动态搜索半径的果蝇优化算法.doc
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1、收稿日期: xxxx-xx-xx。教育部高等学校博士学科点专项科研基金联合资助项目(20132121110009);辽宁省教育厅基金项目(L2015208)。高雷阜,教授,博士生导师,主研领域:最优化理论与应用。赵世杰,博士研究生。徒君,讲师,博士。于冬梅,博士研究生。动态搜索半径的果蝇优化算法高雷阜 赵世杰* 徒君 于冬梅(辽宁工程技术大学优化与决策研究所,阜新123000)摘要 针对传统果蝇优化算法固定搜索半径导致后期局部寻优性能弱、收敛缓慢的问题,提出了一种动态搜索半径的果蝇优化算法,该算法前期以较大搜索半径保证全局寻优性能,而后期搜索半径随迭代次数动态递减以保证局部寻优性能,有效地实现
2、算法全局与和局部寻优性能的均衡;其次,针对传统果蝇优化算法不适于优化变量的区间设定问题,通过初始搜索半径设定和平移变换等技术提出了一种有效的区间限定方法。数值实验结果表明:改进算法具有较好的寻优精度和预测标准差等指标,验证了算法的有效性和可行性。关键词 果蝇优化算法 搜索半径 平移变换 基准测试函数中图分类号 TP18文献标识码 A DOI: 10.3969/j.issn.1000-386x.2013.01.001FRUIT FLY OPTIMIZATION ALGORITHM WITH DYNAMIC SEARCH RADIUSGao Leifu Zhao Shijie Tu Jun Yu
3、Dongmei(Institute of optimization and decision, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning, China)Abstract Considering the fixed-scale search radius of the classical fruit fly optimization algorithm (FOA) results in several problems in algorithms later-stage, i.e. the weak local optimizat
4、ion performance and the slowing constringency, the fruit fly optimization algorithm with dynamic search radius (DSR-FOA) is proposed. The search radius of DSR-FOA algorithm is larger to ensure the global optimization performance in the early-stage, while its radius declines dynamically with the iter
5、ations increasing for having better local optimization performance in the later-stage. This improvement achieves the equilibrium between the global and local optimization. Secondly, facing that FOA algorithm is unfit for the interval setting of the optimized variables, an effectual interval-set meth
6、od is present which based on techniques including the setting of the initial search radius and the translation transformation. The experimental results show that DSR-FOA algorithm has better precision and smaller standard deviation, which validates the effectiveness and feasibility of improved algor
7、ithm.Keywords Fruit Fly Optimization Algorithm Search Radius Translation Transformation Benchmark Testing Function0 引言果蝇优化算法1-2(Fruit Fly Optimization Algorithm, FOA)是学者潘文超受果蝇觅食行为启发于 2011 年提出的一种新的仿生智能优化算法,其模仿果蝇通过优越的嗅觉和视觉来找寻发现食物,主要利用嗅觉搜索实现果蝇个体多样性的提高和较大的搜索范围,利用视觉搜索实现果蝇个体的快速收敛;该算法具有调节参数少、寻优速度快和易于实现等优点而
8、在一些科学和工程领域3-5得到有效应用。目前FOA算法的研究方向主要有搜索半径的改进6-7、味道判定函数的改进8-9和种群多样性的设置10等方面11。传统FOA算法中搜索半径是保持固定不变的,虽能保证算法前期较大的搜索空间以实现较好的全局搜索性能,但却严重影响了算法后期的局部搜索性能,而造成后期寻优性能弱、收敛缓慢的不足,对此本文改进了传统FOA算法的迭代搜索半径,提出了一种动态搜索半径的果蝇优化算法,以实现果蝇群体在全局与局部均能保持较好的搜索性能;同时由于果蝇代表的解只能为正值与优化问题可能存在负值区间的矛盾性,基于初始搜索半径的设定和平移变换等技术提出了一种区间限定方法,最后,将改进算法
9、用于基准测试函数的优化求解。1 果蝇优化算法果蝇优化算法1-2是受果蝇觅食行为启发而提出的一种仿生智能优化算法,是一种全局优化方法。果蝇是飞行昆虫,通过自身嗅觉和视觉对外部环境极为敏感的特性,先利用嗅觉器官很好地获取漂浮在空气中的各种气味,确定出食物源的大体位置;在飞近食物后再利用视觉发现食物与同伴聚集的位置,同时往该方向飞去。在嗅觉记忆与视觉记忆的协同作用下,模拟果蝇群体搜寻食物的过程,FOA算法迭代寻优过程可归纳为以下几步:Step1:果蝇种群规模和最大迭代次数的设置;果蝇群体位置的随机初始化和: (1)其中,和为常数。Step2:赋予果蝇飞行的搜索半径与随机方向,确定出第代果蝇群体第个个
10、体利用嗅觉搜寻食物所得的新位置坐标: (2)其中,为果蝇个体利用嗅觉觅食的固定搜索半径;为间的一个随机数表示果蝇个体的随机觅食方向(正值表示正方向;负值表示负方向);Step3:由于无法事先得知食物的位置所在,不失一般性,以原点坐标为食物的默认位置,计算第代果蝇群体中第个个体的位置与原点的距离,并以其倒数作为味道浓度判定值: (3)Step4:将味道浓度判定值代入到味道浓度判定函数中,确定出该果蝇个体的味道浓度: (4)Step5:第代果蝇群体最优味道浓度的确定和对应味道浓度判定值的保存: (5)Step6:果蝇群体通过视觉飞到(5)所保存的位置,生成新的果蝇群聚位置: (6)Step7:判断
11、是否满足终止条件,即判断迭代次数是否达到最大迭代次数,若是则输出最优味道浓度和判定值,反之加1,并跳转执行Step2。果蝇群体中每个个体的味道浓度判定值代表所研究问题的可行解,对应味道浓度值代表目标值,并以群体中味道浓度的大小来衡量果蝇个体的优劣。2 动态搜索半径的果蝇优化算法2.1 改进思想传统FOA算法在Step2中,搜索半径是保持固定不变的,即每代果蝇群体的果蝇个体在利用嗅觉觅寻食物时都是以固定半径向周围随机搜索的。为保证FOA算法具有较好的全局寻优性能,同时避免陷入局部极值等问题,一般搜索半径设置为一个相对较大的值。这样做,虽然保证了FOA算法前期的较好全局寻优性能,但同时导致了另外一
12、个问题:在算法迭代寻优后期,由于果蝇群体仍在较大的搜索空间中继续寻优,从而导致局部寻优性能较弱、寻优效率相对较低和收敛缓慢等问题。由传统FOA中搜索半径存在的问题分析可以发现:搜索半径的设置直接影响着FOA算法的优化性能。为保证算法既具有较好的全局寻优性能,又具有较强的局部寻优性能。因此,搜索半径的设定应遵循如下原则:前期搜索半径为一个相对较大的值以保证全局寻优性能,后期搜索半径则应为相对较小的值以保证局部搜索性能。文献6改进提出的DS-FOA算法中搜索半径满足的函数关系式为: (7)其中,变量为果蝇群体的当前迭代次数,常量为最大迭代次数,常量为搜索半径的初始最大值。文献7改进提出的IFFO算
13、法中搜索半径满足的函数关系式为: (8)其中,常量为搜索半径的最小值。图1 FOA算法的搜索半径对比图在DS-FOA算法和IFFO算法中搜索半径前期下降较为迅速(见图1),并不能较好地保证算法的全局优化性能,在一定程度上降低了FOA算法的全局优化性能,综合考虑传统FOA算法、DS-FOA算法和IFFO算法中存在的问题,本文对果蝇群体搜索半径进行改进提出了动态搜索半径的果蝇优化算法(Fruit Fly Optimization Algorithm With Dynamic Search Radius,DSR-FOA),搜索半径定义式为: (9)其中,跳转因子和指数因子均为间的一个常量。跳转因子控
14、制DSR-FOA算法的全局优化与局部优化的进程跳转,通过适当设置以实现全局与局部优化性能的均衡;指数因子控制搜索半径的递减速率,实现算法后期较好的局部搜索性能。由算法定义式的分析可知:当,且时,DSR-FOA算法便退化为传统FOA算法,都是以搜索半径进行次搜索;当,且时,式(8)和式(9)是相一致的,表明式(8)可看作是式(9)的一个特例,但文献7每次只修正一个变量,从而影响了种群的进化进程。由于前几代果蝇群体(即小于)离食物源相对较远,故设定果蝇优化算法具有较大的搜索半径,以保证算法的全局寻优性能;随着果蝇群体越趋近于食物源,较大搜索半径不利于算法的局部优化性能,故定义搜索半径随迭代次数而逐
15、渐减小,直到最大迭代次数时减为。DSR-FOA算法与FOA算法、DS-FOA算法和IFFO算法的搜索半径对比图见图1。2.2 DSR-FOA算法优化连续函数由图1可知:DSR-FOA算法在迭代前期具有较大的搜索半径,保证了较好的全局寻优性能;后期搜索半径相对减小有利于保证算法的局部寻优性能,从而使算法实现全局与局部寻优性能的较好均衡。DSR-FOA算法可用于连续函数的优化求解,设连续函数的定义式为: (10)其中,表示函数中的变量数目。由于传统FOA算法的味道浓度判定值(即问题的解)是通过搜索半径所定位置以距离的形式来表示的,且只能取正值,这与测试函数中变量取值区间可能存在负区间是相矛盾的。为
16、解决这种矛盾,利用搜索半径的初始设定和平移变换等技术提出了一种适应于FOA算法的变量区间设定方法。该方法首先对初始搜索半径根据变量取值区间进行设定,再利用区间平移变换实现味道浓度判定值落入变量取值区间内,具体操作方法为:当优化函数变量取值区间(默认测试函数中和均大于1)的界值和同号时,同时利用循环保证生成个介于(和均正时),则即表示函数变量(若和均负时,需保证介于,此时表示函数变量);当变量取值区间界值和异号时,同时保证生成个小于等于,则表示函数变量。利用DSR-FOA算法对优化函数的执行伪码(以变量取值区间为为例)为:表1 基准测试函数信息函数名称函数形式变量区间SchafferGriewa
17、nkRosenbrockRastriginQuadricAckley3 实验仿真3.1 实验设计为验证DSR-FOA算法的优越性,以FOA算法、DS-FOA算法和IFFO算法作为对比算法,通过6个基准测试函数的仿真实验结果来说明DSR-FOA算法的有效性和可行性。6个基准测试函数的函数名称、函数形式和变量区间等信息见表1(其中Schaffer函数为2维,其余为30维)。果蝇的搜索半径按2.2中的方法进行设置,最大迭代次数,种群规模,跳转因子和指数因子。最大搜索半径,为保证与IFFO算法的对比性能,根据二者间的关系式,设置IFFO的最小搜索半径为。各实验均独立进行30次实验,并以30次实验的平均
18、值作为最终结果。3.2 实验结果与分析根据3.1中6个测试函数的变量取值区间和参数设置情况,利用4种算法对6个测试函数进行数值实验,各算法性能的评价指标选用最优值(best)、最差值(worst)、平均值(mean)和标准差(std)共4个统计指标,各测试函数的30次实验的统计平均结果见表2。表2 四种算法对测试函数的结果Alg.bestworstMeanstd.F1FOA-1-0.9997-0.999965.91E-5IFFO-1-0.9218-0.98471.65E-2DSFOA-1-0.99999-12.58E-6DSRFOA-1-10F2FOA1.51E-46.51E-31.41E-3
19、1.75E-3IFFO1.20E-48.25E-32.78E-32.02E-3DSFOA1.14E-48.32E-42.59E-41.56E-4DSRFOA1.06E-43.71E-42.20E-46.86E-5F3FOA1.03E-51.65E-22.69E-33.84E-3IFFO2.3E-11.15E+21.27E+05.03E+1DSFOA9.44E-61.11E-31.88E-42.74E-4DSRFOA8.27E-61.59E-44.33E-54.28E-5F4FOA3.80E-91.29E-31.85E-42.91E-4IFFO1.03E-72.99E-39.98E-45.43E
20、-4DSFOA1.73E-89.75E-58.30E-61.91E-5DSRFOA3.78E-91.10E-51.88E-62.87E-6F5FOA6.07E-53.71 E-25.85E-38.35E-3IFFO1.06E-48.73E-28.82E-39.89E-3DSFOA2.77E-51.41E-32.99E-43.53E-4DSRFOA2.63E-53.04E-47.12E-55.65E-5F6FOA8.97E-45.07 E-21.09E-21.29E-2IFFO4.14E-37.37E-25.32E-28.80E-3DSFOA1.07E-34.17E-31.90E-37.79E-
21、4DSRFOA1.04E-34.85E-31.45E-36.84E-4由表2可知:对6个基准测试函数的实验结果中,DSR-FOA算法的4项评价指标均优于FOA算法、IFFO算法和DS-FOA算法的,具有较好的平均函数值和较小的测试标准差,说明了DSR-FOA算法具有较好的优化精度和较强的鲁棒性;并具有最优的best指标(除F6),表明改进算法保证了较好的最优预测性能;同时有最小的worst指标(除F6),说明改进算法即使在最坏极端情况下也能保持较好的预测性能,在实际应用中有利于降低未知情形下的可能损失和资源浪费,从而在一定程度上验证了改进算法的较好优越性能。为更直观形象地展示4种算法对各测试函
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