基于遺傳算法的廣汕客專接觸網(wǎng)施工智能化管理初探

陳健信

0 引言

隨著《接觸網(wǎng)靜態(tài)檢測評價方法》、《接觸網(wǎng)動態(tài)檢測評價方法》發(fā)布，加之站后施工時間通常被嚴重壓縮，施工工期、安全、質(zhì)量及成本的管控壓力大大增加，接觸網(wǎng)的施工管理面臨嚴峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的施工技術(shù)和管理模式明顯難以適應，急需探索新型高效、實用的智能化施工管理方法。

升級改造后的工廠化預配系統(tǒng)如智能化腕臂預配平臺、智能化吊弦預配平臺和智能化拉線預制平臺，均獨立運作，各工序未實現(xiàn)集成化[1]。本研究項目在各部分智能化管理的基礎上，對系統(tǒng)更新升級，優(yōu)化頂層設計，從上至下構(gòu)建智能倉儲系統(tǒng)，探索基于遺傳算法構(gòu)建部件智能預配、自動入庫、自動質(zhì)檢分揀、自動出庫及預驗收功能的智能化管理系統(tǒng)。

1 遺傳算法

1.1 遺傳算法應用

通過分析影響智能物料倉庫布局效率的因素，利用蒙特卡洛模擬和遺傳算法等技術(shù)實現(xiàn)部件預裝及物流環(huán)節(jié)智能化。相比人工布局，該方法效率比原方法提高了55%～65%。

根據(jù)智能建造中心建設規(guī)模舉例：布局形式V= 120 m，H= 60 m；共有N= 120個貨架，單一貨架初設為v= 2 m，h= 1 m；走行過道寬d= 1 m。

采用遺傳算法進行倉庫布局優(yōu)化，種群設置：大小P= 100，交叉率C= 0.8，變異率M= 0.2。隨機生成120個布局方案作為初始種群。每種布局的方案均為一種貨架設置方式，由貨架的位置(xi,yi)和方向θi組成（i為貨架編號，i= 1,2,…,120）。

通過矩陣編碼，矩陣的每個元素表示倉庫的一個單元格，元素的值表示該單元格上是否有貨架，即元素值為0表示該單元格上沒有貨架，為1表示該單元格上有貨架。

1.2 遺傳算法的迭代優(yōu)解

對于遺傳算法的迭代，首先計算每個布局方案的適應度值。假設適應度函數(shù)為f=αEs+βEl，其中Es為存儲效率，El為物流效率，α= 0.5，β= 0.5。存儲效率可以通過貨架的使用率來衡量，例如，若一個布局方案使所有貨架的平均使用率為80%，則Es= 0.8。物流效率可以通過平均貨物搬運距離來衡量，例如，若布局方案使平均貨物搬運距離為10 m，那么El= 1 - 10/W= 0.9（W為倉庫寬度）。

然后根據(jù)每個布局方案的適應度值進行選擇操作，選擇P= 100個布局方案進入下一代。在這些布局方案中進行交叉和變異操作，生成新的布局方案。

重復上述過程，直至達到預設的終止條件，例如，迭代次數(shù)T= 1 000或最高適應度值F= 0.95。

得到當前模型中適應度最高的布局選擇，并對其進行后處理和驗證。例如，檢查該布局方案是否滿足所有約束條件，如貨架之間的最小距離、安全通道的寬度等。然后在實際環(huán)境中測試該布局方案，驗證其存儲效率和物流效率。

2 構(gòu)建智能化裝配倉儲系統(tǒng)

（1）智能倉儲是系統(tǒng)后臺，智能預配平臺則為實際交互的前端，得益于智能倉儲系統(tǒng)的“精準投喂”，進一步將智能化放大，實現(xiàn)更高效益。利用遺傳算法得到倉儲系統(tǒng)的最優(yōu)布局形式，拓展延伸將腕臂平臺、吊弦平臺各模塊的布局及取送貨時間因子作為影響整體智能建造中心布局（圖1）的因素，利用遺傳算法進行最優(yōu)布局選擇[2]。

圖1 智能中心布局

（2）構(gòu)建腕臂、吊弦等部件預配平臺與智能倉儲的無縫連接系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)及缺陷檢測機器人技術(shù)構(gòu)建智能物料分揀系統(tǒng)，不僅將傳統(tǒng)分揀速度提高2.2～2.5倍，更能同步高速完成缺陷物料檢測。同時利用三維掃描和分揀機器人自動將缺陷物料從分揀線剔除，實現(xiàn)從入庫源頭精確提升入庫物料質(zhì)量[3]。全智能分揀系統(tǒng)在分揀效率、分揀精度和缺陷檢測方面均達到智能化。此外，在WMS全智能倉儲管理系統(tǒng)支撐下，能夠?qū)λ袀}儲配件實時盤點，對短缺配件進行實時預警。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了從智能倉儲端取料，經(jīng)AGV運輸?shù)筋A配平臺的自動流轉(zhuǎn)，利用機器視覺實現(xiàn)準確裝配，基于遺傳算法進行效率優(yōu)選，相比以往，整體組裝效率提升了60%[4]。

（3）開發(fā)基于深度學習的智能分揀系統(tǒng)，實現(xiàn)自動檢測物料的種類和表面缺陷。該系統(tǒng)利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡對物料圖像進行特征提取，然后分類判斷物料種類。同時，通過檢測圖像中的異常點實現(xiàn)表面缺陷識別，如圖2所示。該系統(tǒng)分類準確率達99%，缺陷識別準確率達95%。

圖2 缺陷識別

3 智能預配中心

（1）智能倉儲。基于遺傳算法，將分揀系統(tǒng)、缺陷檢測系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)、預配系統(tǒng)等各模塊信息連通，構(gòu)建可視化、智能化的倉庫智慧調(diào)度平臺。智能物料系統(tǒng)在廣汕客專接觸網(wǎng)施工項目運用以來，相較于傳統(tǒng)物料倉庫，大大提高了工作效率，減少了材料費用、周轉(zhuǎn)時間和差錯，本項目各種費用合計節(jié)約1 015萬元以上（以460天工期計算）。

（2）接觸網(wǎng)腕臂預配平臺[5]。接觸網(wǎng)腕臂預配平臺包括腕臂精益生產(chǎn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲和通信系統(tǒng)、平臺操作系統(tǒng)、6軸機器人系統(tǒng)、管類零件供料系統(tǒng)、腕臂管加工系統(tǒng)、管夾組件系統(tǒng)、專業(yè)螺栓緊固及扭矩反饋系統(tǒng)、自動噴碼系統(tǒng)和成品出庫系統(tǒng)。應用該平臺每組腕臂裝配平均用時4 min，預配誤差在2 mm以內(nèi)，較以往人工方式功效提升2.5倍。

（3）吊弦智能預配平臺[5]。基于BIM平臺遠程控制，吊弦智能預配平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、帶張力自動定長切斷、零件自動送料、自動穿線、自動收緊、恒壓力帶張力自動壓接、自動下料、自動打印標簽。預配精度在1 mm以內(nèi)，項目運作實際誤差在0.2 mm以內(nèi)，平均功效提升3.2倍。

4 信息化管理

施工智能化管理系統(tǒng)與廣鐵集團施工信息系統(tǒng)實現(xiàn)連通融合。廣鐵集團采用信息化手段實現(xiàn)施工前置手續(xù)辦理、施工計劃編制審核、施工現(xiàn)場組織管控的信息化、智能化。施工智能化系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)廣汕客專接觸網(wǎng)施工零事故，同時實現(xiàn)對電氣化物料進行全生命周期追溯，每個部件都有據(jù)可循。

鐵路局信息管理系統(tǒng)知悉現(xiàn)場智能管理系統(tǒng)反映出工程進度、質(zhì)量缺陷識別、階段性工期目標、運輸協(xié)調(diào)、不同專業(yè)工種施工配合、共享施工天窗等方面需要鐵路局工程建設指揮部、地方政府部門協(xié)調(diào)支持的情況，可以高效聯(lián)動[6]。

5 結(jié)語

廣汕客專接觸網(wǎng)施工項目應用遺傳算法，從智能裝配倉儲系統(tǒng)打通源頭物料管理，到預配平臺突破人工操作制約，再到優(yōu)化組合生產(chǎn)要素，環(huán)環(huán)相扣，提高了建設與施工溝通時效，安全、質(zhì)量、工期、成本多目標全面創(chuàng)優(yōu)，在同專業(yè)施工管理中起到一定示范作用，可供其他客專項目參考。