الگوریتم ژنتیک و کاربرد آن در برنامه ریزی فرآیند به کمک کامپیوتر CAPP

 بخشی از فهرست مطالب پروژه الگوریتم ژنتیک و کاربرد آن در برنامه ریزی فرآیند به کمک کامپیوتر CAPP

 مقدمه

 فصل یکم -معرفی برنامه ریزی فرآیند به کمک کامپیوتر(CAPP) و الگوریتم ژنتیک

 برنامه ریزی فرآیند به کمک کامپیوتر

  رویکرد بنیادی

  رویکرد متنوع

  الگوریتم ژنتیک

 کلیات الگوریتم ژنتیک

 قسمت های مهم الگوریتم ژنتیک

 تابع هدف و تابع برازش

  انتخاب

  تقاطع

  جهش

 فصل دوم- نمونه هایی از کاربرد الگوریتم ژنتیک در برنامه ریزی فرآیند به کمک کامپیوتر

 بهینه سازی مسیر فرآیند با استفاده از الگوریتم ژنتیک

  توصیف توالی فرآیند

  استراتژی کد گزاری

  تجزیه و تحلیل همگرایی

 همگرایی نزدیک شونده

 همگرایی با در نظر گرفتن احتمال

 همگرایی G?ها در توالی سازی فرایندهای پشت سر هم

 تعریف یک قانون

 اپراتورهای ژنتیک

 اپراتور انتخاب

  اپراتور تغییر و انتقال

  اپراتور جهش

  برقراری تابع تناسب

  آنالیز محدودیت ها

  برقراری تابع برازش

 مثال

 مثالهایی برای کاربرد این روشها

 تاثیر پارامترهای متغیر بر روند تحقیقات

 نتیجه گیری

 روشی برای برنامه ریزیمقدماتی ترکیبات دورانی شکل محور Cاستفاده از الگوریتم ژنتیک

 مقدمه

 مدول های سیستمCAPP? پیشنهاد شده

 تجسم قطعه

 تولید توالی های ممکن

 الزامات اولویت دار

  الزامات تلرانس هندسی

  رابطه ویژگی های اولویت دار

 ? بهینه سازی با استفاده از الگوریتم ژنتیک G?

  تابع برازش

  الگوریتم ژنتیک

  نتایج و بحث

 نتیجه گیری

 فصل سوم الگوریتم پیشنهادی برای کاربرد الگوریتمژنتیک در طراحی قطعه به کمک کامپیوتر در محیط صنعتی

 مقدمه

 الگوریتم ژنتیک

 سیستم های تولیدی توزیع شده

 نمایش طرح های فرایند

 جمعیت اولیه

 تولید مثل

 ادغام

 دگرگونی و جهش

  ارزیابی کروموزوم

  مینیمم سازی زمان فرایند

  مینیمم سازی هزینه های تولید

  مطالعات موردی

  CAPPسنتی

  CAPP توزیع شده

  ارزیابی

  معیار اول

  معیار دوم

 فصل چهارم -نتیجه گیری

 منابع

فهرست جدولها

جدول2-1- استراتژی کدگذاری

جدول2-2 توالی سازی با استفاده از G?تحویل

جدول 2-3- رابطه نوع ویژگی کدبندی ویژگی سلول ماشینکاری و کدبندی طبیعی G?

جدول 2-

جدول 2-

جدول 2-

جدول 2-

جدول 2-8 توالی های  اولیه

جدول 2-9-جزئیات برای قطعه نمونه

جدول 2-10- الگوههای اولویت و مجاورت

جدول 2-11- جمیعت اولیه

جدول2-12-نسل بعد از تولید مجدد

جدول 2-13 -فرآیند ادغام

جدول 2-14- فرآیند جهش

جدول 2-15- توالی های بهینه/نزدیك بهینه

جدول3-1- اطلاعات تولید

جدول 3-4-طرح فرآیند مطالعه موردی

جدول 3-3- ماتریس تقدم و تاخر

جدول 3-2-منابع موجود در کارگاه تولید

جدول 3-5- رابطه تقدم و تاخر برای مطالعه موردی

جدول 3-6- شاخصهای زمان و هزینه در سه کارخانه

جدول 3-7- منابع مورد استفاده در سه کارخانه

جدول 3-8 توصیف هفت عملیات اصلی

جدول 3-9 منابع موجود در عملیات ماشینکاری

جدول 3-10- طرح فرآیند بر طبق ضابطه کمینه کردن هزینه تولید

جدول 3-11 طرح فرآیند بر طبق ضابطه کمینه کردن زمان فرآیند

مقدمه:

در جهان صنعتی امروز، به تولید به عنوان یك سلاح رقابتی نگریسته می شود و سازمانهای تولیدی در محیطی قرار گرفته اند كه از ویژگی های آن می توان به افزایش فشارهای رقابتی، تنوع در محصولات، تغییر در انتظارات اجتماعی و افزایش سطح توقع مشتریان اشاره كرد. محصولات در حالی كه باید بسیار كیفی باشند، تنها زمان كوتاهی در بازار می مانند و باید جای خود را به محصولاتی بدهند كه با آخرین ذائقه، سلیقه و یا نیاز مشتریان سازگار هستند. بی توجهی به خواست مشتری و یا قصور در تحویل به موقع ممكن است بسیار گران تمام شود. شرایط فوق سبب گردیده تا موضوع اطلاعات برای سازمانهای تولیدی از اهمیت زیادی برخوردار شود. از طرف دیگر، آخرین بررسی ها حاكی از آن است كه استراتژی رقابتی مبتنی بر بازار خود نیز به تدریج در حال گذر است و چشم انداز استراتژیك رقابت در آینده مبتنی بر منابع خواهد بود. به عبارت دیگر در حالی كه شركتها امروزه موفقیت را در تبعیت و استفاده درست از قوانین، فرصتها و شرایط دیكته شده توسط بازار می دانند، استراتژی مبتنی بر منابع بر این موضوع تاكید دارد كه منفعت و موفقیت بیشتر با اتكا بر مزیتها و منابع منحصر به فرد و قابل اطمینان شركت و سرمایه گذاری به منظور توسعه و حفاظت از آنها حاصل خواهد شد.
البته منابع تولیدی مورد نظر تنها شامل سرمایه، زمین، ماشین آلات و تجهیزات نمی شوند، بلكه بنای تولید نسل آینده بر تاكید و توجه به اطلاعات، مدیریت دانش و توجه ویژه به مسئله آموزش افراد خواهد بود.
وضعیت به وجود آمده و تحولات صورت گرفته مذكور در حوزه فعالیتهای تولیدی، اگرچه خود حاصل به كارگیری گسترده و همه جانبه فناوریهای اطلاعاتی در این حوزه است، ولی در عین حال باعث توجه مضاعف سازمانها و شركتهای تولیدی به مقوله اطلاعات و فناوریهای مرتبط با آن شده است. این تحقیق با هدف تبیین موضوع فوق به طور عام و تبیین بخش خاصی از آن به نام برنامه ریزی فرایند به کمک کامپیوتر صورت گرفته است. اهمیت این بررسی از آنجا ناشی می شود كه چند سالی است در كشور، افزایش تعداد واحدهای تولیدی و به تبع آن تحقق نسبی فضای رقابتی باعث گردیده تا توجه تولیدكنندگان و شركتهای صنعتی به كیفیت محصولات، افزایش سهم بازار و مسئله صادرات معطوف گردد. از همین رو به نظر مــی رسد دانستن تحولات صورت گرفته در بخشهای تولیدی جوامع پیشرفته می تواند در تعیین و شناخت بهتر مسیری كه سازمانهای تولیدی و صنعتی كشور برای ارتقای توان رقابتی خود باید طی كنند موثر واقع شود. توسعــه های اخیر در حوزه فناوری اطلاعات به ویژه هوش مصنوعی و سیستم های خبره، وضعیت تولید در جوامع صنعتی را دگرگون ساخته است.

عصر فعلی را برخی عصر اطلاعات لقب داده اند. این نامگذاری شاید به این دلیل باشد كه امروزه اطلاعات به جزء تفكیك ناپذیر زندگی بشر تبدیل شده است. اگرچه اطلاعات از دیرباز در زندگی بشر تاثیر بسزایی داشته و انسان برای تصمیم گیریها و طی طریق همواره محتاج به آن بوده است ولی آنچه كه امروزه اهمیت آن را صدچندان كرده، شرایط نوین زندگی و افزایش سهم اطلاعات در آن است.
اختراع رایانه، امكان پردازش سریع و ذخیره حجم انبوهی از داده ها را فراهم آورد و پیشرفتهای بعدی در زمینه ارتباط بین رایانه ها و امكان تبادل داده بین آنها، تبادل و انتقال اطلاعات را در سطح وسیعی ممكن ساخت. این رویدادها به همراه سایر پیشرفتهای صورت گرفته در زمینه الكترونیك و ارتباطات اعم از میكروالكترونیك، نیمه هادیها، ماهواره و روباتیك به وقوع انقلابی در زمینه نحوه جمع آوری، پردازش، ذخیره سازی، فراخوانی و ارائه اطلاعات منجر گردید كه شكل گیری فناوری اطلاعات حاصل این رویداد بود.
براساس تعریف، فناوریهای اطلاعاتی مجموعه ای از ابزارها، تجهیزات، دانش و مهارتهاست كه از آنها در گردآوری، ذخیـــــره سازی، پردازش و انتقال اطلاعات (اعم از متن، تصویر، صوت و...) استفاده می شود.
در این میان نقش ابزارهای رایانه ای و مخابراتی به وضوح مشخص است. این فناوری به سرعت در حال رشد است و فعالیتها و سرمایه گذاریهای انجام شده در این زمینه به ویژه پس از ظهور پدیده اینترنت، بسیار چشمگیر است. دامنه علوم مرتبط با آن بسیار گسترده و وسیع بوده و مباحثی نظیر علوم رایانه و مهندسی نرم افزار، مخابرات، هوش مصنوعی، سیستم های اطلاعاتی مدیریتی، سیستم های پشتیبانی تصمیم، مهندسی دانش، فناوری چندرسانه ای، مدیریت اطلاعات، امنیت داده و اطلاعات، داد و ستد و ارتباطات انسان - رایانه، ارتباطات گروهی مبتنی بر رایانه، روباتیك و پایگاههای اطلاعاتی اینترنتی را شامل می شود. پرتوهای این فناوری نوین بسیاری از زوایای زندگی انسان را فرا گرفته است و بسیاری از علوم و موضوعها را تحت تاثیر خود قرار داده است.
امروزه موارد استفاده فناوری اطلاعات را می توان در آموزش، مدیریت و سازمان، پزشكی، تجارت، امور نظامی، تولید و صنعت، تحقیقات، حمل و نقل، كنترل ترافیك و صنعت نشر به وضوح مشاهده كرد.
جستجو به منظور یافتن راهی بهتر برای تولید قطعات، همواره عامل محرك و اساسی در خودكارسازی یا اتوماسیون بوده است. تعویض نیروی كار انسانی با ماشین را می توان ابتدایی ترین مرحله خودكارسازی تولید دانست كه حدوداً در سال 1775 میلادی به وقوع پیوست و انقلاب صنعتی نقش موثری در رابطه با آن داشت. دستگاه تراش و نقاله ها نمونه هایی از مكانیزاسیون ایجاد شده بودند. روند اتوماسیون، در سال 1952 با ساخت اولین ماشین NC در دانشگاهMIT وارد مرحله جدیدی شد كه مشخصه بارز آن عبارت بود از جایگزینی كنترل انسانی با كنترل خودكار ماشین. نوعی از اتوماسیون قابل برنامه ریزی بود كه عملیات آن به وسیله اعداد و نشانه ها كنترل می شد.
در دهه 70، با ظهور رایانه های ارزانتر و كارآتر و پیشرفتهای الكترونیكی و مخابراتی، اتوماسیون های نقطه ای نیز به تدریج گسترش یافته و با پیوستن به یكدیگر تبدیل به اتوماسیون های گسترده تری به نام جزایر اتوماسیون شدند. جزایر اتوماسیون نشانگر مجموعه ای از زیرسیستم های یكپارچه خودكار شده در كارخانه هستند. سیستم های تولید انعطاف پذیر، سیستم مدیریت تولید، سیستم های یكپارچه جابجایی و انبارسازی مواد و سیستم های CAM وCAD نمونه هایی از جزایر اتوماسیون ایجاد شده هستند. انگیزه غایی، همانا خواست انسان برای افزایش هرچه بیشتر اتوماسیون در سیستم تولیدی به منظور دستیابی به بهره وری بالاتر است.
باادامه فعالیت و تحقیق بر روی جزایر اتوماسیون، این جزایر نیز به مرور توسعه پیدا كرده و شروع به همپوشانی و رقابت با یكدیگر كردند.
این مسئله به همراه جایگزینی تدریجی اندیشه سیستمـی و كل نگر به جای اندیشه جزء نگرانه، همچنین پیشرفتهـای صورت گرفته در زمینه فناوری اطلاعات باعث شد تا برخی به فكر یكپارچه سازی كلیـه عملیات تولیدی با یكدیگر بیفتند و به این ترتیب موضـوع «تولید یكپارچه رایانه ای» Computer Integrated Manufacturing = CIM)) مطرح گردید.
تولید یكپارچه رایانه ای اگرچه پایان تلاشهای محققان در خودكارسازی امور تولیدی و صنعتی نیست اما از آنجا كه نمایانگر خودكارسازی و یكپارچه سازی كلیه فعالیتهای مرتبط با تولید به وسیله به كارگیری رایانه ها، روبات ها و شبكه های ارتباطی در درون یك كارخانه است دارای اهمیت بسیار زیادی است.
تولیدیكپارچه رایانه ای نوعی فناوری است كه می تواند به هر صنعت وابسته شده و توسط آن صنعت هدایت شود، بدین معنی كه هر صنعت برحسب مجموعه تجارب، نیازمندیها و موقعیتهای خاص خود، شرایطی ویژه برای تولید یكپارچه رایانه ای فراهم می آورد. از این رو، تعاریف و توصیفهای متفاوتی برای آن وجود دارد. در زیر نمونه هایی از توصیف های صورت گرفته ارائه شده است.
سیستم یكپارچه رایانه ای شامل رایانه ای كردن فراگیر و سیستماتیك فرایند تولیدی است. چنین سیستم هایی بااستفاده از پایگاه داده های مشترك، فعالیتهایی همچون طراحی به كمك رایانه، ساخت به كمك رایانه، مهندسی به كمك رایانه، انجام تست ها، تعمیرات و مونتاژ را یكپارچه می سازند.
(اسپریت، كمیسیون انجمن های اروپایی 1982) سیستم تولید یكپارچه رایانه ای عبارتست از به كارگیری یكپارچه اتوماسیون بر پایه رایانه و سیستم های پشتیبانی تصمیم گیری به منظور مدیریت فعالیتهای سیستم تولیدی، از طراحی محصول تا فرایند تولیدی و نهایتاً توزیع به انضمام مدیریت تولید و موجودی و مدیریت منابع مالی.
(هارن و براون 1984) سیستـم تولید یكپارچه رایانـه ای، پردازنـده های مواد و اطلاعات است كه سه زیر سیستم اصلی آنها عبارتند از: سیستم فیزیكی كارخانه، سیستم تصمیم و سیستم اطلاعاتی.
(مایر 1990) تولید یكپارچه رایانه ای عبارت است از علم و هنر خودكارسازی بااستفاده از یكپارچگی حاصل از فناوری اطلاعات در فرآیندهای تولیدی. (یومانز و همكاران 1986)
با كمی دقت در توصیفها و دیدگاههای مذكـور در مورد تولیـد یكپارچه رایانـه ای مـــی توان به نقش و اهمیت اطلاعـات و فناوریهای اطلاعاتی در تحقق سیستم تولید یكپارچـه رایانه ای پی برد. به بیان دیگر، می توان گفت كه این سیستم در طی روند توسعه فناوری اطلاعات به مانند فعالیت مهمی در كنار آن ظاهر گردیده و گسترش یافته است.
برای بررسی نقش فناوری اطلاعات در این سیستم بهتر است كه ابتدا دیدگاه مذكور كمی شفاف تر شود. همانگونه كه هارن، براون و شیونان در كتابشان اشاره می كنند، درك مسئله این سیستم بستگی به زمینه تجربی و دیدگاه اشخاص نسبت به آن دارد. از این رو است كه نگرشها و دیدگاههای متفاوتی در رابطه با آن وجود دارد كه آنها در اثر خود به برخی از آنها اشاره كرده اند. آنچه در اینجا به عنوان ملاك در نظر گرفته می شود، دیدگاهی است كه خودهارن و همكارانش در مورد این سیستم ارائه كرده اند. این دیدگاه كه در شكل یك نشان داده شده است به لحاظ جامعیت و نگرش سیستمی، مناسبترین دیدگاه از بین دیدگاههای موجود به نظر می رسد .
ارتباط نشانگر یكپارچگی مجموعه عملیات و نیز نشاندهنده مدار بسته بازخورد اطلاعات هستند. به طور خلاصـه، مـی توان گفت كه تولید یكپارچه رایانه ای به معنی یكپارچگی جزایر اتوماسیون مرتبط با عملیات اداری - مالی، پشتیبانی مهندسی، مدیریت تولید و عملیات مربوط به سطح اجرایی است. این فرایند به وسیله ارتباطات رایانه ای و تسهیلات ذخیره سازی داده ها انجام می شود.
در گذشته طراحی قطعات و محصولات به صورت دستی و بااستفـاده از میزهای بزرگ و ابزارهای نقشــــه كشی انجام می گرفت و نقشه ها غالباً برروی كاغذ ترسیم می شدند. به همین سبب طراحیها عموماً وقت گیر و پردردسر بودند. همچنین در صورت ترسیم اشتباه و یا تغییر طرح، اصلاح و رسم مجدد نقشه ها زمان زیادی را به خود اختصاص می داد. این مسئله در مواردی كه محصول از قطعات متعدد و پیچیده برخوردار بود نمود بیشتری داشت. نگهداری نقشه ها و مراقبت از آنها نیز مسئله دیگری بود كه هم فضای زیادی را می طلبید و هم زمان قابل توجهی را برای كدگذاریبایگانی و بازیابی مجدد به خود اختصاص می داد. بااین همه این نقشه ها تنها نمایانگر شكل و وضعیت هندسی و مكانی قطعات نسبت به یكدیگر آن هم به صورت دو بعدی بودند.
به تدریج با بكارگیری رایانـه در امر نقشــه كشی و ایجاد و توسعه نرم افزارهای CAD ، تحولی در امور طراحی به قوع پیوست. كاهش خطاهای طراحی و تولید، ایجاد تناسب میان نقشه و روشهای تولید، تشخیص آسان روابط اجزای قطعه در مرحله تحلیل، تسهیل در آمــاده سازی مستندات و بهبود یا افزایش استانداردهای طراحی از مزایای طراحی به كمك رایانه بودند.
امروزه باافزایش توان رایانه ها در ذخیره و پردازش داده و همچنین پیشرفتهای صورت گرفته در زمینه فناوریهای اطلاعاتی به ویژه هوش مصنوعی، امكانات و قابلیتهای سیستـــم های CAD به طور چشمگیری افزایش یافته است. نرم افزارهای پیشرفتهCAD امروزی، امكان ایجاد مدلهای توپر سه بعدی را برای طراح فراهم آورده اند. این نرم افزارها با بهره برداری وسیع از تكنیــك های هوش مصنوعی و به لطف سیستم های خبره تعبیه شده در آنها، قابلیت تجزیه و تحلیل طرحها را نیز دارا هستند. به عنوان مثال آنها قادرند جرم طرح، حجم طرح و مركز ثقل قطعات را محاسبه و تعیین كنند.

بخشی از منابع و مراجع پروژه الگوریتم ژنتیک و کاربرد آن در برنامه ریزی فرآیند به کمک کامپیوتر CAPP
1- رضائی، علیرضا، آموزش کاربردی الگوریتم ژنتیک در نرم افزار MATLAB، انتشارات آذر، 1386، 7-23.
2-براون، جیمی و هارن، جان و شیونان، جیمز، غضنفری، مهدی و صغیری، سروش، سیستم های مدیریت تولید (با نگرشی یکپارچه)، دانشگاه علم و صنعت تهران، 1379، 39-44.
3- Alojzij S, Peter B, Goran B. A multi-agent approach to process planning and fabrication in distributed manufacturing. Comput Ind Eng 1998;35:455–8.
4- Ueda K. Aconcept for bionic manufacturing systems based on DNA-type information. Proceedings of the eighth internationalprolomat conference, Tokyo, 1992. p. 53–864.1.
5- Yoshikawa H. Intelligent manufacturing systems program (IMS).technical cooperation that transcends cultural differences. Tokyo: University of Tokyo; 1992.
6- Wang B. Integrated product, process and enterprise design. London: Chapman & Hall; 1997.
7- Goldberg DE. Genetic algorithms in search, optimization, and machine learning. Reading, MA: Addison-Wesley; 1989.
8- Ma GH, Zhang F, Zhang YF, Nee AYC. An automated process planning system based on genetic algorithm and simulated annealing. Proceedings of the ASME design engineering technical conference, vol. 3. 2002. p. 57–63
9- Li WD, Ong SK, Nee AYC. Hybrid generic algorithm and simulated approach for the optimization of process plans for prismatic parts. Int J Prod Res 2003;4(8):1899–922.
10- Alam MR, Lee KS, Rahman M, Zhang YF. Process planning optimization for the manufacture of injection moulds using a generic algorithm. Int J Comput Integr Manuf 2003;16(3):181–91.
11- Bhashara RSV, Shunmugam MS, Narendran TT. Operation sequencing in CAPP using genetic algorithms. Int J Prod Res 1999;37(5):1063–74.
12- Reeves CR. Genetic algorithms. In: Reeves CR, editor. Modern heuristic techniques for combinatorial problems. Orient Longman; 1993. p. 151–88 [chapter 4].
13- Joa˜ o Rocha, Carlos Ramos, Zita Vale. Process planning using a
genetic algorithm approach. Proceedings of the 1999 IEEE international symposium on assembly and task planning, Porto, Portugal, 1999. p. 338 44.
14- Zhang F. Genetic algorithm in computer-aided process planning. MEng thesis, National University of Singapore, 1997.
15- Zhang F, Zhang YF, Nee AYC. Using genetic algorithms in process planning for job shop machining. IEEE Trans Evol Comput 1997;1(4):278 89.
16- Kamhawi HN, Leclair RS, Philip CL. Feature sequencing in the rapid design system using a genetic algorithm. J. Intell. Manuf. 1996;7:55–67.
17- Ulusoy G, Serifoglu SF, Bilge U. A genetic algorithm approach to the simultaneous scheduling of machines and automated guided vehicles. In: Proceedings of first symposium on intelligent manufacturing systems, Sakarya, TR; 1996, p. 438–61.
18- Chen CJ, Tseng CS. The path and location planning of workpieces by genetic algorithms. J. Intell. Manuf. 1996;7:69–76.
19- Holland JH. Adaptation in Natural and Artificial Systems. Ann Arbor: The University of Michigan Press; 1975.
20- Michalewicz Z. 2nd ed. Genetic Algorithms+Data Structure-Evolutionary Programs. Berlin, Heidelberg: Springer; 1994.
21- De Jong KA. An analysis of the behavior of a class of genetic adaptive systems, (Doctoral dissertation, University of Michigan), Diss. Abstr. Internat. 36(10):5140B [University Microfilms No 76- 9381].
22- Gorges-Schleuter M. ASPARAGOS An asynchronous parallel genetic optimization strategy. Proceedings of the first international conference on genetic algorithms. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates; 1985. p. 422–7.
23- Davis L. Applying adaptive algorithms to epistatic domains. Proceedings of the international joint conference on artificial intelligence. 1985. p. 162–4.
24- Oliver IM, Smith DJ, Holland JRC. A study of permutation crossover operators on the traveling salesman problem. Proceedings of the second international conference on genetic algorithms. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associate; 1987. p. 224–30.