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一种基于多亲遗传机制的多目标优化算法

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第25卷第2期 2008年2月 计算机应用与软件 Computer Applications and Software V01.25 No.2 Feb_2008 一种基于多亲遗传机制的多目标优化算法 吴佳英 李平 郑金华 (长沙理工大学计算机与通信工程学院湖南长沙410076) 。(湘潭大学信息工程学院湖南湘潭411105) 摘要 给出了进化个体之间的关系和非支配集中不同个体之间的相关性质,参考快速排序的思想,提出了一种有效的构造非支 配集的算法。在此基础上,将多亲遗传算法与改进的快速排序构造非支配集的算法相结合,提出了一种基于多亲遗传机制的多目标 优化算法。最后对提出算法进行了分析,采用了测试函数进行了仿真实验,获得了理想的实验结果。 关键词 多亲遗传算法 多目标优化 非支配集 A MULTI-oBJECTIVE GENETIC ALGoRITI玎 BASED oN MULTI-PARENT CR0lsSoVER Wu Jiaying Li Ping Zheng Jinhua (Institute ofComputer and Communication Engineering,Changsha University ofScience&Technology,Changsha 410076,Hunan,China) (Col ̄geofInformation andEngineering,Xmn ̄an University,Xiangtan411105,Huna ̄,China) Al ̄traet The relation between individuals and some features of these relations are discussed.By referring to the idea of quick sort,a valid lagorithm of non-dominated set construction is proposed.Then with the combination of the multi—parent genetic algorithm and the improved non —dominated set construction lagoirthm based on quick sotr,a Multi—objective Genetic Algorithm based on Multi—parent Crossover(MOGAMC) is put forward.Finally,analysis is made,and simulative experimental figures show that the algorithm has nice performance. Keywords Multi-parent genetic algorithm Multi—・objective optimization Non・・dominated set 厂( )=[ ( ) ( ),… ( )] (3) 0引 言 寻求 =[ 。’, ,…, ] ,使厂( )在满足约束条件 (1)和(2)下达到最优。 一般来说,科学研究与工程实践中许多优化问题大多是多 目标优化问题。多目标优化问题中各个目标之间通过决策变量 2基于多亲遗传机制的多目标优化算法 相互制约,因此很难客观地评价多目标问题解的优劣性。1989 年Goldberg在其著作中,提出了用遗传算法实现多目标的优化 2.1个体之间的关系 技术,使多目标遗传算法的研究出现了重大转折。近年来,多目 定义1设 和y是Pop中的任意两个个体,称 支配y, 标遗传算法引起了许多学者的关注,并涌现出了不少有价值的 则必须满足下列两个条件: 研究成果。 (1)对所有的子目标, 不比y差,即 (y) ( ),k=1, 多亲遗传算法是对传统遗传算法的交叉算子进行了改进, 2,…,r,其中r为子目标的数量。 使得新产生的个体能继承多个母体的有效基因,新个体很可能 (2)至少存在一个子目标,使 比y好,即3t∈(1,2,…, 会有更高的适应度函数值,这样能加快算法的收敛速度。本文 r),使得 (Y) ( )。 参考快速排序的思想,给出了一种有效的构造非支配集的算法, 此时称 为非支配的,y为被支配的,表示为 l,,其中(b 最后将多亲遗传算法与多目标优化算法结合起来,给出了一种 是支配关系。 基于多亲遗传机制的多目标优化算法。 定义2 V ,Y∈Pop, 和y相关, yORXTrYORX= y,否则称 和y不相关。 1多目标问题的描述 据定义2有:非支配集中的不同个体之间是彼此不相关的。 2.2非支配集的构造 给定决策向量 :[ 。, :,…, ] ,它满足下列约束: 构造非支配集是多目标遗传算法(Multi—Objective Genetic g ( )>10 1,2,…,P (1) .Il。( )=0 i=l,2,…,q (2) 收稿日】胡:2006—01—04。湖南省自科基金项目(05心125),湖南 设有m个优化目标,且这m个优化目标很可能是相互冲突 省教育厅基金项目(06B005)。吴佳英,讲师,主研领域:遗传算法,并行 的,总的优化目标可表示为: 计算,多智能体。 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 吴佳英等:一种基于多亲遗传机制的多目标优化算法 {t=0; 53 Algorithm,MOGA)一个重要的组成部分,它是MOGA保留优秀 个体的一种机制,是确保算法收敛于Pareto最优面的一种策略, 直接影响MOGA的效率,近年来有不少构造非支配集的算法。 初始化P() while(不满足结束条件) {fori=1 to popsize do 这里通过参考快速排序的思想,提出了一种有效的构造非支配 集的算法。 算法1基于快速排序构造非支配集KQS_2I : while(i(j)do {随机选择m个母体; 选用一种多亲算子产生新个体;} 将改进的快速排序法应用到由父代和子代组成的群体,构造相 //i,j为种群pop[]的第i,j个个体 {while(x支配pop[j])do j=j一1; pop[i]=pop[j]; while(x不支配pop[i])do i=i一1: pop[j]=pop[i]; } 设集合P的大小为n,子目标的数目为r。 算法2改进的快速排序构造非支配集: 该算法首先采用快速排序法构造非支配集,当(f+1)代种 群P 的大小比种群个数Ⅳ要小,则随机从(R。一P )中选择 (N—IP I)个个体填满P ,当非支配集P 个数大于Ⅳ时, 就对非支配集进行密度集排序,选择前面Ⅳ个个体构成新的 P ,具体算法如下: non-doninated—set(pop) {Qt=make・new・pop(Pt) NDSet=击 R。:P YQ //将父代群体和新产生的群体合并 P =KQS—NDSet(R ) //用KQS构造非支配集 if(IP…I≤N) then{Pt+】 Pt+1 U select・by・random(Rt—Pt+】,N—IPt+1 I)} //随机选择N—IP…1个个体Jjn.z.P… else{crowding・distance・assignment(P…)} //计算密集度 So,t(P…,P ) //密集度排序[ ] P…=P…[1:N]} //选择最好的N个个体组成P… { 其中,密集度定义为: 设群体pop={x。,x ,…,x }中的个体x =[x ”,x ,・一, x ”],xj=[ ”, ,…, u],则个体xi和个体xj之间的相似 程度为: _ £ A =亡 C一 1  I 一 I i,j e{1,2,…,nt 其中C 为对应于基因座k的常数因子。 定义个体P的密集度为与个体P相似的个体在群体中所占 比重即: Crowds(P)=与个体P相似度大于.y的个体总数/n 一般取值为.y∈[0.9,1],设集合P的大小为n,子目标的 数目为r。 2.3基于多亲遗传机制的多目标优化算法 多亲遗传算法对传统遗传算法中的交叉算子作了改进,在 大部分单目标问题中表现出了良好的性能,在一定程度上能保 持群体的多样性、克服“早熟收敛”问题以及加快收敛速 度 “]。本文将多亲遗传算法与上面所提出的非支配集构造方 法相结合。提出了基于多亲遗传机制的多目标优化算法MOGA— MC。算法描述如下: procedure MOGAMC() 应的非支配集NDS; if INDSI>popsize then {计算非支配集中每个个体的聚集密度; 根据聚集密度进行降序排序; 选择前popsize个作为下一代群体;} else{forj=l to(popsize)一INDSI d。 {随机从NDS中选m个个体; 利用多亲交叉算子产生新个体;} 由NDS与这里产生的popsize—INDSI作为新一代群体;{ t=t+l;//遗传代数加l;} } 3算法的性能分析 由快速排序的算法复杂度可知,该算法的时间复杂度接近 O(r n logn) ’ ,故本文所提出的算法中构造非支配集的方 法比文献[1]的O(r n )要好。 本文还采用了两个常用的多目标测试函数来测试算法的性 能,将实验结果与由Deb提出的算法NSGA2(Non-dominated Soaing GA2)作比较 J,NSGA2采用排序的方法来构造非支 配集。 函数 落 1g  1)sin (67rx】) 0≤ f≤1,i=1,…,10 w eg( …( 10( 函数2: ( )=一(25(xl-2) +( 2—2) +( 一1) +( 一4) +( 5一1) ) ,2( )= + ;+ + + + : subjectto cl( ) l+ 2-2>10 c2( )=6一 l一 2≥0 0Sy c3( ):2一 2+ l≥0 c4( ):2-Xl+3x2≥0 c5( ):4一( 一3) 一 4≥0 c6( ):( 5—3) + 6—41>0 0≤ 】,X2,X6≤l0,1≤ , 5≤5,0≤ 4≤6 以上列出的两个测试函数都是求极小值的多目标函数,实 验中,NSGA2和MOGAMC都是采用二进制编码,翻转变异。 Popsize为100,Maxgen为500,交叉概率为0.8,变异概率为1/ len(1en为基因的长度)。在NSGA2中,采用单点交叉,而在 MOGAMC中,采用多亲交叉中的扫描交叉(实验中为四亲)。测 试结果为10次运行的最优值。实验结果如图1,图2所示,计算 时间如表1所示。 (下转第79页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 方逵等:保形参数四次插值算法 79 Ti:tiail+(1一ti)ai; (上接第53页) Step3 for(i=0;i<=n;i++) If<P_.1P P…P_+2>是非凸多边形; 计算C 、Di,by(4); else {计算Q ,by(3); fl两戢值 fl两戢值 计算C 、Di,by(5); 计算 , i,by(14)or(15); 图1测试函数】的对比实验结果图2测试函数2的对比结果 表1算法的计算时间比较单位(秒J b =Pi,biI= iCi+(1一 。)Pi; E06 OSY b :(Ci+Di)/2; MOGAMC 2.563 2.29l bB= iDi+(1一 i)Pi+I;b*=Pi+I; NSGA2 6.666 4.628 画曲线段r.(t),by(6);} Step4修改参数t ,转Stepl。 上述两个图给出了NSGA2和MOGAMC两个算法在运行了 500代以后所能找到的Pareto解集,从图1、2可以看出,在两个 3数值实例 算法运行相同代数的情况下,在两个测试函数中,MOGAMC找 到的解集比NSGA2找到的解集要更接近最优面,MOGAMC比 本文主要讨论了GHI的保形问题,新构造的分段四次样条 NSGA2有更强的求解能力。从表1可以看出,MOGAMC与NS— GA2相比,由于在每一代中,只求其NDS集,而舍弃Ds集,采用 曲线是GC 连续的,该曲线既解决了GHI的构造问题,又是一 了快速排序的思想,所以MOGAMC在运行相同代数的情况下, 种保形插值的有效方法。该算法由型值点直接计算所有B6zier 不但找到的解集比NSGA2要好,而且从效率上也要快得多。 点,而无需求解线性或非线性方程组,且曲线的构造有很好的局 部性,例如修改曲率KI,仅仅影响相应的两段曲线r (t)和rI 4结束语 (t),同样改变 的值, 影响到曲线Fi,.(t)和 (t)。因此本 文的算法不但将保形概念引入到GHI问题,而且几何性质良 本文参考快速排序的思想,提出了一种有效的构造非支配 好,局部修改十分方便,是一种有效的方法。 集的算法,将多亲遗传算法与改进的快速排序构造非支配集的 例1 给定五个有序的数据点(它们构成一个非凸多边形) 算法相结合,提出了一种基于多亲遗传机制的多目标优化算法。 及相应的一组曲率,用本文算法可求得GC2连续的保形参数四 最后。采用了测试函数对本文提出的算法进行了测试,并获得了 次插值样条曲线,如图4。 理想的实验结果,这说明本文所讨论的方法与其它已有的方法 相比具有一定的有效性和先进性。 参考文献 [1]Kalyanmoy Deb,Amrit Pratap,Sameer Agrawal,et 1a.A Fast and Elitist Multi-objective Genetic Algorihtm:NSGA-II[J].IEEE Transactions on Evolutionary Computation,2002,6(2):182—197. 图4保形插值曲线 [2]Zheng Jinhua,Charles X Ling,Shi Zhongzhi,Xie Yong.Some Discus- sions about MOGAs:Individual Relations,Non—dominated Set,and Ap・ 参考文献 plication on Automatic Negotiation[A].Congress on Evolutionary Corn- [1]Farin G.CuRes and Surfaces for Computer Aided Geometirc Design:A putation[C],2004. 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