求解自動(dòng)化藥房路徑優(yōu)化的混沌粒子群算法

熊軍華 吳莉莉 沈海蓮 邱 陽(yáng) 趙吉普 牛 珂 張春歌

（華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州450000）

0 引言

目前，自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用也越來(lái)越廣，而快速發(fā)展藥系統(tǒng)是自動(dòng)化藥房的核心，其發(fā)展快慢決定醫(yī)院的自動(dòng)化程度[1]。提高藥房上藥、出藥的速率是加快藥房自動(dòng)化速度的基礎(chǔ)，其意義重大[2－4]。固定式貨架是目前國(guó)內(nèi)醫(yī)院藥品存儲(chǔ)的主要方式，但這種存儲(chǔ)方式會(huì)使藥品存儲(chǔ)分散，且空間利用率低[5]。因此，藥房自動(dòng)化的關(guān)鍵要素便是如何提高存取藥品的效率，存取藥品時(shí)間和路徑的優(yōu)化便成為一個(gè)關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。

1 儲(chǔ)位分配和模型建立

傳統(tǒng)的存儲(chǔ)策略主要包括定位存放、隨機(jī)存放和分類(lèi)存放[6]。本文主要是通過(guò)時(shí)間和空間這兩個(gè)方面對(duì)藥品路徑進(jìn)行優(yōu)化的，如下所述：

時(shí)間上：將相關(guān)性較高的藥品集中存放，且根據(jù)藥品出入庫(kù)頻率的高低合理的安排藥品的存放位置，頻率高的放在出口近處，反之，則放在出口遠(yuǎn)處。

空間上：使高度相同的藥盒放在同一排，寬度相同的藥盒放在同一列，使其在有限的空間內(nèi)存放更多的藥品，從而達(dá)到提高空間利用率的目的。

根據(jù)以上原則建模，設(shè)儲(chǔ)藥柜總共有m層n列，總高度記為M，總寬度記為N，用坐標(biāo)的方式表示藥槽的位置，即（0,0）為藥品出口位置，（1,1）為離出口位置最近的藥槽，那么（i,j）i=1,2,3.....m;j=1,2,3....n則為第i層第j列的藥槽，設(shè)儲(chǔ)存的藥品種類(lèi)為s。可列目標(biāo)函數(shù)如下：

其中，k代表的是藥品的種類(lèi)，k=1,2,3.....s。fk代表第k種藥品的使用頻率，表示第i行第j列的藥品離出口的距離。

2 粒子群算法和混沌算法簡(jiǎn)介

粒子群優(yōu)化(PSO)算法[7-8]是Kennedy和Eberhart提出的按某種方式迭代的全局隨機(jī)搜索算法。其中的每個(gè)粒子都有自己的飛行速度和當(dāng)前位置，沒(méi)有質(zhì)量和體積，但它們都能夠根據(jù)自己的個(gè)體最優(yōu)值向著全局最優(yōu)值迭代，最終找到群體最優(yōu)解。

在基本粒子群算法中，每個(gè)粒子分布的隨機(jī)性比較大，代入迭代公式后每次求解的值可能不同，且每個(gè)粒子的當(dāng)前速度和位置代入迭代公式更新后，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局部最優(yōu)解，此后所有的粒子都會(huì)根據(jù)自己的判斷力向著這個(gè)局部最優(yōu)解前進(jìn)，所以此算法早期收斂速度較快，但容易陷入早熟。

混沌算法中混沌是一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具有隨機(jī)性，可以由初始值代入迭代方程得到[9]。此算法主要是利用它的遍歷性特點(diǎn)和隨機(jī)性特點(diǎn)，使之在一群隨機(jī)化粒子解的范圍內(nèi)進(jìn)行混沌搜索并迭代更新最優(yōu)值?；煦缢惴ǖ幕静襟E：第一，隨機(jī)化一組混沌變量，其數(shù)目與優(yōu)化變量數(shù)目相同；第二，使優(yōu)化變量和混沌變量結(jié)合；第三，混沌搜索。

3 仿真結(jié)果分析

本文應(yīng)用兩種算法進(jìn)行仿真，即基本粒子群算法和混沌粒子群算法，并將仿真圖形列在同一坐標(biāo)系中。為了便于比較，本次測(cè)試選取粒子種群為100，迭代次數(shù)為500，隨機(jī)采取20個(gè)儲(chǔ)位進(jìn)行仿真，其中每一個(gè)儲(chǔ)位上只能存取一種藥品。

仿真結(jié)果如圖1所示。分析圖1，應(yīng)用基本粒子群算法（綠色曲線）優(yōu)化路徑時(shí)，前一段時(shí)間（1到90代）收斂效果還可以，但90代以后陷入了局部最優(yōu)，在250代時(shí)突破，使最優(yōu)解的適應(yīng)度值再次下降，最終達(dá)到4.24。這里只運(yùn)行了500代，不知后面是否會(huì)再次陷入局部最優(yōu)，所以單純的粒子群算法不能確保路徑的優(yōu)化最優(yōu)。于是在粒子群的基礎(chǔ)上加入混沌算法，使二者結(jié)合（藍(lán)色曲線），從曲線中可以看出，加入混沌算法后，克服了粒子群易陷入局部最優(yōu)的缺點(diǎn)，且最優(yōu)的適應(yīng)度值從4.24降低到3.56，達(dá)到穩(wěn)定值的代數(shù)也由250代提前到54代。

可知：采用基本粒子群算法迭代250代后穩(wěn)定，最佳適應(yīng)度值為4.24；加入混沌算法后，54代達(dá)到穩(wěn)定，最佳適應(yīng)度值為3.56?；玖Ｗ尤鹤顑?yōu)路徑為：15,6,3,16,11,7,17,14,8,5,19,1,2,4,18,13,9,20,10,12；混沌粒子群最優(yōu)路徑為：15,12,7,8,13,9,20,14,10,2,4,16,3,19,1,5,11,6,18,17。

可見(jiàn)，混沌算法和粒子群算法的融合可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，避免粒子陷入局部最優(yōu)，加快粒子的收斂速度，更好地對(duì)粒子的路徑進(jìn)行了調(diào)度優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將混沌算法加入到基本粒子群算法中，克服了粒子群的缺點(diǎn)，并將其應(yīng)用在自動(dòng)化藥房的路徑調(diào)度優(yōu)化當(dāng)中，通過(guò)仿真驗(yàn)證了其可以提高自動(dòng)化藥房存取藥品的效率，同時(shí)也驗(yàn)證了混沌粒子群算法的優(yōu)越性。由此可見(jiàn)算法結(jié)合后更能發(fā)揮本身的優(yōu)勢(shì)，混沌粒子群算法也必將擴(kuò)展到其他方面。

［1］李成群,王偉,贠超,等.自動(dòng)化藥房的現(xiàn)狀和新進(jìn)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2007(5)：27-32.

［2］COLEMAN B.Hospital pharmacy staff attitudes towards automated dispensing before and after implementation[J].Hospital Pharmacy,2001,11(6)：248－251.

［3］楊東,劉妙方,譚志堅(jiān),等.住院/門(mén)診整合式藥房自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和解決方案[J].臨床醫(yī)學(xué)工程,2009,16(11)：10－12.

［4］劉相權(quán),贠超.基于PMAC和PLC的自動(dòng)化藥房出藥系統(tǒng)的研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2008,30(11)：20－22,30.

［5］趙雪峰,贠超,劉相權(quán),等.自動(dòng)化藥房系統(tǒng)調(diào)度的優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,35(10)：0193-0195.

［6］黃丹華,王肅.基于混合粒子群算法的貨位優(yōu)化分配問(wèn)題[J].應(yīng)用科技,2013,40(4)：9－13.

［7］R Eberhart,J kennedy.A new optimizer using particle swarm theory.in：Proc of the 6th int’l Symposium on Micro Machine and Human Science.Piscataway,N J：IEEE Service Center,1995：39-43[Z].

［8］J kennedy,R Eberhart.Particle swarm optimization.IEEE int’l Conf on Neural Networks，Perth，Australia，1995[Z].

［9］高鷹,謝勝利.混沌粒子群優(yōu)化算法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2004,31(8).