技巧】:20年经验技术大佬的个性化设置指南

![【SecureCRT高亮技巧】:20年经验技术大佬的个性化设置指南](https://www.vandyke.com/images/screenshots/securecrt/scrt_94_windows_session_configuration.png) 参考资源链接:[SecureCRT设置代码关键字高亮教程](https://wenku.csdn.net/doc/6412b5eabe7fbd1778d44db0?spm=1055.2635.3001.10343) # 1. SecureCRT简介与高亮功能概述 SecureCRT是一款广泛应用于IT行业的远程终端仿真程序,支持
recommend-type

如何设计一个基于FPGA的多功能数字钟,实现24小时计时、手动校时和定时闹钟功能?

设计一个基于FPGA的多功能数字钟涉及数字电路设计、时序控制和模块化编程。首先,你需要理解计时器、定时器和计数器的概念以及如何在FPGA平台上实现它们。《大连理工数字钟设计:模24计时器与闹钟功能》这份资料详细介绍了实验报告的撰写过程,包括设计思路和实现方法,对于理解如何构建数字钟的各个部分将有很大帮助。 参考资源链接:[大连理工数字钟设计:模24计时器与闹钟功能](https://wenku.csdn.net/doc/5y7s3r19rz?spm=1055.2569.3001.10343) 在硬件设计方面,你需要准备FPGA开发板、时钟信号源、数码管显示器、手动校时按钮以及定时闹钟按钮等
recommend-type

Argos客户端开发流程及Vue配置指南

资源摘要信息:"argos-client:客户端" 1. Vue项目基础操作 在"argos-client:客户端"项目中,首先需要进行项目设置,通过运行"yarn install"命令来安装项目所需的依赖。"yarn"是一个流行的JavaScript包管理工具,它能够管理项目的依赖关系,并将它们存储在"package.json"文件中。 2. 开发环境下的编译和热重装 在开发阶段,为了实时查看代码更改后的效果,可以使用"yarn serve"命令来编译项目并开启热重装功能。热重装(HMR, Hot Module Replacement)是指在应用运行时,替换、添加或删除模块,而无需完全重新加载页面。 3. 生产环境的编译和最小化 项目开发完成后,需要将项目代码编译并打包成可在生产环境中部署的版本。运行"yarn build"命令可以将源代码编译为最小化的静态文件,这些文件通常包含在"dist/"目录下,可以部署到服务器上。 4. 单元测试和端到端测试 为了确保项目的质量和可靠性,单元测试和端到端测试是必不可少的。"yarn test:unit"用于运行单元测试,这是测试单个组件或函数的测试方法。"yarn test:e2e"用于运行端到端测试,这是模拟用户操作流程,确保应用程序的各个部分能够协同工作。 5. 代码规范与自动化修复 "yarn lint"命令用于代码的检查和风格修复。它通过运行ESLint等代码风格检查工具,帮助开发者遵守预定义的编码规范,从而保持代码风格的一致性。此外,它也能自动修复一些可修复的问题。 6. 自定义配置与Vue框架 由于"argos-client:客户端"项目中提到的Vue标签,可以推断该项目使用了Vue.js框架。Vue是一个用于构建用户界面的渐进式JavaScript框架,它允许开发者通过组件化的方式构建复杂的单页应用程序。在项目的自定义配置中,可能需要根据项目需求进行路由配置、状态管理(如Vuex)、以及与后端API的集成等。 7. 压缩包子文件的使用场景 "argos-client-master"作为压缩包子文件的名称,表明该项目可能还涉及打包发布或模块化开发。在项目开发中,压缩包子文件通常用于快速分发和部署代码,或者是在模块化开发中作为依赖进行引用。使用压缩包子文件可以确保项目的依赖关系清晰,并且方便其他开发者快速安装和使用。 通过上述内容的阐述,我们可以了解到在进行"argos-client:客户端"项目的开发时,需要熟悉的一系列操作,包括项目设置、编译和热重装、生产环境编译、单元测试和端到端测试、代码风格检查和修复,以及与Vue框架相关的各种配置。同时,了解压缩包子文件在项目中的作用,能够帮助开发者高效地管理和部署代码。