基于遗传算法的桥式起重机节能调度优化研究

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随着国民经济的快速发展，工业生产包括特种设备的节能性被广泛关注和研究，尤其是起重机节能技术更加被国内外特别重视。从节能效率入手对起重机节能调度优化的研究恰恰符合节能减排的目标，对于使用特种设备进行生产的企业具有极大的经济效益u 。

随着计算机与信息技术的快速发展，开发-个方便、快捷的起重机节能调度优化系统可以更加快速地得出起重机节能搬运策略口 。本文在国内外对起重机节能性研究基础上，以桥式起重机作业任务为研究对象，计算整个起重机的节能效率与各部分机构节能效率的关系，采用遗传算法进行节能调度的优化，最后开发了面向对象的桥式起重机节能调度优化系统。

1 通用桥式起重机节能效率体系模型1.1工作任务模型在进行数学建模前，需要对现实问题进行适当简化和假设，把实际问题抽象为数学问题，下面做以下假设：1)需要搬运的物料可质量离散化，且不考虑其形状，大小等；2)吊钩在举起和放下物料的时间和等待时间可以忽略不计；3)桥式起重机各部件效率不随使用时间，运行速度等因素变化。

按能量输入输出途径将通用桥式起重机分为大车运行机构、小车运行机构和起升机构，其运文童编号：1 009-01 34(201 3)07(下)-0097-03动方向分别定义为x，Y，Z三个方向，并建立三维运动坐标系0.XYZ。这三个机构的能量流动属于并行关系，即起重机总能耗等于三个机构的总和。大车在x方向上的移动距离为 ，小车在Y方向的移动距离为 起升机构即吊钩在Z方向的移动距离为 ～提升重物离散化，其质量为， 每-个重物初始位置为 ( ， ，Zj)，结束位置为 max，。，Yi，Zi.)，则重物 的移动量为Mi ，d；，d 、)，其中d：xiLxi，d yiI-yi，d Zw Zi o1.2通用桥式起重机节能效率， 起重机分解为大车运行机构，小车运行机构和起升机构，其总节能效率分别为 ， 和 ，。

以上部分机构的节能效率又分别由电动机效率、减速器效率、联轴器效率、车轮轴承效率、变频器节能效率、制动器效率、滑轮组效率等决定，如表 1所示。其中列关系表示部件间的能耗是串联关系，行关系表示部件间的能耗是并联关系。

起重机总效率由二级节能效率按照权重表示为：Ⅵ 6w，n Will (1)其中 l。

继续往下-级分解，大车运行机构、小车运行机构和起升机构的节能效率分别由下式决定：]6[wbWhy ]I 却 I (2) T1把 J破稿日啊：2013-03-04基金项目：江苏省质量技术监督局科技项目 (KJ122717)；国家质量技术监督局科技项目 (2012QK178)作者简介： 巾飞 (1978-)，男，江苏淮安人，硕士，研究方向为机械电子工程。

第35卷 第7期 2013-07(下) 97务1 訇 似表1 通用桥式起重机效率分级表大车运行机构节能效率16 电动机效率Tl 减速器效率T1打 l 联轴器效率T16c 车轮轴承效率T1拍变频器效率11制动器效率T1k通用桥式 小车运行机构节能效率T1 电动机效率 减速器效率 l 联轴器效率11 车轮轴承效率11曲起重机总 变频器效率T1节能效率 制动器效率T111 起升机构节能效率T1 电动机效率'1加 减速器效率T1f， I 滑轮组效率T1驴 钢丝卷绳效率1制动器效率其中w6 w6 Wbz1。

这样起重机总效率完全 由三级效率指标确定。下文根据以上效率条件对起重机节能调度进行优化。

1.3无用功能耗模型要完成的工作是将n个物料从初始位置搬运到指定位置。定义完成-个物料的搬运工作为-个工作循环，其中包括x，Y，z三个方向的移动。

起重机空载状态和负载状态在X，Y方向质量变化不大，即可以忽略两个状态的区别，而在z方向移动时不可忽略。

完成每-个工作循环需要的最小工作量即相应的三个方向的能耗是确定的。而从某-个工作循环结束到下-个工作循环开始之间的空载运行是完全的无用能耗。该能耗不能避免，可根据各物料的不同位置进行调度优化建模。

设任务集合为： ( ， ， ，Zi， I)Ij1刀)起重机总质量为% ，小车质量为 ，钢丝卷绳质量为m，，注意这里钢丝卷绳质量是变量与起升高度有关。大车车轮运行动摩擦系数为 ，小车车轮运行摩擦系数为 。从第i个物料到第i1个物料过程中，起重机大车机构，小车机构及起升机构所做的空载运行克服摩擦力及重力做功 为：1 ： ： l (5)上式中：：1mbgt6( 1-Xi') g ( -Yl1)[981 第35卷 第7期 2013-07(下)： ·g tdt其中P为钢丝绳单位长度质量，S为钢丝绳条数。

在工作状态中，从第i个物料到第i1个物料过程中三个机构各有能量损失，通过节能效率可以求得总能量损耗为：巨。硪。瓦 。 (6)上式中：E IT16(1 1- Il -Xi1)1T1 (1 1- Il - I)E el1 1-ZiII - 1)其中为机构运行单位距离所消耗的总能量，需要通过试验进行测定。

因此，起重机在运行时，从第i个物料到第i1个物料过程中的总无用功能耗为：：l 1点 1E0lE 1节能调度优化就是要求完成当前所有工作前提下，所节省的能源最优，所以目标函数设定为完成所有工作所做的无用能耗最小：I n-iminl∑ ：。 硪 戤， ，)ie[0 1·Li-o2 遗传算法求解2.1基于搬运顺序的编码及解码这里采用字符串的编码方法，对第i个要搬运的物料 进行编码作为染色体的基因，在该基因中包括物料的质量，初始位置坐标和最终位置坐标。染色体是所有物料搬运顺序的-个排列，且每个染色体均为问题的-个解。

例如有5种物料组成的搬运任务如图l所示，其中 表示第-种需要搬运的物料，该类物料单个重量为10吨，初始位置坐标为(0，0，3)，最终位置坐 标 为 (3 0，1 0，5)， 得 到 的 染 色 体 为似 ， ， ， ， )。

这样的编码方式生成的染色体全部是合法的，并简化交叉与变异操作的约束条件，提高算法运行效率。