專利名稱：一種全節(jié)點遍歷路徑優(yōu)化方法
技術領域：
本發(fā)明屬于路徑規(guī)劃領域，特別應用于對源和宿沒有特殊規(guī)定的全節(jié)點遍歷路徑 規(guī)劃，其模型可應用于SMT(表面貼裝技術)自動檢測路徑規(guī)劃等實際問題。
背景技術：
路徑規(guī)劃作為一種抽象的數(shù)據(jù)模型，其原型可以是存在于任一領域的一個規(guī)劃問 題，以自動檢測為例，在工業(yè)自動化領域，很多自動檢測過程都是針對一個平面中的多個檢 測點檢查，由于大多數(shù)設備都是串行工作，需要在檢查完一個節(jié)點后再檢查另一個，路徑優(yōu) 化的好就可以明顯的節(jié)省時間，提高檢查效率。以SMT領域，焊點的自動光學檢測(AOI)為例，絕大多數(shù)檢測設備的工作方式是， 移動X、Y軸使被檢測的電路板(PCB)與取像的工業(yè)相機產(chǎn)生相對運動，移動相機到需要檢 查的位置上方進行曝光取像，獲得圖像后再通過檢測算法進行不良檢查。這樣，整個檢查時 間就由控制軸移動時間、相機曝光時間、檢測算法時間等3個不同的時間段的總和決定。由 于其中的檢測過程是純粹的軟件過程，可以與控制軸的運動過程和相機的報告過程并行處 理，也就是在軸運動和相機曝光的同時，計算機運行檢測算法進行不良檢查，而相機曝光時 間一般極小(毫秒級)，整個檢查過程的時間花費主要歸結(jié)為控制軸移動的時間。因此，為 了提高檢測速度，縮短軸移動距離、提高電機速度就成了最直接有效的方法，任何電機的速 度都有其極限，而且高速電機的功率很高，啟動、停止時對設備機體的沖擊很大，價格也非 常昂貴，所以從設備綜合性能的角度來講，更好的優(yōu)化檢測過程的路徑，縮小軸移動的距離 才是縮小檢測時間最高效的手段。根據(jù)上面介紹的自動檢查方式，可以不失一般性的假設被檢測的電路板不運動， 只有相機在2維平面上進行運動。將相機停下曝光、檢測的過程抽象為一個節(jié)點，相機移動 路徑抽象為連接節(jié)點的邊，邊上的值為相機移動的距離。這樣，尋找最優(yōu)路徑的問題就轉(zhuǎn)化 為在檢測節(jié)點網(wǎng)絡中搜尋最優(yōu)的遍歷路徑。由于實際檢測中，相機可以在任意兩個節(jié)點間 移動，所以這個網(wǎng)絡為一個全向全連通圖。又由于裝載、卸載電路板的過程存在，使得相機 可以并行的移動到出發(fā)節(jié)點或從最終節(jié)點回到原點，所以遍歷過程的源節(jié)點和宿節(jié)點可以 是任意的。理論上，尋找一個圖的最優(yōu)遍歷路徑是一個NP完全問題，也就是不可能在有限時 間得到真正的最優(yōu)解，因此大多數(shù)檢測設備都是以橫向或者縱向優(yōu)先的方法取得S型路 徑，或者從外到內(nèi)獲得螺旋形的路徑。這幾種常用的方法在檢測點足夠密集的情況下與最 優(yōu)遍歷路徑比較相似，但是當節(jié)點網(wǎng)絡不是很密集甚至是稀疏的情況下，會帶來很大的浪 費，如圖2所示的情況。而在實際的檢測過程中，由于被檢測的電路板形狀、大小經(jīng)常會變 化，電路板上元件的布局也非常不固定，所以固定的S型路徑和螺旋型路徑基本上不可能 得到最優(yōu)路徑的近似。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，提高自動檢測效率，本發(fā)明提供了一種高效、可靠的全節(jié)點遍 歷路徑尋優(yōu)方法。所述方法具體包括—種全節(jié)點遍歷路徑優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟步驟A、根據(jù)需要解決的問題構(gòu)建節(jié)點網(wǎng)絡，在可能出現(xiàn)分支的地方建立節(jié)點，以 從一個節(jié)點到另一個節(jié)點的花費作為該有向邊的值；步驟B、構(gòu)建節(jié)點網(wǎng)絡的最小生成樹；步驟C、根據(jù)最小生成樹，以新增邊花費最小為原則，對所有有分支的節(jié)點，逐一去 除分支并建立端點間的連接；步驟D、不斷重復步驟C直到網(wǎng)絡的最小生成樹每個節(jié)點都沒有分支，轉(zhuǎn)化為節(jié)點 單向隊列，從而生成優(yōu)化后的遍歷路徑。優(yōu)選的，所述步驟B中的節(jié)點網(wǎng)絡一般為雙向或者全向網(wǎng)絡，所述的雙向網(wǎng)絡是 指兩個連通的節(jié)點間的邊是有向的，即對于連通的A、B節(jié)點，無論從A節(jié)點到B節(jié)點還是從 B節(jié)點到A節(jié)點都是可行的(如果A、B節(jié)點間是單向連通的，則只能從A到B，不能從B到 A)。所述全向網(wǎng)絡是指網(wǎng)絡中任一個節(jié)點和網(wǎng)絡中的所有其他節(jié)點間都是雙向連通的。兩 個節(jié)點間的邊代表從一個節(jié)點到另一個節(jié)點間的花費。其中所述花費是節(jié)點間的距離，在其他應用中也可以是時間、金錢等其他代價，所 以在本發(fā)明中對于花費并不僅僅限定于節(jié)點之間的距離。優(yōu)選的，所述步驟B中構(gòu)建最小生成樹的具體步驟為優(yōu)選但不限于使用Prim算 法構(gòu)建網(wǎng)絡的最小生成樹。優(yōu)選的，在所述步驟A中，根據(jù)需要解決的問題構(gòu)建節(jié)點網(wǎng)絡，其方法為根據(jù)具體問題，在可能出現(xiàn)分支的地方建立節(jié)點；以從一個節(jié)點到另一個節(jié)點的花費作為該有向邊的值；優(yōu)選的，所述步驟C包括以下具體步驟(1)根據(jù)構(gòu)建的最小生成樹建立節(jié)點間的連通矩陣；優(yōu)選的，矩陣橫縱坐標均為 節(jié)點索引，矩陣值代表橫縱坐標節(jié)點對間是否連通，連通的值為1，不連通的值為0 ；(2)根據(jù)構(gòu)建的最小生成樹建立有分支的節(jié)點隊列優(yōu)選的，節(jié)點隊列中的每個 節(jié)點最少包含節(jié)點序號和分支個數(shù)兩個信息；(3)根據(jù)構(gòu)建的最小生成樹建立端點節(jié)點的隊列；優(yōu)選的，端點隊列中的每個節(jié) 點最少包含節(jié)點序號信息；(4)對分支節(jié)點隊列的每一個節(jié)點，試探性切斷節(jié)點的一個分支，同時建立端點間 的一個新連接，記錄網(wǎng)絡增加的花費(網(wǎng)絡增加的花費是指新增邊的花費和被截斷邊花費 的差值)；優(yōu)選的，在切斷節(jié)點分支時，臨時性的將分支節(jié)點隊列中的該節(jié)點分支數(shù)減1，將 新連接的端點的分支數(shù)加1 ；(5)以增加花費最小為準則，對有分支節(jié)點逐一去掉其它分支，直到保留花費最小 的單向連接。增加的花費是新增邊和去除邊的花費差，去分支時一個有分支的節(jié)點最少有3 個分支可以選擇，如圖5中的N0.4節(jié)點，新增的連接也有很多選擇，而去掉不同分支時，端 點的情況也不一樣，也就是新增連接的候選也不一樣，所以需要一個準則來決定去掉哪個 新增哪個，這個準則就是新增的花費減去去掉的花費最小。要把新增連接的花費和去除分
4支的花費當做一個整體看，就是整個網(wǎng)絡的新增花費；(6)更新連通矩陣；優(yōu)選的，將新增加的連通的端點設為1，斷開的分支位置設為0 ；(7)更新分支節(jié)點隊列；優(yōu)選的，從節(jié)點隊列中去掉沒有分支的節(jié)點；(8)更新端點隊列。優(yōu)選的，從端點隊列中去掉新建立連接后的兩個端點；優(yōu)選的，所述步驟(4)中建立端點間新連接的操作中需要檢查新建立的連接是否 會使節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)環(huán)，如果使環(huán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)則不能建立該連接。優(yōu)選的，檢查環(huán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的具體步驟為(9)以端點隊列中的一個端點為起始點，通過連通矩陣檢查與該端點連接的其他 端點，所有相連的端點都以該端點序號作為標記；(10)再檢查與已標記節(jié)點相連接的節(jié)點，以同樣的值標記未標記的節(jié)點；(11)重復上一步驟，直到相連接的所有節(jié)點都被標記；(12)檢查網(wǎng)絡中的所有節(jié)點，如果所有節(jié)點都被標記，則表示所有節(jié)點間是連通 的，沒有環(huán)結(jié)構(gòu)，否則，代表網(wǎng)絡中出現(xiàn)環(huán)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡已不是全連通的。優(yōu)選的，所述步驟D的具體步驟為重復步驟(4)至步驟(8)，直到分支節(jié)點隊列為空，端點隊列中只有2個端點。優(yōu)選的，端點隊列的2個端點一個為起點，一個為終點，從起點出發(fā)通過連通矩陣 可以得到節(jié)點遍歷路徑。優(yōu)選的，在得到優(yōu)化好的路徑后，還可以按橫向或縱向優(yōu)先的方式即S路徑方式， 或者螺旋路徑方式，得到另一遍歷路徑作為備份路徑。優(yōu)選的，在得到優(yōu)化好的路徑后，通過和備份路徑比較花費，選取花費最小的路徑 作為優(yōu)化后的遍歷路徑。


圖1是全節(jié)點遍歷路徑優(yōu)化簡要流程圖；圖2是一種可能的檢測點分布示意圖；圖3是全節(jié)點遍歷路徑優(yōu)化方法流程圖；圖4是節(jié)點去分支過程的流程圖；圖5是環(huán)結(jié)構(gòu)生成示意圖。
具體實施例方式下面根據(jù)說明書附圖并結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細說明。 在此，本發(fā)明的示意性實施例及說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。如圖1所示為全節(jié)點遍歷路徑優(yōu)化簡要流程圖，包括以下步驟步驟A、根據(jù)需要解決的問題構(gòu)建節(jié)點網(wǎng)絡，在可能出現(xiàn)分支的地方建立節(jié)點，以 從一個節(jié)點到另一個節(jié)點的花費作為該有向邊的值；步驟B、構(gòu)建節(jié)點網(wǎng)絡的最小生成樹；步驟C、根據(jù)最小生成樹，以新增邊花費最小為原則，對所有有分支的節(jié)點，逐一去 除分支并建立端點間的連接，其中所述邊花費指兩個節(jié)點間的邊長；步驟D、不斷重復步驟C直到網(wǎng)絡的最小生成樹每個節(jié)點都沒有分支，轉(zhuǎn)化為節(jié)點單向隊列，從而生成優(yōu)化后的遍歷路徑。在得到優(yōu)化好的路徑后，還進一步按橫向或縱向優(yōu)先的方式即S路徑方式得到另 一遍歷路徑作為備份路徑。通過和備份路徑比較花費，選取花費最小的路徑作為優(yōu)化后的 遍歷路徑。本發(fā)明公開的一種高效的全節(jié)點遍歷路徑優(yōu)化方法在本實施例的應用參見圖3， 具體步驟如下步驟301、為本實施例構(gòu)建節(jié)點網(wǎng)絡。本實施例為X、Y平面自動檢測路徑規(guī)劃，網(wǎng)絡中的節(jié)點為預先規(guī)劃好的檢測點， 網(wǎng)絡中的邊為相應節(jié)點間的距離，由于本實施例中，設備可以從一個檢測點移動到任一一 其他檢測點，所以所有節(jié)點間都有邊，而且邊的方向為雙向的，構(gòu)建的網(wǎng)絡為連通完全圖。由于所有檢查點都必須經(jīng)過并進行檢查，而且實際應用中對檢查過程的起始點和 終點并不做要求，所以本方法的目標是在構(gòu)建好的連通網(wǎng)絡中尋找最短的遍歷路徑，同時 并不做源和宿位置的限制。步驟302、獲得節(jié)點網(wǎng)絡的最小生成樹。網(wǎng)絡的最小路徑遍歷問題是一個NP完全問題，無法在有限的時間內(nèi)得到最優(yōu)解。 使用基本的深度優(yōu)先或者廣度優(yōu)先方法得到的遍歷路徑，在實際應用中意味著出現(xiàn)走回頭 路的情況，顯然不是最優(yōu)路徑。最小生成樹可以得到節(jié)點的最近鄰居，是尋找最優(yōu)路徑的很 好的出發(fā)點。本實施例中使用Prim算法獲得網(wǎng)絡的最小生成樹，當然實際應用時也可以采 用別的方法，本發(fā)明并不限制獲得最小生成樹的方法。步驟303、建立連通矩陣。根據(jù)獲得的最小生成樹建立連通矩陣，可以使用2維數(shù)組的方式存儲，不連通的 節(jié)點對使用0標記，連通的使用1標記。步驟304、建立有分支的節(jié)點隊列。根據(jù)獲得的最小生成樹搜索有分支的節(jié)點，將這些節(jié)點按隊列或者數(shù)組的方式存 儲，每個節(jié)點結(jié)構(gòu)中應該至少包括節(jié)點序號、分支數(shù)等信息。步驟305、建立端點節(jié)點隊列。根據(jù)獲得的最小生成樹建立端點節(jié)點隊列，端點節(jié)點是最小生成樹上只有一個鄰 居，也就是只有一條邊的節(jié)點，端點節(jié)點的隊列同樣可以按隊列或者數(shù)組的方式存儲，每個 節(jié)點結(jié)構(gòu)中應該包括節(jié)點序號、鄰居序號的信息。步驟306、去掉分支節(jié)點的一個分支，建立一個端點間的新連接。去掉最小生成樹 的分支并且建立新連接的準則為新增邊花費最小，具體方法如附圖4所示，步驟如下步驟401、對當前節(jié)點的所有分支，取其中的某一分支截斷。分支截斷后，需要更新 與該邊相關的節(jié)點連通矩陣和端點隊列、分支節(jié)點隊列。步驟402、如果分支截斷以后，新增加了端點，則在端點隊列中加入該節(jié)點。步驟403、在端點隊列中查找花費最小的端點節(jié)點對，連接起來。在建立新連接的時候需要檢查該連接是否會導致環(huán)形結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。附圖5是產(chǎn)生 環(huán)結(jié)構(gòu)的一個例子。如果打斷No. 4和No. 6節(jié)點的連接，同時對No. 8節(jié)點和No. 9節(jié)點建 立新連接，這時No. 6、No. 7、No. 8、No. 9節(jié)點會形成環(huán)結(jié)構(gòu)。檢查環(huán)結(jié)構(gòu)的方法如下(1)以端點隊列中的一個端點為起始點，通過連通矩陣檢查與該端點連接的其他
6端點，所有相連的端點都以該端點序號作為標記；(2)再檢查與已標記節(jié)點相連接的節(jié)點，以同樣的值標記未標記的節(jié)點；(3)重復上一步驟，直到相連接的所有節(jié)點都被標記；(4)檢查網(wǎng)絡中的所有節(jié)點，如果所有節(jié)點都被標記，則表示所有節(jié)點間是連通 的，沒有環(huán)結(jié)構(gòu)，否則，代表網(wǎng)絡中出現(xiàn)環(huán)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡已不是全連通的。步驟404、計算最小生成樹上新增路徑的花費。新增路徑的花費為新增邊的花費和被截斷邊花費的差值。步驟405、比較新增的花費是否是最小花費(每次計算的花費和之前累積的去比， 總是保留最小的那個)。步驟406、如果是新增花費最小的選擇，則記錄新增路徑花費的值，被截斷的邊，以 及新連接的端點狀況。步驟407、針對節(jié)點的所有分支進行步驟401-步驟406操作，最終輸出新增花費最 小時的截斷分支和新增端點連接情況。步驟307、根據(jù)步驟407輸出的結(jié)果，更新連通矩陣。被截斷的邊的對應位置設為0，新增邊的對應位置設為1。步驟308、根據(jù)步驟407輸出的結(jié)果，更新分支節(jié)點隊列。從分支節(jié)點隊列中去掉已經(jīng)沒有分支的節(jié)點。步驟309、根據(jù)步驟407輸出的結(jié)果，更新端點隊列。
從端點隊列中去掉新建連接時所用的端點。步驟310、檢查網(wǎng)絡中的分支節(jié)點情況，如果網(wǎng)絡中還要分支節(jié)點則重復步驟306 一步驟309，直到網(wǎng)絡中不再有分支節(jié)點為止。網(wǎng)絡中的分支節(jié)點情況可以從分支節(jié)點隊列或者網(wǎng)絡的連通矩陣獲得。循環(huán)結(jié)束時，分支節(jié)點隊列應該為空，端點隊列應該只有2個節(jié)點。步驟311、生成優(yōu)化后的路徑。根據(jù)端點隊列中保存的節(jié)點信息，以一個節(jié)點為起點，另一個節(jié)點為終點，由網(wǎng)絡 的連通矩陣構(gòu)建起點到終點的節(jié)點隊列，即為優(yōu)化后的路徑。步驟312、生成備份路徑。由最初網(wǎng)絡狀態(tài)，以S型路徑或者螺旋形路徑的方式，生成網(wǎng)絡的遍歷路徑，用作 優(yōu)化路徑的備份。步驟314、比較步驟311生成的優(yōu)化路徑和步驟312生成的備份路徑的花費，取花 費最小的為最終的優(yōu)化路徑。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來講，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種全節(jié)點遍歷路徑優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟步驟A、根據(jù)需要解決的問題構(gòu)建節(jié)點網(wǎng)絡，在可能出現(xiàn)分支的地方建立節(jié)點，以從一 個節(jié)點到另一個節(jié)點的花費作為該有向邊的值；步驟B、構(gòu)建節(jié)點網(wǎng)絡的最小生成樹；步驟C、根據(jù)最小生成樹，以新增花費最小為原則，對所有有分支的節(jié)點，逐一去除分支 并建立端點間的連接；步驟D、不斷重復步驟C直到網(wǎng)絡的最小生成樹每個節(jié)點都沒有分支，轉(zhuǎn)化為節(jié)點單向 隊列，從而生成優(yōu)化后的遍歷路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟B中的節(jié)點網(wǎng)絡為雙向或者全向 網(wǎng)絡，兩個節(jié)點間的邊代表從一個節(jié)點到另一個節(jié)點間的花費。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟B優(yōu)選但不限于使用Prim算法 構(gòu)建網(wǎng)絡的最小生成樹。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述步驟C優(yōu)選進一步包括以下具體步驟(1)根據(jù)構(gòu)建的最小生成樹建立節(jié)點間的連通矩陣；(2)根據(jù)構(gòu)建的最小生成樹建立有分支的節(jié)點隊列(3)根據(jù)構(gòu)建的最小生成樹建立端點節(jié)點的隊列；(4)對分支節(jié)點隊列的每一個節(jié)點，試探性切斷該分支節(jié)點的一個分支，同時從端點 節(jié)點的隊列中找出距離最近的兩個端點節(jié)點，在其間建立一個新連接，記錄網(wǎng)絡增加的花 費；(5)以增加花費最小為準則，對有分支節(jié)點逐一去掉其它分支，直到保留花費最小的單 向連接；(6)更新連通矩陣；(7)更新分支節(jié)點隊列；(8)更新端點節(jié)點隊列。
5.根據(jù)權(quán)利4所述的方法，其特征在于，在距離最近的兩個端點節(jié)點間建立新連接時， 還需要檢查新建立的連接是否會使節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)環(huán)，如果使環(huán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)則不能建 立該連接。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的方法，其特征在于，所述在步驟D中，所述節(jié)點單向隊列是指節(jié)點網(wǎng)絡變成單向連通的隊列。此時分支節(jié)點隊列為空，端點 隊列中只有2個端點。
7.根據(jù)權(quán)利6所述方法，其特征在于，端點隊列的2個端點一個為起點，一個為終點，從 起點出發(fā)通過連通矩陣可以得到節(jié)點遍歷路徑。
8.根據(jù)權(quán)利1所述方法，其特征在于，在得到優(yōu)化好的路徑后，還需要對原始節(jié)點網(wǎng)絡 按橫向或縱向優(yōu)先的方式即S路徑方式得到另一遍歷路徑作為備份路徑。
9.根據(jù)權(quán)利8所述方法，其特征在于，在得到優(yōu)化好的路徑后，通過和備份路徑比較花 費，選取花費最小的路徑作為優(yōu)化后的遍歷路徑。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高效快速的全節(jié)點遍歷路徑優(yōu)化的方法，最終生成一個單向的節(jié)點隊列路徑。本方法包括以下幾個步驟首先根據(jù)需要解決的實際問題構(gòu)建節(jié)點網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡可以是全向網(wǎng)絡，以節(jié)點間的邊記錄路徑花費；然后對全部節(jié)點建立最小生成樹，針對生成樹上的所有分支和端點建立隊列；之后通過試探性的算法對有分支的節(jié)點逐一切斷各個分支，每切斷一個分支就根據(jù)端點隊列搜索距離最小的端點對進行連接，不斷進行這步操作，直到原最小生成樹中的所有分支都被斷開，所有節(jié)點連接成一個單向隊列。在建立新的端點連接時，本方法還提供一種檢測機制以避免新連接使節(jié)點隊列形成一個環(huán)，從而避免路徑中有節(jié)點丟失。此外本發(fā)明中還包括一個橫向或縱向優(yōu)先的路徑作為優(yōu)化路徑的備選，以提高整個方法的可靠性。
文檔編號G06F17/50GK102004839SQ201010594468
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者李鵬杰, 鄭眾喜 申請人:北京優(yōu)納科技有限公司