基于蟻群算法的茶葉抖篩機(jī)參數(shù)優(yōu)化

曹弘毅，楊君慧，王　麗（西安醫(yī)學(xué)院衛(wèi)生管理系，陜西西安710021）

?

基于蟻群算法的茶葉抖篩機(jī)參數(shù)優(yōu)化

曹弘毅，楊君慧，王麗
（西安醫(yī)學(xué)院衛(wèi)生管理系，陜西西安710021）

摘要：將蟻群算法應(yīng)用于茶葉抖篩機(jī)的設(shè)計(jì)中，使其各個(gè)部件的參數(shù)得到優(yōu)化，通過(guò)科學(xué)計(jì)算的方式來(lái)使茶葉生產(chǎn)的工藝進(jìn)一步精細(xì)化。同時(shí)也使機(jī)械性能更加完善，既節(jié)約了能源，延長(zhǎng)了機(jī)器的使用壽命，也大大提高了茶葉的篩分效率。

關(guān)鍵詞：蟻群算法；茶葉抖篩機(jī)；參數(shù)優(yōu)化；篩選效率

曹弘毅（1979-），男，陜西咸陽(yáng)市人，本科，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。

楊君慧（1980-），女，陜西合陽(yáng)人，研究生，副教授。研究方向：應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)，可靠性理論與應(yīng)用研究。

王麗（1963-），女，陜西長(zhǎng)安人，研究生，副教授。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。

抖篩是對(duì)茶葉進(jìn)行精制加工的關(guān)鍵工序。它根據(jù)茶葉本身的粗細(xì)和長(zhǎng)短不同，通過(guò)篩床的抖動(dòng)來(lái)帶動(dòng)茶葉與篩床相互發(fā)生運(yùn)動(dòng)，使茶葉從篩床的篩孔中被分離出來(lái)，達(dá)到把茶葉按照粗細(xì)長(zhǎng)短均勻地分開(kāi)而不會(huì)損壞茶葉的完整的目的。蟻群算法是人類(lèi)受到自然界中的螞蟻啟發(fā)而得出的一種隨機(jī)搜索算法。螞蟻所具有的群體行為，是根據(jù)一定的規(guī)律來(lái)進(jìn)行的。這種規(guī)律運(yùn)用到人類(lèi)的生產(chǎn)工作中，可以起到優(yōu)化生產(chǎn)、提高效率的作用。例如蟻群中存在著尋優(yōu)法則，就是多個(gè)螞蟻通過(guò)協(xié)作形成群體，利用正反饋原理，彼此之間不斷進(jìn)行交流反饋，使得勞作的進(jìn)程不斷加快，同時(shí)還有利于發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的目標(biāo)。通過(guò)研究蟻群算法，來(lái)使茶葉抖篩機(jī)的參數(shù)得到優(yōu)化，從而改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，更大限度地發(fā)揮機(jī)械的潛能，以提高茶葉制作工藝和生產(chǎn)效率。

1　茶葉抖篩機(jī)簡(jiǎn)介

茶葉抖篩機(jī)的主要作用是通過(guò)選擇不同孔隙的篩網(wǎng)，來(lái)控制通過(guò)孔隙茶葉的粗細(xì)；通過(guò)調(diào)整抖篩的強(qiáng)度，來(lái)控制經(jīng)過(guò)抖篩機(jī)茶葉的數(shù)量。抖篩機(jī)是由機(jī)架、篩床、篩網(wǎng)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成；機(jī)架用于固定篩床和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，篩床是由彈簧板支撐，由抖篩支架與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相連；傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要是曲軸連桿和發(fā)動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)茶葉抖篩機(jī)的曲軸連桿，是前綴型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，容易產(chǎn)生較大的噪音，還要較大的空間來(lái)安置。經(jīng)過(guò)改良后的下綴式曲軸連桿，不僅彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)，還進(jìn)一步提高了機(jī)械整體的平衡性。但是仍然無(wú)法改善曲軸連桿容易損壞的現(xiàn)象，這給抖篩機(jī)工藝性能的提升造成了一定的阻礙。目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些改進(jìn)型的抖篩機(jī)，通過(guò)優(yōu)化篩床的振動(dòng)頻率、調(diào)整振動(dòng)方向來(lái)減少對(duì)曲軸連桿的磨損，即篩床與機(jī)架采用平行的四連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，在底部的彈簧板安裝螺旋懸掛彈簧；還可以用曲柄來(lái)代替曲軸，增強(qiáng)曲軸連桿的抗震耐磨性能。

2　蟻群算法簡(jiǎn)介

2.1蟻群算法原理

Marco Dorigo發(fā)現(xiàn)螞蟻總是能夠在食物與巢穴之間的多條路線中，尋找到最合適的路徑，這種現(xiàn)象被稱為螞蟻系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，螞蟻在離開(kāi)巢穴尋找食物的時(shí)候，會(huì)在經(jīng)過(guò)的路徑上留下身體分泌出的一種可揮發(fā)物質(zhì)，Marco Dorigo將其成為信息激素。這種信息激素能夠給螞蟻指示回巢的路徑，也給后面的螞蟻提供了方向。經(jīng)過(guò)大量的篩選，越是合理的路徑越會(huì)留下更多的信息激素，吸引其他螞蟻選擇這條路徑，從而繼續(xù)增加信息激素的數(shù)量。螞蟻簡(jiǎn)單的個(gè)體行為在群體當(dāng)中被放大，然后對(duì)螞蟻群體行為選擇產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變了蟻群的行為模式，反過(guò)來(lái)作用于每個(gè)單體的螞蟻身上。這種正反饋機(jī)制使得螞蟻能夠在復(fù)雜的環(huán)境中最大限度地利用周?chē)馁Y源，尋找食物，建立巢穴并躲避侵害。通過(guò)這種機(jī)制，即使像螞蟻這般細(xì)微幼小的個(gè)體，也可以通過(guò)相互協(xié)作來(lái)完成復(fù)雜的任務(wù)。蟻群算法的原理來(lái)自于自然界中的螞蟻系統(tǒng)，根據(jù)其群體行為所總結(jié)出的一種規(guī)律，然后建立起抽象的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過(guò)實(shí)踐研究表明，這種模型對(duì)于解決多組優(yōu)化問(wèn)題有著非常好的效果，這也是蟻群算法最重要的特征。

2.2蟻群算法模型

蟻群算法模型是基于螞蟻群體優(yōu)化的原啟發(fā)式規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其過(guò)程如下：當(dāng)行動(dòng)沒(méi)有完成即結(jié)束條件未實(shí)現(xiàn)時(shí)，要控制螞蟻的行為，即螞蟻在限制條件下尋找一條路徑；其經(jīng)過(guò)路徑上信息激素濃度的變化；后臺(tái)程序，當(dāng)單個(gè)螞蟻無(wú)法完成任務(wù)的時(shí)候，群體根據(jù)反饋信息對(duì)信息激素濃度進(jìn)行更新；任務(wù)達(dá)成后，則結(jié)束。假定優(yōu)化函數(shù)為minZ＝?（x）（x∈[a，b]），[a，b]為自定義區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)，當(dāng)螞蟻的數(shù)量足夠多，搜索半徑足夠小，蟻群算法就相當(dāng)于有固定數(shù)量的螞蟻在對(duì)定義區(qū)間做無(wú)窮的搜索，然后逐漸排除干擾項(xiàng)，使問(wèn)題的全局得到最優(yōu)解。這個(gè)函數(shù)優(yōu)化過(guò)程不受函數(shù)是否連續(xù)、是否可微的限制，與經(jīng)典的搜索方法相比，它具有更加明顯的優(yōu)越性和穩(wěn)定性。

3　茶葉抖篩機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

3.1茶葉抖篩機(jī)數(shù)學(xué)模型

茶葉抖篩機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)篩床振動(dòng)，使茶葉進(jìn)行重復(fù)的跳躍式運(yùn)動(dòng)，將固定標(biāo)準(zhǔn)的茶葉從篩網(wǎng)中分離出來(lái)，達(dá)到分類(lèi)的目的。根據(jù)不同的篩分要求，可以更換不同的篩網(wǎng)來(lái)完成各種分離的工序。抖篩機(jī)的參數(shù)優(yōu)化，其實(shí)質(zhì)就是將各個(gè)部件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，已知的關(guān)鍵參數(shù)有：篩床傾斜角α，即篩床振動(dòng)面與水平面所形成的銳角夾角；振動(dòng)方向角β，即篩床振動(dòng)面的振動(dòng)方向與振動(dòng)面所形成的銳角夾角；曲軸連桿中曲軸的半徑r；曲柄軸的圓頻率ω，即振動(dòng)速率。假定工序中原料的種類(lèi)數(shù)量與篩網(wǎng)的孔徑不變，那么篩網(wǎng)的振動(dòng)面與原料之間的靜滑動(dòng)摩擦角θ為一定值，因此在確定設(shè)計(jì)變量時(shí)該摩擦角可不予考慮。將其他四個(gè)變量α、β、r、ω作為設(shè)計(jì)變量，可得函數(shù)X＝[X1，X2，X3，X4]r＝[α，β，r，ω]r。

3.2優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn)

3.2.1在PC機(jī)上將運(yùn)用Matlab語(yǔ)言編制好的基于蟻群算法的茶葉抖篩機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序運(yùn)行，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的抖篩機(jī)參數(shù)，包括曲柄軸曲軸半徑、曲柄轉(zhuǎn)速（即圓頻率）、篩床的傾斜角與振動(dòng)角等參數(shù)，代入前面的變量函數(shù)中進(jìn)行仿真計(jì)算，得出的計(jì)算結(jié)果為篩床傾斜角α為2.8度；振動(dòng)方向角β為52.8度；曲柄半徑r為0.025m；曲柄圓頻率為ω21.5rad/s。

3.2.2這個(gè)結(jié)果需要進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)來(lái)檢查是否正確：選擇一定量的茶葉原料，并進(jìn)行稱重；然后按照標(biāo)準(zhǔn)的抖篩機(jī)作業(yè)程序?qū)⒉枞~投入，保證抖篩機(jī)工作狀態(tài)正常的前提下，將固定時(shí)間段內(nèi)的篩好的茶葉進(jìn)行選取，并再次進(jìn)行稱量，從而得出篩凈率。這是衡量抖篩機(jī)工作性能的重要數(shù)據(jù)。然后將抖篩機(jī)按照優(yōu)化好的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，包括篩床角度、振動(dòng)方向角度、曲柄半徑和曲柄圓頻率，再次同等重量的茶葉投入抖篩機(jī)進(jìn)行篩選，經(jīng)過(guò)同樣的時(shí)間之后，將篩好的茶葉選取，然后稱量，并再次得出新的篩凈率。將兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，就能夠得出優(yōu)化程序是否對(duì)抖篩機(jī)的工藝起到了優(yōu)化作用。

3.2.3從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化前的抖篩機(jī)，篩床角度和振動(dòng)方向角度較小，導(dǎo)致茶葉在篩床上停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；且曲柄半徑較短，振動(dòng)頻率較低，因此茶葉在篩選的過(guò)程中產(chǎn)生了大量的碎茶；盡管提高了曲柄圓頻率，可以在一定程度上提高篩凈率，但是仍然無(wú)法改善出現(xiàn)大量碎茶的情況。經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，抖篩機(jī)的篩床角度和振動(dòng)方向角度有所加大，使茶葉在篩床上停留的時(shí)間相應(yīng)減少；將曲柄半徑加長(zhǎng)，提高了振動(dòng)頻率；同時(shí)曲柄圓頻率有所降低，使得篩選過(guò)程中出現(xiàn)碎茶的情況明顯減少。

3.2.4這是因?yàn)楹Y床的角度變化，是影響茶葉在篩床上產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的主要因素，角度過(guò)小，茶葉會(huì)出現(xiàn)相對(duì)于篩床的上滑，且上滑位移與下滑位移數(shù)值接近，茶葉在篩床上停留的時(shí)間就會(huì)較長(zhǎng)；優(yōu)化后的篩床角度變大，保證了上滑位移的數(shù)值不會(huì)與下滑位移的數(shù)值過(guò)于接近，但是要注意篩床角度也要保持在合理區(qū)間內(nèi)，一旦α大于5度，茶葉的篩凈率反而會(huì)更加降低。振動(dòng)方向角度的變化，是茶葉能夠在篩床上維持跳躍狀態(tài)的主要因素。角度過(guò)小，茶葉的跳動(dòng)不足，直接影響了篩凈率；優(yōu)化后的振動(dòng)方向角度加大，使茶葉能夠很好地保持在篩床上的跳動(dòng)狀態(tài)，且不會(huì)因跳躍過(guò)于劇烈而產(chǎn)生碎茶。當(dāng)曲柄圓頻率取較高的值時(shí)，雖然能夠加大振動(dòng)力度，在一定程度上提高篩凈率，但是無(wú)法改善出現(xiàn)碎茶的情況；優(yōu)化后的曲柄圓頻率有所降低，卻更好地減少了碎茶的產(chǎn)生且未給篩凈率造成明顯的影響。

通過(guò)一系列的計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，經(jīng)過(guò)蟻群算法優(yōu)化后茶葉抖篩機(jī)，其與篩分效率得到了明顯的提高，同時(shí)也減少了設(shè)備的磨損和對(duì)環(huán)境的影響。

4　總　結(jié)

茶葉篩分作業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的工藝，特別是分離作業(yè)，涉及到了很多的不確定因素，包括茶葉自身的粗細(xì)大小，對(duì)振動(dòng)力度和振動(dòng)頻率的反應(yīng)，很多時(shí)候即使經(jīng)過(guò)了優(yōu)化設(shè)計(jì)，一些物理性質(zhì)較為特殊的茶葉仍然會(huì)產(chǎn)生較多的碎茶。因此，要不斷對(duì)茶葉抖篩機(jī)進(jìn)行研究改進(jìn)，在實(shí)踐中多摸索，在理論上多思考。本文中所分析并建立起的茶葉抖篩機(jī)的數(shù)學(xué)模型，是運(yùn)用蟻群算法對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，然后經(jīng)過(guò)實(shí)踐操作驗(yàn)證的。從結(jié)果可以看出，單位面積下的有效篩分率得到了提高，篩床的振動(dòng)頻率和曲柄連桿的轉(zhuǎn)速也得到相應(yīng)的優(yōu)化，使設(shè)備的磨損情況相應(yīng)的減少。每次進(jìn)行優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)保存下來(lái)，這樣在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，就可以根據(jù)這些已有的數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)抖篩機(jī)進(jìn)行更加及時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)整，從而有效的提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)也為研究發(fā)明性能更加優(yōu)越的茶葉抖篩機(jī)奠定了重要的基礎(chǔ)?？梢灶A(yù)見(jiàn)到，未來(lái)茶葉抖篩機(jī)性能會(huì)不斷的提高。

參考文獻(xiàn)

[1]李兵.基于蟻群算法的茶葉抖篩機(jī)參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2009，(3)

[2]丁勇.茶葉精制主體設(shè)備的技術(shù)特性與應(yīng)用[J].中國(guó)茶葉加工2012，(1)

[3]朱建一.茶葉抖篩設(shè)備篩分?jǐn)?shù)學(xué)模型的討論[J].茶業(yè)通報(bào)2009，(2)

作者簡(jiǎn)介：