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

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基于蟻群算法的茶葉抖篩機參數(shù)優(yōu)化

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

摘要：將蟻群算法應用于茶葉抖篩機的設計中，使其各個部件的參數(shù)得到優(yōu)化，通過科學計算的方式來使茶葉生產(chǎn)的工藝進一步精細化。同時也使機械性能更加完善，既節(jié)約了能源，延長了機器的使用壽命，也大大提高了茶葉的篩分效率。

關鍵詞：蟻群算法；茶葉抖篩機；參數(shù)優(yōu)化；篩選效率

曹弘毅（1979-），男，陜西咸陽市人，本科，講師。研究方向：計算機應用技術研究。

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

王麗（1963-），女，陜西長安人，研究生，副教授。研究方向：計算機應用技術研究。

抖篩是對茶葉進行精制加工的關鍵工序。它根據(jù)茶葉本身的粗細和長短不同，通過篩床的抖動來帶動茶葉與篩床相互發(fā)生運動，使茶葉從篩床的篩孔中被分離出來，達到把茶葉按照粗細長短均勻地分開而不會損壞茶葉的完整的目的。蟻群算法是人類受到自然界中的螞蟻啟發(fā)而得出的一種隨機搜索算法。螞蟻所具有的群體行為，是根據(jù)一定的規(guī)律來進行的。這種規(guī)律運用到人類的生產(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，就是多個螞蟻通過協(xié)作形成群體，利用正反饋原理，彼此之間不斷進行交流反饋，使得勞作的進程不斷加快，同時還有利于發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的目標。通過研究蟻群算法，來使茶葉抖篩機的參數(shù)得到優(yōu)化，從而改進生產(chǎn)技術，更大限度地發(fā)揮機械的潛能，以提高茶葉制作工藝和生產(chǎn)效率。

1　茶葉抖篩機簡介

茶葉抖篩機的主要作用是通過選擇不同孔隙的篩網(wǎng)，來控制通過孔隙茶葉的粗細；通過調整抖篩的強度，來控制經(jīng)過抖篩機茶葉的數(shù)量。抖篩機是由機架、篩床、篩網(wǎng)和傳動結構組成；機架用于固定篩床和傳動結構，篩床是由彈簧板支撐，由抖篩支架與傳動結構相連；傳動結構主要是曲軸連桿和發(fā)動機。傳統(tǒng)茶葉抖篩機的曲軸連桿，是前綴型的傳動機構，容易產(chǎn)生較大的噪音，還要較大的空間來安置。經(jīng)過改良后的下綴式曲軸連桿，不僅彌補了這些缺點，還進一步提高了機械整體的平衡性。但是仍然無法改善曲軸連桿容易損壞的現(xiàn)象，這給抖篩機工藝性能的提升造成了一定的阻礙。目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些改進型的抖篩機，通過優(yōu)化篩床的振動頻率、調整振動方向來減少對曲軸連桿的磨損，即篩床與機架采用平行的四連桿結構進行連接，在底部的彈簧板安裝螺旋懸掛彈簧；還可以用曲柄來代替曲軸，增強曲軸連桿的抗震耐磨性能。

2　蟻群算法簡介

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)，螞蟻在離開巢穴尋找食物的時候，會在經(jīng)過的路徑上留下身體分泌出的一種可揮發(fā)物質，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)過大量的篩選，越是合理的路徑越會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。螞蟻簡單的個體行為在群體當中被放大，然后對螞蟻群體行為選擇產(chǎn)生影響，進而改變了蟻群的行為模式，反過來作用于每個單體的螞蟻身上。這種正反饋機制使得螞蟻能夠在復雜的環(huán)境中最大限度地利用周圍的資源，尋找食物，建立巢穴并躲避侵害。通過這種機制，即使像螞蟻這般細微幼小的個體，也可以通過相互協(xié)作來完成復雜的任務。蟻群算法的原理來自于自然界中的螞蟻系統(tǒng)，根據(jù)其群體行為所總結出的一種規(guī)律，然后建立起抽象的數(shù)學模型。經(jīng)過實踐研究表明，這種模型對于解決多組優(yōu)化問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)則來實現(xiàn)的，其過程如下：當行動沒有完成即結束條件未實現(xiàn)時，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)過路徑上信息激素濃度的變化；后臺程序，當單個螞蟻無法完成任務的時候，群體根據(jù)反饋信息對信息激素濃度進行更新；任務達成后，則結束。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，當螞蟻的數(shù)量足夠多，搜索半徑足夠小，蟻群算法就相當于有固定數(shù)量的螞蟻在對定義區(qū)間做無窮的搜索，然后逐漸排除干擾項，使問題的全局得到最優(yōu)解。這個函數(shù)優(yōu)化過程不受函數(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　茶葉抖篩機優(yōu)化設計數(shù)學模型

3.1茶葉抖篩機數(shù)學模型

茶葉抖篩機的傳動結構帶動篩床振動，使茶葉進行重復的跳躍式運動，將固定標準的茶葉從篩網(wǎng)中分離出來，達到分類的目的。根據(jù)不同的篩分要求，可以更換不同的篩網(wǎng)來完成各種分離的工序。抖篩機的參數(shù)優(yōu)化，其實質就是將各個部件的參數(shù)進行優(yōu)化，已知的關鍵參數(shù)有：篩床傾斜角α，即篩床振動面與水平面所形成的銳角夾角；振動方向角β，即篩床振動面的振動方向與振動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，即振動速率。假定工序中原料的種類數(shù)量與篩網(wǎng)的孔徑不變，那么篩網(wǎng)的振動面與原料之間的靜滑動摩擦角θ為一定值，因此在確定設計變量時該摩擦角可不予考慮。將其他四個變量α、β、r、ω作為設計變量，可得函數(shù)X＝[X1，X2，X3，X4]r＝[α，β，r，ω]r。

3.2優(yōu)化及驗證試驗

3.2.1在PC機上將運用Matlab語言編制好的基于蟻群算法的茶葉抖篩機關鍵設計參數(shù)的優(yōu)化設計程序運行，經(jīng)過優(yōu)化后的抖篩機參數(shù)，包括曲柄軸曲軸半徑、曲柄轉速（即圓頻率）、篩床的傾斜角與振動角等參數(shù)，代入前面的變量函數(shù)中進行仿真計算，得出的計算結果為篩床傾斜角α為2.8度；振動方向角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這個結果需要進行驗證試驗來檢查是否正確：選擇一定量的茶葉原料，并進行稱重；然后按照標準的抖篩機作業(yè)程序將茶葉投入，保證抖篩機工作狀態(tài)正常的前提下，將固定時間段內的篩好的茶葉進行選取，并再次進行稱量，從而得出篩凈率。這是衡量抖篩機工作性能的重要數(shù)據(jù)。然后將抖篩機按照優(yōu)化好的參數(shù)進行調整，包括篩床角度、振動方向角度、曲柄半徑和曲柄圓頻率，再次同等重量的茶葉投入抖篩機進行篩選，經(jīng)過同樣的時間之后，將篩好的茶葉選取，然后稱量，并再次得出新的篩凈率。將兩項實驗所得出的數(shù)據(jù)進行比對，就能夠得出優(yōu)化程序是否對抖篩機的工藝起到了優(yōu)化作用。

3.2.3從計算結果來看，優(yōu)化前的抖篩機，篩床角度和振動方向角度較小，導致茶葉在篩床上停留的時間過長；且曲柄半徑較短，振動頻率較低，因此茶葉在篩選的過程中產(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，但是仍然無法改善出現(xiàn)大量碎茶的情況。經(jīng)過優(yōu)化之后，抖篩機的篩床角度和振動方向角度有所加大，使茶葉在篩床上停留的時間相應減少；將曲柄半徑加長，提高了振動頻率；同時曲柄圓頻率有所降低，使得篩選過程中出現(xiàn)碎茶的情況明顯減少。

3.2.4這是因為篩床的角度變化，是影響茶葉在篩床上產(chǎn)生運動的主要因素，角度過小，茶葉會出現(xiàn)相對于篩床的上滑，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間就會較長；優(yōu)化后的篩床角度變大，保證了上滑位移的數(shù)值不會與下滑位移的數(shù)值過于接近，但是要注意篩床角度也要保持在合理區(qū)間內，一旦α大于5度，茶葉的篩凈率反而會更加降低。振動方向角度的變化，是茶葉能夠在篩床上維持跳躍狀態(tài)的主要因素。角度過小，茶葉的跳動不足，直接影響了篩凈率；優(yōu)化后的振動方向角度加大，使茶葉能夠很好地保持在篩床上的跳動狀態(tài)，且不會因跳躍過于劇烈而產(chǎn)生碎茶。當曲柄圓頻率取較高的值時，雖然能夠加大振動力度，在一定程度上提高篩凈率，但是無法改善出現(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。

通過一系列的計算結果及試驗現(xiàn)象可以看出，經(jīng)過蟻群算法優(yōu)化后茶葉抖篩機，其與篩分效率得到了明顯的提高，同時也減少了設備的磨損和對環(huán)境的影響。

4　總　結

茶葉篩分作業(yè)是一個復雜的工藝，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大小，對振動力度和振動頻率的反應，很多時候即使經(jīng)過了優(yōu)化設計，一些物理性質較為特殊的茶葉仍然會產(chǎn)生較多的碎茶。因此，要不斷對茶葉抖篩機進行研究改進，在實踐中多摸索，在理論上多思考。本文中所分析并建立起的茶葉抖篩機的數(shù)學模型，是運用蟻群算法對其參數(shù)進行優(yōu)化，然后經(jīng)過實踐操作驗證的。從結果可以看出，單位面積下的有效篩分率得到了提高，篩床的振動頻率和曲柄連桿的轉速也得到相應的優(yōu)化，使設備的磨損情況相應的減少。每次進行優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)應當保存下來，這樣在實際生產(chǎn)當中，就可以根據(jù)這些已有的數(shù)據(jù)，來對抖篩機進行更加及時準確的調整，從而有效的提高生產(chǎn)效率。同時，這些數(shù)據(jù)和經(jīng)驗也為研究發(fā)明性能更加優(yōu)越的茶葉抖篩機奠定了重要的基礎?？梢灶A見到，未來茶葉抖篩機性能會不斷的提高。

參考文獻

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