Pareto-Based Multiobjective Machine Learning An Overview and Case Studies

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基于遗传算法的Pareto多目标配电网重构

基于遗传算法的Pareto多目标配电网重构

基于遗传算法的Pareto多目标配电网重构向佳炜;刘建华【摘要】Distribution network reconfiguration is a multi-objective optimization project,but it is generally used for single-ob-jective optimization. Therefore,a genetic algorithm based on the ecological niche idea is put forward in this paper to improve the distribution network’s economical efficiency,security and power supply reliability,in which Pareto optimizing way is adopted to obtain Pareto optimal solution and realize a different optimizing way,i.e. optimization before decision. In the period of optimiza-tion,the global convergence ability and convergent velocity of the genetic algorithm was improved by the ecological niche envi-ronment,and self-adaptive mechanism of the crossing-over rate and mutation rate. The effectiveness of this approach was proved by a case study.%配电网重构一般采用对单一目标优化,而配电网重构却是一个多目标优化问题。

基于自适应反向学习的多目标分布估计算法

基于自适应反向学习的多目标分布估计算法

2021⁃01⁃10计算机应用,Journal of Computer Applications 2021,41(1):15-21ISSN 1001⁃9081CODEN JYIIDU http ://基于自适应反向学习的多目标分布估计算法李二超*,杨蓉蓉(兰州理工大学电气工程与信息工程学院,兰州730050)(∗通信作者电子邮箱lecstarr @ )摘要:针对基于规则模型的多目标分布估计算法全局收敛性较弱的缺陷,提出了一种基于自适应反向学习(OBL )的多目标分布估计算法。

该算法根据函数变化率的大小来决定是否进行OBL :当函数变化率较小时,算法可能陷入局部最优,所以进行OBL 以提高当前种群中个体的多样性;当函数变化率较大时,运行基于规则模型的多目标分布估计算法。

所提算法通过适时地引入OBL 策略,减小了种群多样性及个体的分布情况对优化算法整体收敛质量以及收敛速度的影响。

为了验证改进算法的性能,选取基于规则模型的多目标分布估计算法(RM -MEDA )、摸石头过河算法与分布估计混合算法(HWSA -EDA )以及基于逆建模的多目标进化算法(IM -MOEA )作为对比算法与所提算法分别在ZDT 和DTLZ 测试函数上进行测试。

测试结果表明,除了在DTLZ2函数上以外,所提算法不仅有良好的全局收敛性,而且解的分布性和均匀性都有所提高。

关键词:多目标优化问题;局部最优;反向学习;种群多样性;收敛性中图分类号:TP18文献标志码:AMulti -objective estimation of distribution algorithm withadaptive opposition -based learningLI Erchao *,YANG Rongrong(College of Electrical Engineering and Information Engineering ,Lanzhou University of Technology ,Lanzhou Gansu 730050,China )Abstract:Aiming at the defect of poor global convergence of the regularity model -based multi -objective estimation ofdistribution algorithm ,a multi -objective estimation of distribution algorithm based on adaptive Opposition -Based Learning (OBL )was proposed.In the algorithm ,whether to carry out OBL was judged according to the change rate of the function.When the change rate of the function was small ,the algorithm was easily to fall into the local optimum ,so that OBL was performed to increase the diversity of individuals in current population.When the change rate of the function was large ,the regularity model -based multi -objective estimation of distribution algorithm was run.In the proposed algorithm ,with the timely introduction of OBL strategy ,the influences of population diversity and individual distribution on the overall convergence quality and speed of optimization algorithm were reduced.In order to verify the performance of the improved algorithm ,Regularity Model -based Multi -objective Estimation of Distribution Algorithm (RM -MEDA ),Hybrid Wading across Stream Algorithm -Estimation Distribution Algorithm (HWSA -EDA )and Inverse Modeling based multiObjective Evolutionary Algorithm (IM -MOEA )were selected as comparison algorithms to carry out the test with the proposed algorithm on ZDT and DTLZ test functions respectively.The test results show that the proposed algorithm not only has good globalconvergence ,but also improves the distribution and uniformity of solutions except on DTLZ2function.Key words:Multi -objective Optimization Problem (MOP);local optimum;Opposition -Based Learning (OBL);population diversity;convergence引言多目标优化问题(Multi -objective Optimization Problem ,MOP )通常是指同时对多个相互作用又相互冲突的优化目标进行求解,因此该类问题在尽量满足决策者需求的情况下,只能求得多个折中解,即满意解。

基于帕累托前沿面曲率预估的超多目标进化算法

基于帕累托前沿面曲率预估的超多目标进化算法

基于帕累托前沿面曲率预估的超多目标进化算法基于帕累托前沿面曲率预估的超多目标进化算法序言:超多目标优化问题在现实世界中非常常见,涉及到多个冲突的目标。

为了解决这类问题,进化算法被广泛采用。

然而,当目标超过三个时,直接应用进化算法面临挑战,其中之一是如何有效地选择适当的解集。

对于这个问题,一种新的方法——基于帕累托前沿面曲率预估的超多目标进化算法应运而生。

介绍:帕累托前沿面曲率预估是一种通过分析帕累托前沿面的曲率特征来预测解的优劣的方法。

在超多目标进化算法中,该方法可以用于帮助选择最优解集。

在本文中,我将深入探讨基于帕累托前沿面曲率预估的超多目标进化算法的原理、优势、应用以及我的个人观点和理解。

一、基本原理1.1 帕累托前沿面曲率预估的概念帕累托前沿面曲率预估是基于帕累托前沿面的曲率进行预测的方法。

帕累托前沿面是一组最优解的集合,其中任何解的改进都会导致至少一个目标的恶化。

曲率被认为是评估前沿面的弯曲程度的一种方式。

通过分析前沿面上的点的曲率,可以得出一些关于全局优化的启示。

1.2 算法流程基于帕累托前沿面曲率预估的超多目标进化算法的流程如下:1) 初始化种群;2) 计算种群中每个个体的目标函数值,并按照帕累托支配关系将个体分为不同的支配层次;3) 对于每个支配层次,计算该层次上每个个体在前沿面上的曲率;4) 根据曲率预估,选择某个阈值,将曲率小于该阈值的个体加入解集;5) 将其他个体作为种群重新进行进化操作;6) 重复步骤2至5,直到满足停止条件。

二、优势与应用2.1 优势基于帕累托前沿面曲率预估的超多目标进化算法具有以下优势:- 可以预测解的优劣,帮助选择最优解集;- 通过曲率分析,能够发现前沿面上的局部极值点;- 可以加速算法的收敛过程,提高求解效率;- 在处理带有冲突目标的问题时,表现出较好的性能。

2.2 应用基于帕累托前沿面曲率预估的超多目标进化算法已经在多个领域得到了成功应用,比如:- 交通规划中的路网设计优化;- 供应链管理中的供应商选择问题;- 机器学习中的特征选择与神经网络设计;- 网络安全领域的漏洞修复策略制定等。

Pareto强度指标遗传算法求解地下水模拟优化模型

Pareto强度指标遗传算法求解地下水模拟优化模型

Pareto强度指标遗传算法求解地下水模拟优化模型1. 引言地下水模拟是一种重要的技术手段,用于研究地下水流动和质量传输过程。

优化地下水模拟模型可以帮助我们更好地理解地下水系统的特性,并有效地管理地下水资源。

Pareto强度指标遗传算法是一种多目标优化算法,可以有效处理多目标优化问题,并找到一组近似最优解集合。

2. 相关工作在地下水模拟优化方面,传统的优化算法如梯度下降算法、模拟退火算法等往往只能找到单一的最优解,难以处理多目标优化问题。

Pareto强度指标遗传算法通过引入Pareto强度指标来衡量解的优劣程度,从而实现找到近似最优解集合的目标。

3. 地下水模拟优化模型地下水模拟优化模型通常包括地下水流动方程和质量传输方程。

地下水流动方程描述地下水在多孔介质中的流动规律,而质量传输方程描述了污染物在地下水中的传输过程。

优化地下水模拟模型的目标通常包括最大限度减少地下水的质量风险、最大限度提高地下水资源的利用效率等。

4. Pareto强度指标遗传算法Pareto强度指标遗传算法是一种基于遗传算法的多目标优化算法。

其核心思想是通过不断进化种群来探索Pareto最优解集合,并根据Pareto强度指标来评估解的优劣。

算法包括初始化种群、选择、交叉和变异等基本操作。

在每一代种群中,通过计算Pareto强度指标来选择和更新个体集合,最终得到一组近似最优解集合。

5. 实验设计与结果分析为验证Pareto强度指标遗传算法在地下水模拟优化中的有效性,设计了一系列实验。

在实验中,选取了不同的目标函数和约束条件,并比较了Pareto强度指标遗传算法和其他优化算法的性能。

结果显示,Pareto强度指标遗传算法能够有效地找到一组近似最优解集合,较好地平衡了地下水质量风险和资源利用效率的关系。

6. 结论本文介绍了Pareto强度指标遗传算法在地下水模拟优化中的应用。

通过实验验证,我们得出结论:Pareto强度指标遗传算法能够有效解决地下水模拟模型的多目标优化问题,为地下水资源管理和保护提供了有效的工具和方法。

基于灵敏度分析的Pareto解改进计算方法

基于灵敏度分析的Pareto解改进计算方法
~
图2
Paret o 解的改进计算示意图
2. 1
灵敏度分析 灵敏 度是 在给 定 Paret o 解处 某 一优 化 目标 f i 沿
i
= exp ( i ( f i - f 0 i ))
( 1) 为
式中 , f i 为优化目标; f 0 i 为偏好区域中极好与较好的分界 点坐标值, 需设计人员根据偏好要求进行定义; 参数 偏好函数系数, 需根据 f i 的取值范围确定。 假定偏好函数取值范围为 [ 0, 10 ] , 优化目标位于可行 区域的偏好函数值为 7. 4 , 即当 f i > 7 . 4 时, 优化目标 f i 的设计变量不满足偏约束限制; 当 f
= f 1 ( x) = f 2 ( x)
( 3)
如果决策人员的偏好要求为优化目标 f 1 、 f 2 偏好要求 均为较好以上, 而多目标优化计算得到的 Par eto 前沿上不 存在符合此偏好要求的解, 仅有较符合的 Par eto 解 F 1 、 F2 。 因此 , 在进行灵敏度分析的基础上 , 沿 Par eto 前沿方向进行 搜索计算, 对较符合偏好要求的 Par eto 解进行改进 , 确定改 进解 F# 1、 F# 2 , 为进行多目标决策分析及确定最终解奠定基 础( 见图 2) 。
0


因而设计者和决策者可以根据对目标函数的重视程度从 Par eto最优解集中进行选择, 根据具体设计要求选取最满 意的解。通常方法是决策者按照某些定量或定性的邻域约 束、 目标偏好或难以表达的专家经验等, 从非劣解集中选取 唯一现实可行的最优方案。 图 1 为多目标优化器与决策器的系统构成图。其中, Par eto最优解集的搜索过程由优化器实现, Pareto 解的选择 和比较过程由决策器完成。决策器由决策专家或具有领域 决策知识的专家系统承担 , 它可从 Paret o 最优解的搜索过 程中不断提取、 变化与丰富决策信息, 并逐步引导优化器向 感兴趣的非劣最优区域移动。一般决策者根据对目标的偏 好关系与程度、 目标期望值、 效用函数等因素来形成偏好知 识以选择 Par eto 解 [ 5 6] 。本文采用决策者对优化目标的偏 好关系对 Par eto 解进行比较分析。

利用帕累托非支配关系实现高效三目标差分进化的方法

利用帕累托非支配关系实现高效三目标差分进化的方法

利用帕累托非支配关系实现高效三目标差分进化的方法
作者 机构 基金项目 许玉龙,潘旭,王忠义,盛梦园,王林景 河南中医药大学 信息技术学院;郑州大学 信息工程学院 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 81703946 , 61772475 ) ;河南省科技攻关研究项目 (172102210361,172102310536) ;河南省高校重点科研项目(15A520083,16A520060, 17B520017) ;河南中医药大学博士基金资助项目(BSJJ2015-19) 预排期卷 摘要 《计算机应用研究》 2019 年第 36 卷第 3 期 在多目标进化算法中,时间复杂度过高是普遍的问题,特别是三个目标函数以上时,解的等 级分配占用了过多运算时间。针对三目标问题,利用帕累托支配关系,对解的等级分配进行 研究,发现经典的等级排序及分配方法存在一定冗余操作,需对全部的解先排序后,才能再 分配等级并选择下一代,造成部分不必要的运算。为减少该冗余,利用帕累托非支配关系结 合差分进化,实现高效三目标进化算法。算法每次迭代对种群中最高等级的个体进行计算, 在分配等级同时进行选择后代个体操作,当后代种群生成时便跳出计算,从而减少个体的计 算数量,降低运算量,同时给出该方法的相关理论分析和证明过程。然后,针对一系列三目 标优化问题,将提出方法与著名排序方法 NSGAII,及近年来优秀的 ENS 方法进行对比实验。 仿真实验结果表明,提出方法在时间复杂度和收敛速度上优于经典方法,稍差于 ENS 方法。 在标准测试函数 DTLZ1-DTLZ6 的性能上,提出方法近似于 ENS 方法,优于 NSGAII 算法,从 而验证了提出方法的有效性和正确性。 关键词 作者简介 三目标进化;帕累托;非支配解排序;收敛速度 许玉龙(1984-) ,男,河南许昌人,讲师,博士,主要研究方向为生物进化算法及其应用; 潘旭(1996-) ,男,河南驻马店人,本科生,主要研究方向为进化计算及其应用;王忠义 ( 1983- ) ,男(通信作者) ,河南兰考人,讲师,硕士,主要研究方向为智能信息处理 (flyxyl@) ;盛梦园(1995-) ,女,河南商丘人,本科生,主要研究方向为智能信息 处理;王林景(1985-) ,女,河南南阳人,硕士,主要研究方向为智能优化算法. 中图分类号 访问地址 TP391 /article/02-2019-03-006.html

精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法

精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法

第41卷第2期Vol.41㊀No.2重庆工商大学学报(自然科学版)J Chongqing Technol &Business Univ(Nat Sci Ed)2024年4月Apr.2024精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法陈㊀飞1,刘衍民2,刘㊀君3,张娴子31.贵州大学数学与统计学院,贵阳5500252.遵义师范学院数学学院,贵州遵义5630063.贵州民族大学数据科学与信息工程学院,贵阳550025摘㊀要:目的多目标粒子群算法虽然极易实现且收敛速度快,但在平衡其收敛性和多样性方面仍需进一步改善㊂方法针对上述问题,提出一种精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法(ECMOPSO )㊂一方面,算法采用全局损害选择精英粒子集,然后将两两竞争引入多目标粒子群算法中,通过精英竞争选取优胜者粒子,将其与全局领导者融合形成更全面的社会综合信息,以增强种群中粒子之间信息的交互性,更好引导种群中的粒子飞行,提升算法全局探索能力;另一方面,结合全局损害和基于位移密度估计对外部存档进行维护,从而提高外部存档中非劣解的质量,平衡算法的收敛性和多样性㊂结果将ECMOPSO 算法与4个多目标粒子群算法和4个多目标进化算法在ZDT 和UF 系列基准测试问题上进行仿真实验,并采用Wilcoxon 秩和检验和Friedman 秩检验比较ECMOPSO 算法与所选对比算法的整体性能㊂实验结果表明:相比其他几个对比算法,ECMOPSO 算法的收敛能力㊁解的分布性以及稳定性都得到了一定的提升㊂结论ECMOPSO 算法可以很好地平衡收敛性和多样性,提升其整体性能,能有效求解大多数多目标优化问题㊂关键词:多目标粒子群算法;精英竞争;综合控制;全局损害;基于位移密度估计中图分类号:TP18㊀㊀文献标识码:A ㊀㊀doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2024.0002.010㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-12-27㊀修回日期:2023-03-02㊀文章编号:1672-058X(2024)02-0074-12基金项目:贵州省进化人工智能重点实验室([2022]059);贵州省数字经济重点人才计划(2022001).作者简介:陈飞(1999 ),女,贵州遵义人,硕士研究生,从事优化理论及智能算法研究.通讯作者:刘衍民(1978 ),男,山东临沂人,教授,博士研究生导师,从事优化理论及智能算法研究.Email:yanmin7813@.引用格式:陈飞,刘衍民,刘君,等.精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2024,41(2):74 85.CHEN Fei LIU Yanmin LIU Jun et al.Multi-objective particle swarm optimization with elite competition and comprehensivecontrol J .Journal of Chongqing Technology and Business University Natural Science Edition 2024 41 2 74 85.Multi-objective Particle Swarm Optimization with Elite Competition and Comprehensive Control CHEN Fei 1 LIU Yanmin 2 LIU Jun 3 ZHANG Xianzi 31.School of Mathematics and Statistics Guizhou University Guiyang 550025 China2.School of Mathematics Zunyi Normal University Guizhou Zunyi 563006 China3.School of Data Science and Information Engineering Guizhou Minzu University Guiyang 550025 ChinaAbstract Objective Although multi-objective particle swarm optimization is easy to implement and has a fastconvergence speed it still needs to be further improved in the aspect of balancing convergence and diversity.Methods To solve the above problem a multi-objective particle swarm optimization with elite competition and comprehensive control ECMOPSO was proposed.On one hand the algorithm selected the elite particle set with global detriment and then the pairwise competitions were introduced into the multi-objective particle swarm optimization.Thewinner particles were selected through elite competition and the winner particles were fused with the global leaders toform more comprehensive social information so as to enhance the information interaction between particles in the第2期陈飞,等:精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法population better guide the flight of particles in the population and improve the global exploration ability of the algorithm.On the other hand global detriment and shifted-based density estimation were combined to maintain the external archive so as to improve the quality of non-dominated solutions in the external archive and balance the convergence and diversity of the algorithm.Results The ECMOPSO algorithm four multi-objective particle swarm optimization algorithms and four multi-objective evolutionary algorithms were simulated for ZDT and UF series benchmark problems and the Wilcoxon rank sum test and the Friedman rank test were used to compare the overall performance of ECMOPSO algorithm with the selected comparison algorithms.The experimental results showed that compared with other comparison algorithms the convergence ability solution distribution and stability of the ECMOPSO algorithm have been improved to some extent.Conclusion ECMOPSO algorithm can balance convergence and diversity well improve its overall performance and can effectively solve most multi-objective optimization problems.Keywords multi-objective particle swarm optimization elite competition comprehensive control global detriment shifted-based density estimation1㊀引㊀言由于多目标优化问题(Multi-objective Optimization Problems,MOPs)[1]的目标之间相互冲突,一个目标的改进可能会导致其他目标退化,所以MOPs中通常得到的是一组折衷解,这个解被称为Pareto最优解[1]㊂粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)[2]具有收敛速度快㊁参数少和易实现等特点,在求解单目标优化问题时有着良好的优化性能,随之有学者将其扩展来求解MOPs,也取得了很好的效果㊂Coello等[3]在2002年提出多目标粒子群算法(Multi-Objective Particle Swarm Optimization,MOPSO),该算法使用外部存档来存储算法在搜索过程中发现的所有非劣解,为全局最优解(Global Best Solution,g best)的选取提供良好的候选者,从而与个体最优解(Personal Best Solution,p best)共同指导种群中的粒子飞行,这样可以加快算法的收敛速度㊂但是,在优化过程中,MOPSO算法全局搜索能力较弱,易导致早熟收敛而陷入局部最优及多样性差等问题㊂因此,许多研究人员针对这些问题提出了改进的MOPSO算法[4-8]㊂Han 等[4]使用多目标梯度法对外部存档进行维护,以提高进化过程中的收敛速度和局部开发能力,但在解决某些多模态问题时并没有表现出较大优势;Li等[5]提出一种主导差分方法来判别解之间的优势关系以及设计一个基于Lp范数的密度估计器,使算法不仅具有良好的收敛性和多样性,而且具有较低的复杂度,但在解决具有复杂Pareto前沿(Pareto Front,PF)问题时还有一定不足;Wu等[6]提出一种新的进化状态估计机制自适应地切换领导者的选择策略,平衡算法在演化过程中的开发与探索关系,但在某些MOPs上性能不太稳定; Han等[7]提出一种基于解分布熵和种群间距信息混合框架的自适应算法,在收敛速度和精度方面都有一定的提高,但增加了一定的计算复杂度;Zhu等[8]利用分解方法将MOPs转换为一组子问题,并且外部档案中的个体通过基于免疫的进化策略进行进化,有利于加快收敛速度,但其收敛性和多样性并未均衡㊂综上可知,以上各种算法在收敛性和多样性等方面都有一定的提升,但是在有效平衡其收敛性和多样性方面仍需改进㊂为进一步解决上述问题,本文提出一种精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法(ECMOPSO)㊂首先,为了提高种群的搜索能力,采用全局损害选择精英粒子集;其次,将MOPSO算法与两两竞争结合起来,通过精英竞争选取优胜者粒子,将其与g best融合以便更好地引导种群中的粒子飞行;最后,结合全局损害和基于位移密度估计的综合平衡控制策略对外部存档进行维护,有效平衡算法的收敛性和多样性㊂2㊀相关工作2.1㊀多目标优化问题一般多目标优化问题[9]可以表述如下:min㊀F x()=f1x(),f2x(), ,f M x()()s.t.㊀g i x()ȡ0,i=1,2, ,qh j x()=0,j=1,2, ,r其中:x=x1,x2, ,x D()是决策空间X⊂R D中的一个D 维决策向量;F x()表示M维的目标向量;f i x()表示第i 维的目标函数;g i x()ȡ0i=1,2, ,q()和hjx()=0 j=1,2, ,r()分别是不等式约束和等式约束㊂57重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷2.2㊀粒子群算法在PSO 算法[2]中,每个粒子通过跟踪两个领导者p best 和g best 更新其自身速度㊂p best 记录了每个粒子在历史搜索过程中的最优位置,而g best 则记录了整个种群当前搜索到的最优位置㊂假设第i 个粒子的速度矢量为V i =v i ,1,v i ,2, ,v i ,D (),位置矢量为X i =(x i ,1,x i ,2,,x i ,D ),其中i =1,2, ,N ,N 为种群规模,D 为决策空间的维数㊂则第i 个粒子在第t +1次迭代都遵循式(1)和式(2)来更新其速度和位置㊂V i t +1()=ωV i t ()+c 1r 1p best i t ()-X i t ()()+c 2r 2g best i t ()-X i t ()()(1)X i t +1()=X i t ()+V i t +1()(2)其中:t 是迭代次数,ω为惯性权重,c 1和c 2是分别用来控制p best 和g best 对粒子速度影响的加速度系数,r 1和r 2是[0,1]中均匀生成的两个随机数㊂2.3㊀竞争群优化器竞争群优化器(Competitive Swarm Optimizer,CSO)是由Cheng 等[10]提出的一个受PSO 算法启发且计算成本较低的算法,它与传统PSO 算法在本质上有很大的不同㊂CSO 算法不再使用p best 和g best 来引导粒子飞行,而是使用一种两两竞争学习来更新粒子的速度和位置㊂实验结果显示:CSO 算法比PSO 算法可以更好地平衡收敛性和多样性㊂第t +1次迭代过程中,第k 轮竞争之后失败粒子的速度和位置更新公式如下:V l ,k t +1()=r 1V l ,k t ()+r 2X w ,k t ()-X l ,k t ()()+φr 3X -k t ()-X l ,k t ()()X l ,k t +1()=X l ,k t ()+V l ,k t +1()其中:t 是迭代次数;k =1,2, ,N/2,N 为种群规模;r 1㊁r 2和r 3是[0,1]中均匀生成的3个随机数;V l ,k (t )和X l ,k (t )分别是第t 次迭代过程中第k 轮竞争之后失败粒子的速度和位置;X w ,k t ()和X -k t ()分别是第t 次迭代过程中第k 轮竞争之后优胜者粒子的位置和种群中所有粒子位置的均值;φ是用来控制X -k t ()影响的一个参数㊂3㊀MOPSO 算法设计为了更好平衡算法的收敛性和多样性,使粒子能够在较高维度的搜索空间中跳出局部最优而收敛到全局最优,本文提出一个改进的ECMOPSO 算法㊂与原始MOPSO 算法相比,ECMOPSO 算法提出了一种精英竞争的社会融合策略对粒子进行更新,并利用一种综合平衡控制策略对外部存档进行维护,有效地平衡了收敛性和多样性㊂3.1㊀精英竞争的社会融合在大多数元启发式算法中,如何有效平衡收敛性和多样性是一个至关重要的问题㊂在标准的MOPSO 算法中,种群中的每个粒子向p best 和g best 这两个领导者学习,在其 社会学习 部分只选择一个全局领导者㊂这种情况下,粒子不能从各种样本中学到更多有用的经验,从而降低了种群的多样性㊂基于上述这个问题,ECMOPSO 算法结合了CSO 算法中的两两竞争对种群中的粒子进行更新,以实现收敛性和多样性之间的平衡㊂首先,创建一个预定义大小为r 的精英粒子集E ,以获得综合性能较好的非劣解㊂由于精英粒子集是用来提供候选粒子的,用于两两竞争选择领导者来引导种群的搜索,所以选择的精英粒子应该在收敛性和多样性之间保持良好的平衡㊂因此,本文结合基于非支配排序和基于指标排序的方法来选择精英粒子㊂由于全局损害(Global Detriment,GD)[11]考虑解在不同目标上差异的绝对值累积,是一个考虑解之间差异有多显著的方法,所以选择它来作为E 中精英粒子的选择原则,最终选出排名前r 的粒子作为精英粒子集㊂GD 的描述具体如下:R GD NS i ()=1NM ðN j =1ðM m =1max f m NS i ()-f m NS j (),0()f m ,max -f m ,min其中:NS i 是第i 个非劣解;N 是非劣解的个数;M 是目标个数;f m ㊃()为第m 个目标的适应度函数;f m ,max 和f m ,min 分别是第m 个目标上的最大值和最小值㊂接下来,从精英粒子集E 中随机选出两个精英粒子竞争,优胜者粒子e 与g best 融合来引导种群中的粒子飞行,这样有利于更好地实现收敛性和多样性之间的平衡㊂假设V i =v i ,1,v i ,2, ,v i ,D ()为第i 个粒子的速度向量,X i =x i ,1,x i ,2, ,x i ,D ()为位置向量,优胜者粒子位置向量为e i =e i ,1,e i ,2, ,e i ,D (),其中:i =1,2, ,N ,N 为种群中的粒子数;D 为决策空间的维数㊂则第i 个粒子在第t +1次迭代时的速度和位置更新如式(3)和式(2)所示㊂V i t +1()=ωV i t ()+c 1r 1p best i t ()-X i t ()()+㊀c 2r 2g best i t ()+e i t ()()/2-X i t ()()(3)其中:t 为迭代次数,ω为惯性权重,p best 和g best 分别为个体最优解和全局最优解,c 1和c 2是分别用来控制p best 和g best 对粒子速度影响的加速度系数,r 1和r 2是[0,1]中均匀生成的两个随机数㊂3.2㊀综合平衡控制在大多数多目标粒子群算法中,随着算法迭代次67第2期陈飞,等:精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法数的增加,为了能够保留搜索过程中发现的具有良好性能的非劣解,以及最后获得分布良好的Pareto 前沿,需要对外部存档进行有效维护㊂MOPSO [3]算法采用自适应网格策略对外部存档中的非劣解进行删除,该算法随机删除密度最大的粒子,这样很可能会删除一些性能相对较好的非劣解,降低了算法的收敛性㊂因此,本文提出GD 和基于位移密度估计(Shifted -based Density Estimation,SDE)[12]的综合平衡控制策略(其值由R SDE 表示)来估计存档中解的密度,从而对自适应网格中密度大的解进行删除,确保外部存档中非劣解保持良好的分布㊂SDE 同时涵盖个体的收敛性信息和分布性信息,当度量外部存档中的非劣解NS i 和其他非劣解NS j 之间的相似度时,首先按照式(4)来根据NS i 和NS j 之间的收敛性比较移动NS j 在目标空间中的位置,即f ᶄm NS j ()=f m NS j (),if㊀f m NS i ()<f m NS j ()f m NS i (),if㊀f m NS i ()ȡf m NS j (){(4)其中:i ,j =1,2, ,n ,i ʂj ,n 为当前外部存档中非劣解的个数;m =1,2, ,M ,M 表示目标个数;f m NS i ()和f m NS j ()分别为非劣解NS i 和NS j 的第m 个目标值;f ᶄm NS j ()表示解NS j 位移之后的目标值㊂移动位置后,根据式(5)中的欧氏距离来度量解NS i 和NS j 之间的相似度,d i ,j 表示NS i 与NS j 位移后的距离㊂再通过式(6)计算非劣解NS i 的密度D NS i ():d i ,j =ðMm =1f ᶄmNS j ()-f m NS i ()(5)D NS i ()=min d i ,1,d i ,2, ,d i ,n ()(6)下面描述外部存档维护的综合平衡控制(Comprehensive Balance Control,CBC)指标(其值用R CBC 表示)㊂如式(7)所示,R CBC 由R SDE 计算得到的密度和R GD 之比组成,可以更全面地评估外部存档中的非劣解,R CBC 的值越大说明解的收敛性和多样性越好㊂R CBC NS i ()=D NS i ()R GD NS i ()(7)为了验证R CBC 指标维护外部存档时的性能,图1显示了一个双目标的例子来说明分别采用指标R SDE ㊁R GD和R CBC 对密度最大的粒子进行删除时的效果㊂假设最密集的网格中有6个非劣解:N 1(0.0547,0.7131)㊁N 2(0.0550,0.7111)㊁N 3(0.0551,0.7110)㊁N 4(0.0553,0.7102)㊁N 5(0.0556,0.7081)和N 6(0.0559,0.7058),表1分别列出了由指标R SDE ㊁R GD 和R CBC 计算所获得的排序值,将要被删除解的值以粗体显示㊂从表中可以看出:N 2和N 3获得了相同的R SDE 值,这里随机删除其中一个,用R GD 评估时选择将极值点N 6删除,这将导致非劣解分布不均匀;而R CBC 则结合了这两个指标的优点,选择相对拥挤的解N 3删除㊂从图1可以直观地观察到:用R SED 和R CBC 来删除粒子时都获得了较均匀的分布,但R CBC 更能精准地删除综合性能不好的粒子,更有效地平衡算法的收敛性和多样性㊂图1㊀分别由R SDE ㊁R GD 和R CBC 策略删除外部存档中粒子的图解Fig.1㊀Illustrations of deleting particles in the externalarchive by R SDE ,R GD and R CBC ,respectively表1㊀由R SDE ㊁R GD 和R CBC 获得的排序值Table 1㊀The ranking values obtained by R SDE ,R GD and R CBC指㊀标N 1N 2N 3N 4N 5N 6R SDE 0.00030.00010.00010.00030.00030.0023R GD0.22030.12700.13630.15060.18600.2639R CBC 0.00140.00080.00070.00200.00160.00873.3㊀算法的主要流程算法的具体步骤如下:Step1㊀设置ECMOPSO 算法的相关参数,初始化种群中粒子的位置㊂Step2㊀对粒子进行变异操作,并计算其适应度值㊂Step3㊀结合非支配排序和指标排序选取精英粒子集E ㊂Step4㊀建立外部存档,存储非劣解㊂若外部存档没有达到最大存储数,则继续引入非劣解;若达到最大存储数,则利用综合平衡控制对外部存档进行维护㊂Step5㊀选取p best 和g best ,并利用两两竞争选择优胜者粒子e ㊂77重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷Step6㊀通过式(3)和式(2)更新粒子的速度和位置㊂Step7㊀若当前迭代次数没有达到最大迭代次数,则返回Step2;否则终止迭代,输出最优解集㊂图2㊀ECMOPSO算法流程图Fig.2㊀Flow chart of ECMOPSO algorithm 4㊀实验仿真分析4.1㊀实验参数设置为了对ECMOPSO算法的性能更客观地评价,使用了ZDT[13]和UF[14]两个不同基准测试组的15个测试问题来评估算法的性能㊂其中包括ZDT测试组的5个双目标测试问题以及UF测试组的7个双目标测试问题和3个三目标测试问题㊂这些测试问题具有不同的特性和复杂的Pareto前沿特征,比如凹凸性㊁多模态和不规则Pareto前沿形状等,可以很好地验证算法的可靠性和效率㊂对于双目标测试问题,ZDT1 ZDT3和UF1 UF7的决策变量个数设置为30,ZDT4和ZDT6的决策变量个数设置为10㊂对于三目标测试问题, UF8 UF10的决策变量个数设置为30㊂另外,选取了8个算法进行对比,其中有4个先进的多目标粒子群算法:SMPSO[15]㊁dMOPSO[16]㊁MPSOD[17]㊁NMPSO[18],以及4个具有竞争力的多目标进化算法:NSGAIII[19]㊁MOEADD[20]㊁SPEAR[21]㊁DGEA[22]㊂为了保证算法性能比较的公平性,所有对比算法设置的相关参数都与原始参考文献一致,每个算法的主要参数设置如表2所示㊂表2㊀ECMOPSO与几个对比算法的参数设置Table2㊀Parameter settings of ECMOPSO and several comparison algorithms算法名称参数设置SMPSOωɪ[0.1,0.5],c1,c2ɪ[1.5,2.5],p m=1/n,ηm=20 dMOPSO T a=2,θ=5MPSODωɪ[0.1,0.5],c1,c2,c3ɪ[1.5,2.5],p c=0.9,F=0.5,CR=0.5,p m=1/n,ηm=20,ηc=20 NMPSOωɪ[0.1,0.5],c1,c2,c3ɪ[1.5,2.5],p m=1/n,ηm=20 NSGAIII p m=1/n,p c=1.0,ηm=20,ηc=20MOEADD p m=1/n,p c=1.0,ηm=20,ηc=30,T=20,δ=0.9 SPEAR p m=1/n,p c=1.0,ηm=20,ηc=20DGEA R=10ECMOPSOω=0.4,c1=c2=2,r=30㊀㊀所有算法种群规模设置为200,外部存档大小为200,最大函数评估次数为10000㊂对于参数r,即精英粒子集大小,将会在4.5节进行参数分析㊂各算法在每个测试问题上都是独立运行30次,并且所有算法的实验数据都是在Intel(R)Core(TM)i7-6700CPU@ 3.40GHz3.40GHz Windows7系统中运用PlatEMO平台[23]和MATLAB R2021b实现的㊂4.2㊀性能评价指标为了评估算法的性能,采用反世代距离(Inverted Generational Distance,IGD[24],其值用R IGD表示)和超体积(Hypervolume,HV[25],其值用R HV表示)作为算法的性能评价指标㊂(1)R IGD是一种综合性指标,用来衡量算法得到的Pareto最优解集与真实PF之间的距离,可以很好地检验算法的收敛性和多样性㊂一个算法的R IGD值越小,就说明算法的收敛性和多样性越好㊂R IGD的计算公式为R IGD P,S()=1PðxɪP dist x,S()其中:S表示算法得到的Pareto最优解集,P表示在Pareto前沿上均匀分布的解集,dist x,S()是P中的解x87第2期陈飞,等:精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法与S 之间的最小欧氏距离㊂(2)R HV 也是一个综合的性能指标,表示算法获得的Pareto 最优解集与参照点围成的目标区域的体积㊂该指标可以估计算法所得到解集的收敛性和多样性,一个算法的R HV 值越大,就说明算法的收敛性和多样性越好㊂假设Z =Z 1,Z 2, ,Z m ()是目标空间中由所有Pareto 最优解支配的一个参考点,那么R HV 的计算公式为R HV S ()=δɣx ɪSf 1x (),z 1[]ˑf m x (),z m []()其中:S 表示算法得到的Pareto 最优解集,δ表示勒贝格测度㊂4.3㊀实验结果及数据分析表3和表4分别给出了ECMOPSO 算法与其他8个对比算法在15个测试问题上R IGD 值和R HV 值的均值(Mean)和标准差(Std),每个测试问题的最佳R IGD 值和R HV 值以粗体显示㊂此外,在α=0.05的显著性水平下,采用Wilcoxon 秩和检验,以显示检验结果之间的显著性差异㊂表中的符号 + ㊁ - 和 ʈ 分别表示其他算法的结果明显优于ECMOPSO 算法㊁明显差于ECMOPSO 算法以及与ECMOPSO 算法在统计上相似㊂表3㊀ECMOPSO 与8个对比算法在15个测试问题上的R IGD 值Table 3㊀R IGD values of ECMOPSO and eight comparison algorithms on fifteen test problems测试问题R IGD SMPSOdMOPSOMPSODNMPSONSGAIIIMOEADD SPEARDGEA ECMOPSOZDT1Mean StdWilcoxon 9.3128e -2(8.76e -2)- 5.7021e -2(1.72e -2)- 1.0539e -1(4.48e -2)- 2.9320e -2(1.09e -2)- 1.0075e -1(1.58e -2)- 1.2071e -1(1.84e -2)- 1.7041e -1(2.27e -2)- 1.1171e +0(2.91e -1)- 2.8807e -3(1.31e -4)ZDT2Mean Std Wilcoxon 5.3523e -2(1.07e -1)- 4.3899e -2(1.26e -2)- 1.7007e -1(1.02e -1)-1.9366e -2(6.61e -3)- 2.0184e -1(3.66e -2)- 1.5338e -1(2.65e -2)- 3.7517e -1(1.38e -1)-8.7982e -1(3.45e -1)- 3.4428e -3(1.24e -3)ZDT3Mean Std Wilcoxon 1.8286e -1(9.84e -2)- 3.5035e -2(6.31e -3)- 1.8725e -1(4.18e -2)-8.7429e -2(2.79e -2)-8.7967e -2(1.49e -2)- 1.8247e -1(1.50e -2)- 1.5654e -1(2.01e -2)-9.6677e -1(2.18e -1)- 3.4618e -3(3.00e -4)ZDT4Mean Std Wilcoxon 1.0525e +1(5.31e +0)- 5.4853e +0(6.11e +0)- 3.6093e +1(6.75e +0)- 1.7181e +1(1.02e +1)- 2.5028e +0(9.78e -1)-9.4142e -1(3.49e -1)ʈ2.0250e +0(6.56e -1)- 6.4764e +0(3.85e +0)- 1.4778e +0(1.53e +0)ZDT6Mean Std Wilcoxon 1.9172e -3(5.28e -5)+5.9543e -3(7.44e -3)- 2.7563e -2(2.87e -2)- 2.3135e -3(2.03e -4)+1.4465e +0(2.84e -1)- 5.8299e -1(1.72e -1)- 1.0509e +0(2.05e -1)- 2.2844e -2(1.09e -1)- 2.3842e -3(8.60e -5)UF1Mean Std Wilcoxon 3.8144e -1(9.05e -2)- 6.5685e -1(9.66e -2)- 2.8711e -1(5.02e -2)- 1.3308e -1(2.61e -2)ʈ1.3504e -1(3.81e -2)ʈ1.5518e -1(3.36e -2)- 1.3884e -1(2.47e -2)- 6.0941e -1(1.43e -1)- 1.2450e -1(8.69e -3)UF2Mean Std Wilcoxon 1.0184e -1(8.97e -3)-9.5765e -2(6.88e -3)- 1.1295e -1(1.01e -2)-8.3027e -2(7.26e -3)-8.1612e -2(5.33e -3)-7.5348e -2(6.19e -3)ʈ7.5129e -2(1.06e -2)ʈ1.8017e -1(2.18e -2)-7.4285e -2(4.41e -3)UF3Mean Std Wilcoxon 4.4586e -1(5.40e -2)- 3.3009e -1(6.15e -3)- 5.0047e -1(1.80e -2)- 3.5774e -1(6.03e -2)- 4.7958e -1(1.08e -2)- 4.6766e -1(1.32e -2)- 4.3291e -1(1.47e -2)- 5.6713e -1(3.36e -2)- 2.7446e -1(1.74e -2)UF4Mean Std Wilcoxon 1.1129e -1(8.05e -3)+1.3722e -1(4.87e -3)ʈ9.9054e -2(4.98e -3)+6.2896e -2(6.16e -3)+9.5857e -2(2.50e -3)+9.0998e -2(4.09e -3)+8.4957e -2(2.04e -3)+1.2029e -1(1.22e -2)+1.3613e -1(1.50e -2)97重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷续表(表3)测试问题R IGD SMPSOdMOPSO MPSOD NMPSO NSGAIII MOEADD SPEAR DGEA ECMOPSOUF5Mean StdWilcoxon 2.8298e +0(5.59e -1)- 3.1949e +0(2.75e -1)- 2.7562e +0(2.66e -1)- 1.6868e +0(4.03e -1)- 1.6151e +0(3.91e -1)ʈ1.4347e +0(2.43e -1)ʈ1.1071e +0(1.88e -1)+3.0618e +0(7.08e -1)- 1.4249e +0(3.08e -1)UF6Mean Std Wilcoxon 1.2509e +0(4.17e -1)- 2.3449e +0(5.44e -1)-1.3904e +0(3.30e -1)-6.9338e -1(1.22e -1)-6.9635e -1(1.32e -1)-8.1561e -1(1.21e -1)-6.6148e -1(9.41e -2)-2.4887e +0(5.78e -1)-5.7726e -1(5.24e -2)UF7Mean StdWilcoxon 3.5088e -1(1.33e -1)-3.8396e -1(7.93e -2)-2.5133e -1(6.38e -2)-1.8663e -1(1.74e -1)-2.0383e -1(6.16e -2)-1.9100e -1(7.47e -2)-1.7285e -1(4.94e -2)-7.0149e -1(9.26e -2)-9.4107e -2(1.11e -2)UF8Mean StdWilcoxon 3.8732e -1(5.15e -2)- 3.4149e -1(3.37e -2)- 5.4728e -1(3.01e -2)- 4.7758e -1(1.01e -1)- 3.4595e -1(3.79e -2)- 3.3185e -1(2.17e -2)-3.2293e -1(1.95e -2)-7.2797e -1(1.26e -1)-2.7654e -1(3.88e -2)UF9Mean StdWilcoxon 5.5251e -1(3.74e -2)- 5.7965e -1(3.88e -2)- 6.6012e -1(3.81e -2)-4.6048e -1(5.27e -2)-5.1531e -1(4.58e -2)-5.2906e -1(6.04e -2)-4.6378e -1(4.87e -2)-7.5157e -1(1.39e -1)-1.4735e -1(1.99e -2)UF10Mean StdWilcoxon2.6494e +0(4.07e -1)-1.3204e +0(2.12e +0)ʈ4.2119e +0(4.16e -1)-1.4357e +0(3.60e -1)ʈ2.3930e +0(4.77e -1)-3.4430e +0(5.31e -1)-1.7848e +0(3.09e -1)-4.7389e +0(7.65e -1)-1.2703e +0(6.00e -1)+/-/ʈ2/13/00/13/21/14/02/11/21/12/21/11/32/12/11/14/0Best /All1/150/150/151/150/151/151/150/1511/15表4㊀ECMOPSO 与8个对比算法在15个测试问题上的R HV 值Table 4㊀R HV values of ECMOPSO and eight comparison algorithms on fifteen test problems测试问题R HV SMPSOdMOPSOMPSODNMPSO NSGAIII MOEADDSPEAR DGEA ECMOPSOZDT1Mean StdWilcoxon 6.0517e -1(1.05e -1)- 6.5272e -1(1.95e -2)- 5.7200e -1(5.85e -2)- 6.8969e -1(1.28e -2)- 5.8938e -1(1.96e -2)- 5.5955e -1(2.35e -2)- 4.9868e -1(2.42e -2)- 1.6149e -2(3.71e -2)-7.2136e -1(1.44e -4)ZDT2Mean Std Wilcoxon 3.9326e -1(9.98e -2)- 3.7831e -1(1.96e -2)- 2.5026e -1(1.02e -1)- 4.3397e -1(9.77e -3)- 2.0890e -1(2.99e -2)- 2.4709e -1(2.56e -2)-8.9477e -2(6.11e -2)- 2.9573e -2(9.92e -2)- 4.4532e -1(3.14e -3)ZDT3Mean Std Wilcoxon 5.2053e -1(6.83e -2)- 5.9777e -1(1.79e -2)ʈ4.6767e -1(4.14e -2)- 5.7228e -1(9.92e -3)- 5.4336e -1(1.03e -2)- 4.7287e -1(1.73e -2)- 5.0525e -1(3.00e -2)- 3.9698e -2(5.82e -2)- 6.0056e -1(7.13e -4)ZDT4Mean Std Wilcoxon 0.0000e +0(0.00e +0)- 3.9475e -2(9.21e -2)-0.0000e +0(0.00e +0)-0.0000e +0(0.00e +0)- 4.3538e -4(2.38e -3)- 3.3123e -2(4.47e -2)-0.0000e +0(0.00e +0)-0.0000e +0(0.00e +0)- 6.9196e -2(5.93e -2)ZDT6Mean Std Wilcoxon 3.9003e -1(5.86e -5)+3.8599e -1(7.41e -3)ʈ3.6732e -1(1.97e -2)-3.8975e -1(1.76e -4)+0.0000e +0(0.00e +0)-1.9708e -2(2.13e -2)-1.4687e -3(8.04e -3)-3.7990e -1(5.05e -2)-3.8942e -1(1.62e -4)8第2期陈飞,等:精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法续表(表4)测试问题R HV SMPSOdMOPSOMPSODNMPSONSGAIIIMOEADDSPEARDGEAECMOPSOUF1Mean StdWilcoxon 2.6491e -1(7.17e -2)- 5.5084e -2(5.08e -2)- 3.3817e -1(5.07e -2)- 5.1537e -1(3.63e -2)ʈ5.1768e -1(4.46e -2)ʈ4.9279e -1(4.05e -2)- 5.1402e -1(3.05e -2)ʈ1.0999e -1(8.33e -2)- 5.2738e -1(1.50e -2)UF2Mean StdWilcoxon 6.0671e -1(8.62e -3)- 6.1545e -1(6.11e -3)- 5.7878e -1(1.04e -2)- 6.1923e -1(8.22e -3)- 6.1559e -1(6.98e -3)- 6.2093e -1(7.56e -3)- 6.2477e -1(9.70e -3)- 5.0246e -1(2.80e -2)- 6.3444e -1(4.21e -3)UF3Mean StdWilcoxon 2.1706e -1(5.15e -2)- 3.0963e -1(9.53e -3)- 1.7346e -1(1.59e -2)- 2.8302e -1(5.67e -2)- 1.8452e -1(1.12e -2)- 1.9992e -1(1.15e -2)- 2.2317e -1(8.52e -3)- 1.2176e -1(1.64e -2)- 3.7404e -1(1.88e -2)UF4Mean StdWilcoxon 2.9288e -1(9.25e -3)+2.5327e -1(4.58e -3)ʈ3.0800e -1(6.00e -3)+3.6040e -1(8.40e -3)+3.1268e -1(2.99e -3)+3.1886e -1(4.21e -3)+3.2527e -1(2.71e -3)+2.8110e -1(1.43e -2)+2.5715e -1(1.61e -2)UF5Mean StdWilcoxon 0.0000e +0(0.00e +0)ʈ0.0000e +0(0.00e +0)ʈ0.0000e +0(0.00e +0)ʈ0.0000e +0(0.00e +0)ʈ0.0000e +0(0.00e +0)ʈ0.0000e +0(0.00e +0)ʈ1.3453e -5(7.37e -5)ʈ0.0000e +0(0.00e +0)ʈ0.0000e +0(0.00e +0)UF6Mean StdWilcoxon 1.1432e -3(6.26e -3)-0.0000e +0(0.00e +0)-0.0000e +0(0.00e +0)- 1.8370e -2(2.67e -2)ʈ1.2244e -2(1.73e -2)- 2.8881e -3(6.71e -3)- 1.6659e -2(2.03e -2)ʈ0.0000e +0(0.00e +0)- 1.9962e -2(1.09e -2)UF7Mean Std Wilcoxon 2.0783e -1(1.03e -1)- 1.7261e -1(5.62e -2)- 2.6128e -1(6.09e -2)- 3.8775e -1(1.16e -1)ʈ3.1792e -1(6.35e -2)- 3.3427e -1(6.65e -2)- 3.5657e -1(4.50e -2)- 2.1735e -2(2.23e -2)- 4.4089e -1(1.70e -2)UF8Mean Std Wilcoxon 1.7390e -1(4.51e -2)- 2.6282e -1(2.32e -2)- 5.4523e -2(1.71e -2)- 2.8801e -1(5.17e -2)- 2.3078e -1(3.81e -2)- 1.5653e -1(3.31e -2)- 1.8219e -1(3.40e -2)- 2.4817e -2(2.82e -2)- 3.4706e -1(1.05e -2)UF9Mean Std Wilcoxon 2.1269e -1(3.11e -2)- 2.3294e -1(1.76e -2)- 1.1167e -1(2.52e -2)- 3.2189e -1(5.49e -2)- 2.3892e -1(4.10e -2)- 2.0844e -1(4.72e -2)- 2.7506e -1(4.50e -2)-8.2413e -2(5.59e -2)- 6.0995e -1(1.83e -2)UF10Mean Std Wilcoxon 0.0000e +0(0.00e +0)-9.1138e -2(2.49e -2)+0.0000e +0(0.00e +0)-0.0000e +0(0.00e +0)-0.0000e +0(0.00e +0)-0.0000e +0(0.00e +0)-0.0000e +0(0.00e +0)-0.0000e +0(0.00e +0)-3.0791e -2(5.35e -2)+/-/ʈ2/12/11/10/41/13/12/9/41/12/21/13/11/11/31/13/1Best /All1/151/150/151/150/150/151/150/1511/15㊀㊀从表3和表4可以看出:本文提出的ECMOPSO 算法综合性能明显优于对比的8个算法㊂从Wilcoxon 秩和检验结果来看:ECMOPSO 算法与对比算法SMPSO㊁dMOPSO㊁MPSOD㊁NMPSO㊁NSGAIII㊁MOEADD㊁SPEAR18重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷和DGEA在15次比较中,分别有13㊁13㊁14㊁11㊁12㊁11㊁12㊁14次的表现显著优于这些算法,有0㊁2㊁0㊁2㊁2㊁3㊁1㊁0次得到了相似的结果㊂此外,从表3中的最佳值可以看出:ECMOPSO在15个测试问题上获得了11个最佳R IGD值,而算法SMPSO㊁dMOPSO㊁MPSOD㊁NMPSO㊁NSGAIII㊁MOEADD㊁SPEAR和DGEA获得的最佳R IGD值个数分别为1㊁0㊁0㊁1㊁0㊁1㊁1㊁0㊂表4中最佳R HV值所得结果与R IGD相似,ECMOPSO算法在15个测试问题上也获得了11个最佳值㊂所有统计结果都证明ECMOPSO算法和所选的算法比较仍然具有很强的竞争力㊂为进一步比较ECMOPSO算法与所选对比算法的整体性能,还采用Friedman秩检验计算所有算法的平均排名㊂从表5可以看出:无论是R IGD值还是R HV值,提出的ECMOPSO算法最终排名都是第一,这说明在和其他8个算法比较时,ECMOPSO算法在这些测试问题上的整体性能较为显著㊂表5㊀ECMOPSO算法和所有对比算法R IGD值和R HV值的Friedman秩检验Table5㊀Friedman rank test of R IGD values and R HV values ofECMOPSO and all comparison algorithms算㊀法R IGD R HV Friedman test Rank Friedman test RankSMPSO 5.737 5.436 dMOPSO 5.406 4.774 MPSOD7.008 6.708 NMPSO 3.402 3.102 NSGAIII 4.935 5.035 MOEADD 4.674 5.437 SPEAR 3.873 4.673 DGEA8.2797.909 ECMOPSO 1.731 1.971从R IGD㊁R HV㊁Wilcoxon秩和检验和Friedman秩检验结果可以得出结论:所提出的ECMOPSO算法与对比算法相比有更好的综合性能,在求解MOPs时可以获得更好的收敛性和多样性㊂4.4㊀图形比较分析为了比较各算法的收敛性和分布性,观察它们是否真正收敛到近似Pareto前沿,图3和图4分别展示ECMOPSO算法与其他8个对比算法在测试问题ZDT3和UF9上的Pareto最优解集分布㊂从图中可以看出: ECMOPSO算法在收敛性和分布性上的表现相对于其他算法来说都更有优势㊂这说明精英竞争和综合平衡控制策略能更好地平衡收敛性和多样性㊂㊀㊀(a)SMPSO(b)dMOPSO ㊀㊀(c)MPSOD(d)NMPSO ㊀㊀(e)NSGAIII(f)MOEADD ㊀㊀(g)SPEAR(h)DGEA(i)ECMOPSO图3㊀9个算法在ZDT3测试问题上的近似PFFig.3㊀Approximation PF of nine algorithms onZDT3test problems28第2期陈飞,等:精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法㊀㊀(a)SMPSO(b)dMOPSO㊀㊀(c)MPSOD(d)NMPSO㊀㊀(e)NSGAIII(f)MOEADD(g)SPEAR(h)DGEA(i)ECMOPSO图4㊀9个算法在UF9测试问题上的近似PFFig.4㊀Approximation PF of nine algorithms on UF9test problems为了能够直观地比较各算法在ZDT和UF系列测试问题上的稳定性,图5展示了ECMOPSO算法与其他8个算法在一些测试问题上独立运行30次所得到的R IGD值分布统计箱型图㊂其中箱型图横坐标上的1㊁2㊁3㊁4㊁5㊁6㊁7㊁8㊁9依次表示算法SMPSO㊁dMOPSO㊁MPSOD㊁NMPSO㊁NSGAIII㊁MOEADD㊁SPEAR㊁DGEA和ECMOPSO,纵坐标表示算法的R IGD值㊂从这些图中可以观察到:图5展示了与表3一致的对比结果,在这些测试问题上,ECMOPSO算法无论在解的结果还是算法的稳定性上都比其他8个算法更为显著㊂(a)ZDT1(b)ZDT2(c)ZDT3(d)UF1(e)UF7(f)UF9图5㊀9个算法在不同测试问题上R IGD值的箱型统计图Fig.5㊀Box statistics of the R IGD values of nine algorithms ondifferent test problems除了解集的质量,算法的收敛速度也是一个重要的性能指标㊂图6为ECMOPSO算法和8个算法在ZDT3㊁UF7和UF9上评价10000次得到的R IGD值收敛轨迹㊂从图中可以看出,ECMOPSO算法具有很好的收敛速度,明显优于其他8个对比算法㊂(a)ZDT338重庆工商大学学报(自然科学版)第41卷(b )UF1(c )UF7图6㊀ECMOPSO 和8个对比算法在ZDT3㊁UF1和UF7测试问题上的R IGD 收敛轨迹Fig.6㊀R IGD convergence trajectories of ECMOPSO and eightcomparison algorithms on ZDT3,UF1and UF7test problems综上可知,从PF 图㊁箱型图和收敛轨迹图来看,所提出的ECMOPSO 算法与所选的几个有竞争力的算法相比,ECMOPSO 算法的综合性能要优于其他算法,说明所提出的精英竞争和综合平衡控制策略可以更好地平衡算法的收敛性和多样性㊂4.5㊀参数分析本节将对参数r 进行灵敏度分析㊂在提出的ECMOPSO 算法中,精英粒子集的大小r 对算法的性能有一定的影响:如果r 太小,可能会导致种群过早收敛,但如果r 太大,可能会降低种群收敛速度㊂因此,合适大小的r 可以很好地平衡收敛性和多样性㊂图7展示了ECMOPSO 算法在测试问题UF1㊁UF3㊁UF6㊁UF7和UF8上不同大小精英粒子集的R IGD 值,该算法在每个测试问题上都独立运行了30次㊂从图中可以看出,当精英粒子集的大小为30时,ECMOPSO 算法的性能最佳㊂图7㊀ECMOPSO 在一些测试问题上不同大小精英粒子集的R IGD 值Fig.7㊀The R IGD values of different sizes of elite particle setscalculated by ECMOPSO on some test problems5㊀结㊀论提出一种精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法,有效平衡了算法的收敛性和多样性㊂ECMOPSO 算法将两两竞争引入多目标粒子群算法中,采用全局损害选择精英粒子集,然后通过精英竞争选择优胜者粒子,将其与全局领导者融合来引导种群中的粒子飞行,提升了算法的全局探索能力;并且结合全局损害和基于位移密度估计对外部存档进行维护,从而提高外部存档中非劣解的质量,平衡算法的收敛性和多样性;最后采用Wilcoxon 秩和检验和Friedman 秩检验来比较ECMOPSO算法与所选对比算法的整体性能,将ECMOPSO 算法与8个对比算法在ZDT 和UF 测试问题上进行仿真实验㊂实验结果表明:ECMOPSO 算法具有更好的综合性能,可以更好地平衡收敛性和多样性,能有效地求解大多数多目标优化问题㊂参考文献 References1 ㊀LUO Q WU G JI B et al.Hybrid multi-objective optimizationapproach with Pareto local search for collaborative truck-dronerouting problems considering flexible time windows J .IEEETransactions on Intelligent Transportation Systems 2022 23 813011 13025.2 ㊀KENNEDY J EBERHART R C.Particle swarm optimizationC //Proceedings of the International Conference on NeuralNetworks.Piscataway 1995 1942 1948.3 ㊀COELLO C A C LECHUGA M S.MOPSO A proposal formultiple objectiveparticleswarmoptimization C //Proceedingsofthe2002CongressonEvolutionaryComputation.CEC 02IEEE 2002 1051 1056.4 ㊀HAN H LU WZHANG L et al.Adaptive gradient48第2期陈飞,等:精英竞争和综合控制的多目标粒子群算法multiobjective particle swarm optimization J .IEEE Transactions on Cybernetics 2018 48 11 3067 3079.5 ㊀LI L CHANG L GU T et al.On the norm of dominant difference for many-objective particle swarm optimization J . IEEE Transactions on Cybernetics 2021 51 4 2055 2067.6 ㊀WU B HU W HU J et al.Adaptive multiobjective particle swarm optimization based on evolutionary state estimation J . 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IEEE Transactions on Evolutionary Computation 2013 18 3 348 365.13 ZITZLER E DEB K THIELE parison of multi-objective evolutionary algorithms Empirical results J . Evolutionary Computation 2000 8 2 173 195.14 ZHANG Q ZHOU A ZHAO S et al.Multi-objective optimization test instances for the CEC2009special session and competition C//University of Essex Colchester UK and Nanyang Technological University Singapore Special Session on Performance Assessment of Multi-objective Optimization Algorithms Technical Report 2008 264 1 30.15 NEBRO A J DURILLO J J GARCIA-NIETO J et al. SMPSO A new PSO-based metaheuristic for multi-objectiveoptimization C//Proceedings of the IEEE Symposium on Computational Intelligence in Multi-criteria Decision-making MCDM .IEEE 2009 66 73.16 MARTINE Z S Z COELLO C A.A multi-objective particle swarm optimizer based on decomposition C//Proceedings of the13th Annual Conference on Genetic and Evolutionary Computation.2011 69 76.17 DAI C WANG Y YE M.A new multi-objective particle swarm optimization algorithm based on decomposition J . Information Sciences 2015 325 1 541 557.18 LIN Q LIU S ZHU Q et al.Particle swarm optimization with a balanceable fitness estimation for many-objective optimization problems J .IEEE Transactions on Evolutionary Computation 2018 22 1 32 46.19 DEB K JAIN H.An evolutionary many-objective optimization algorithm using reference-point-based non-dominated sorting approach part i Solving problems with box constraints J . 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Genetic Programming and Evolvable Machines 2005 62 163 190.25 ZITZLER E THIELE L.Multi-objective evolutionary algorithmsA comparative case study and the strength Pareto approach J . IEEE Transactions on Evolutionary Computation 1999 34 257 271.责任编辑:李翠薇58。

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科研热词 推荐指数 多目标优化 5 多目标 3 遗传算法 2 多目标进化算法 2 多属性决策 2 优化 2 pareto最优解集 2 pareto最优解 2 nsga-ⅱ 2 顺序启发式算法 1 非支配排序遗传算法 1 非支配排序 1 配电网故障恢复 1 配电网 1 进化算法 1 订单调度 1 规模效应 1 节能减排 1 结构参数 1 经济运行 1 粒子群算法 1 粒子群优化算法 1 电能质量监测器 1 电子商务 1 生物地理信息算法(bbo) 1 热电联供 1 灰色关联度 1 混合遗传算法 1 水陆两栖可变形机器人 1 水文模型 1 模糊数 1 模糊多目标遗传算法 1 模型 1 柔性 1 机会约束规划 1 服务质量 1 服务组合 1 最优解处理 1 星载天线 1 故障定位 1 微电网 1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ形状优化 1 定价 1 多目标遗传算法 1 多目标参数优化 1 多目标优化问题 1 多agent 1 在轨辨识 1 变异算子 1 动压径向轴承 1 偏好权重 1 传感器多目标优化部署 1
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34
53 54 55 56 57 58 59 60
产品设计 spea pid控制 pareto解集 pareto最优解集 pareto最优解 pareto支配集 nsga-ⅱ

基于Pareto_支配的两阶段多目标优化算法

基于Pareto_支配的两阶段多目标优化算法

文章编号:1006-3080(2022)06-0806-10DOI: 10.14135/ki.1006-3080.20210530001基于Pareto 支配的两阶段多目标优化算法王学武, 高 进, 陈三燕, 顾幸生(华东理工大学能源化工过程智能制造教育部重点实验室,上海 200237)摘要:针对二维和三维的多目标优化问题,提出了一种基于Pareto 支配的两阶段多目标优化算法(MOEA-PT)。

全局搜索阶段根据Pareto 支配关系将种群进行排序,依据临界层子集的排序等级执行相应的选择策略;局部调整阶段对种群中的个体进行微调,将新产生的个体与距离其最近的个体进行支配关系、分布性、收敛性的对比,替换较差的个体。

分析了两个阶段对算法性能的影响,同时对引入局部调整策略后的种群进行了对比,结果表明局部调整策略能有效增强算法性能。

通过对标准测试函数的求解,并与其他经典的多目标算法进行对比,验证了本文算法在收敛性和分布性等方面具有一定的优越性。

关键词:多目标优化;Pareto 支配;全局搜索;局部调整;选择策略中图分类号:TP301文献标志码:A实际生产生活中经常出现需求多个目标的问题,这些目标需要同时进行优化处理,但往往又是相互冲突的,这类问题称为多目标优化问题(MOP)。

为了获得良好的最优解集(Pareto 解集),一次学习中获得一组解的多目标进化算法备受关注。

多目标问题的优化过程主要追求两个目标:解的分布性和收敛性。

在解决MOP 问题的过程中,众多学者提出了不同的算法。

Zhang 等[1]提出了基于分解的多目标优化算法(MOEAD),通过一系列均匀分布的参考向量和聚合函数,采取邻域替换的策略,使得到的解在空间保持良好的分布性和收敛性。

Deb 等[2]提出了基于Pareto 支配与参考点相结合的多目标优化算法(NSGA -III),在保证解的收敛速度的同时,使解的分布性得到很好提高。

王学武等[3]提出了一种基于超体积的多目标优化算法(MOEA -HV),通过提前删除支配个体来提升运行效率,同时以空间中均匀分布的参考点来优化解的分布性。

基于Pareto多目标遗传算法的模糊系统设计

基于Pareto多目标遗传算法的模糊系统设计

grh sdt o t i e t cuea dp rm tr o e uz ytm , n etreo jc v oi m i ue pi z t r tr n aa ees f h zyss s a dt e-bet e t s o m eh su t f e h h i
基 பைடு நூலகம்数据 的模 糊 建模 成 为 研 究 的热 点 , 在 并
的物 理意 义 , 们 可 通 过 易 于理 解 的模 糊 规则 洞 人 察 系统 的内部 运行 机 理 , 即解 释 性 是 模 糊模 型最 显著 的特 征… 。随 着 建 模 问 题 的 维 数 和 复 杂 性 的提 高 , 如何 从数 据 中 自动 构造模 糊 系统 , 在近 年 来 成 为新 的研究方 向 卜m 。
mu i bet egnt l rh rpsd h p rah i c m oe f w h ss teiia l- jc v e e cag i m i po oe .T ea po c o psdo op ae : h nt l to i i ot s s t i
f zy s se i d n i e sn u z l se i g ag rt m ;t e Pi s u g sy e r a —o e e e i l u z y t m si e t d u i g f z y cu t rn l o h i f i h t b r h-tl e lc d d g n tc a- t
fn t n b s do G l ag r h c mbn ste itr rtbl yidc sa d tep e iin id x u ci ae n NS A—I loi m o ie h ne ea i t n ie n h rcso n e . o t p i

基于pareto最优解集的多目标人工萤火虫群优化算法(ICMAL2011)

基于pareto最优解集的多目标人工萤火虫群优化算法(ICMAL2011)

基于Pareto最优解集的多目标人工萤火虫群优化算法龚巧巧周永权(广西民族大学数学与计算机科学学院南宁530006 )摘要:提出一种基于Pareto最优解集的多目标人工萤火虫群优化算法,通过采用“Pareto库”来存储当前得到的Pareto最优解,对每次迭代得到的Pareto解集例中的解进行比较,从而更新“Pareto库”中解,这样更好地引导萤火虫进行下一步的寻优,最终得到一个完整的Pareto 最优解集。

最后,8个标准测试函数的仿真实验结果也表明了本文算法的有效和正确性。

关键词:多目标函数;人工萤火虫群算法;Pareto最优解集;“Pareto库”A Multi-objective Artificially Glowworm Swarm Optimization Algorithm Basedon Pareto Optima SetGong Qiaoqiao Zhou Yongquan(College of mathematics and Computer Science, National University of Guangxi Nanning Guangxi 530006, China)Abstract: A multi-objective artificially glowworm swarm optimization algorithm based on Pareto optima set is brought forward In this paper, by adopting a container called “Pareto Library ”to store Pareto optima found, Glowworms in “Pareto Library ”must be made comparisons each other and eliminated gradually, at last a whole Pareto optima set would be achieved. The emulation results of eight typical test functions proved the validity of this algorithm.Keywords: multi-objective function; artificially glowworm swarm optimization algorithm; Pareto optima set; “Pareto Library”1 引言在科学计算与工程领域中优化问题中,需要优化对象的目标往往不止一个,具有一个以上目标函数的问题是相当常见的。

基于双种群的Pareto局部搜索算法

基于双种群的Pareto局部搜索算法

收稿日期:2017-12-10 修回日期:2018-04-17 网络出版时间:2018-06-29基金项目:江苏省自然科学基金(BK20130808)作者简介:汪 欣(1993-),男,硕士,CCF 会员(54514G),研究方向为智能计算与机器学习㊂网络出版地址: /kcms /detail /61.1450.TP.20180629.1700.012.html基于双种群的Pareto 局部搜索算法汪 欣,夏 超(南京航空航天大学计算机科学与技术学院,江苏南京211100)摘 要:多目标组合优化问题是工程实际和现实生活中常见的问题,随着目标数目的增多,其求解的难度也越发增加,现有的多目标组合优化算法大多只能解决两至三个目标问题,对于超过三个目标的超多目标组合优化问题却没有好的解决方案㊂在基于分解的框架和Pareto 局部搜索算法的基础上,提出了一种基于双种群的Pareto 局部搜索算法用于解决超多目标组合优化问题㊂算法在进化过程中维持两个种群,分别为工作集和外部集㊂工作集利用分解的思想将多目标优化问题分解成单目标问题进行解决以加速收敛过程,工作集则进行Pareto 局部搜索来产生更为高效的解以保证搜索效率㊂为验证算法的有效性,基于多目标旅行商问题的多个目标和多个实例进行仿真实验㊂通过与现有算法的比较可知,算法在超多目标的组合优化问题上有着非常好的效果㊂关键词:多目标组合优化;Pareto 局部搜索;双种群;分解框架;多目标旅行商问题中图分类号:TP301.6 文献标识码:A 文章编号:1673-629X (2018)11-0115-05doi:10.3969/j.issn.1673-629X.2018.11.026A Pareto Local Search Based on Dual PopulationWANG Xin ,XIA Chao(School of Computer Science and Technology ,Nanjing University of Aeronautics andAstronautics ,Nanjing 211100,China )Abstract :Multi -objective combinatorial optimization problem is common in engineering practice and real life.Difficulty for solving it increases with the increasing number of objectives.Most of the existing multi -objective combinatorial optimization algorithms can only solve two or three objective problems ,and there is no better solution to the many -objective combinatorial optimization problem with more than three objectives.Therefore ,we propose a dual population based Pareto local search algorithm based on the decomposition frame⁃work.The algorithm maintains two populations ,i.e.working and external archives ,during evolution.Working archive decomposes the multi -objective optimization problem into a number of single -objective problems to speed up convergence process by using the idea of decomposition ,while the external archive generates more efficient solutions by using Pareto local search to ensure the search efficiency.To verify the effectiveness of the algorithm ,a simulation experiment is carried out based on multi -and many -objectives instances of multi -objective traveling salesman problem ,which validates the effectiveness and efficiency of proposed algorithm over the existing algorithmson many -objective combinatorial optimization problems.Key words :multi -and many -objective combinatorial optimization ;Pareto local search ;dual population ;decomposition based framework ;multi -objective traveling salesman problem0 引 言实际中大部分的优化问题都是组合优化问题,在很多情况下各个目标之间都是相互冲突的,即对于一个目标上的改善很有可能会导致其余一个或几个目标性能的降低㊂因此多目标优化的目的是对多个目标上进行权衡,使得优化结果能够在各个目标上都尽可能达到最优㊂进化算法是一种基于种群的多点搜索方法,已经在很多多目标优化问题[1]中得到了应用[2]㊂当前已经有很多算法在2~3个目标的组合多目标优化问题中取得了良好的效果,但是在超多目标(3个以上目标)上的表现不佳㊂针对超多目标的问题的特性,提出了一种基于双种群的Pareto 局部搜索算法(DPPLS )㊂DPPLS 在分解的框架下,分别维持着两个种群,一个种群来保持解的收敛性,另一个用于贡献多第28卷 第11期2018年11月 计算机技术与发展COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT Vol.28 No.11Nov. 2018样性㊂1 概 述1.1 多目标优化问题定义一个多目标优化问题(MOP)的定义如下: minimize F(x)=(f1(x), ,f m(x)) subject to x∈Ω(1)其中,Ω是决策空间;F:Ω→R m是由m个实值目标函数组成的目标空间㊂可行目标域为{F(x)x∈Ω}㊂当Ω为离散集合时,式1被称作一个多目标组合优化问题㊂1.2 支配关系描述令u,v∈R m,当且仅当对于所有的i∈{1,2, , m}均有ui≤v i,且至少存在一个j∈{1,2, ,m}使得u j<v j,此时称u支配v,记作u≺v㊂对于一个解x*∈Ω,如果不存在其他解x∈Ω使得F(x)支配F(x*),则称x*为式1的Pareto最优解,而F(x*)称为Pareto最优向量㊂所有的Pareto最优解的集合称为Pareto Set(PS),而PS在目标空间上所映射的值被称为Pareto Front(PF)[3]㊂在很多实际的多目标组合优化问题中,PF是一个非常重要的概念,可以用来帮助决策者理解各个不同的目标之间的权衡信息,并且依此来做出他们的偏好和选择㊂1.3 多目标组合优化问题在实际的多目标组合优化问题中,获得其PF通常是一个NP难问题㊂在过去的探索中,多目标启发式算法(如Pareto局部搜索[4-5]㊁多目标模拟退火等算法[6])㊁多目标元启发式算法(如多目标进化算法(MOEAs[7-13])以及多目标蚁群算法(MOACO[14]))被广泛应用于近似真实问题的PF㊂1.4 进化算法背景在进化算法中,选择解的过程对算法效果及其重要㊂通常,算法的目的是获得收敛性和多样性取得权衡条件下的卓越的近似Pareto最优解集[15-16]㊂收敛性可以用来度量最终解解集合和真实PF的距离,其结果越小越好㊂多样性可以用来度量解集合在PF上分布的效果,其越均匀越好㊂基于上述两种选择解的需求,当前的进化算法可以分为基于指标的㊁基于分解的以及基于支配关系的算法[17-20]㊂一个基于分解的多目标进化算法的典型代表是MOEA/D[21],MOEA/ D的核心思想是将一个多目标优化算法分解为多个子问题,然后同时优化这些子问题㊂这些子问题的目标函数可以是多目标优化问题线性或非线性的聚合函数㊂在MOEA/D中,每一个解都被绑定至一个子问题,并且如果两个子问题对应的权重向量之间的欧氏距离相近,则称这两个子问题为邻居㊂MOEA/D通过相邻子问题之间的相关关系来加速其搜索,通过在目标空间内进行多个方向的搜索来实现其多样性㊂Pareto局部搜索(PLS)可以看作是单目标局部搜索的一个扩展[5],它通过一系列相互不支配的解来进行工作㊂Pareto局部搜索在每一迭代中,通过搜索这些非支配解的部分或者全部的邻居来进一步更新这个解集㊂当前,一个比较成功的PLS的变种是两阶段Pareto局部搜索(2PPLS)[5]㊂第一阶段通过聚合方法将多目标问题转化为单目标,然后对这些单目标问题利用现有的方法进行求解,产生一组高质量的非支配解集㊂第二阶段再利用Pareto局部搜索对第一阶段产生的解继续进行求解,往真实PF进行推进㊂最近,另外一种混合多目标启发式算法MOMAD[22],其结合了Pareto局部搜索和MOEA/D分解的方法在一些多目标组合优化问题中取得了优异的效果㊂但是当前的2PPLS和MOMAD以及其他现存的多目标启发式算法并不适合解决3-目标或者3-目标以上的超多目标组合优化问题(CMaOPs[23])㊂主要原因如下[23-24]:(1)Pareto支配关系的效果急剧下降,这是因为随着目标个数的增加,解与解之间相互支配的概率会变得很低,大多数的解之间都是非支配关系㊂这也导致了一些常见的基于支配的算法在超过两个目标的组合优化问题上表现不佳㊂(2)在MOMAD中,用来近似PF的解的数量没有很好的控制,因此极高的空间复杂度和时间复杂度限制了其在超过3个目标上的扩展㊂2 算 法2.1 主要框架文中算法主要基于MOEA/D算法框架,将一个多目标优化问题分解为N个单目标优化问题,一些聚合方法(权重和法㊁切比雪夫方法等)可以达到这些目的㊂在该算法中采用权重求和方法,工作原理如下:对于权重向量W,有W={λ1,λ2, ,λN},其中λi=(λi1,λi2, ,λi m),i=1,2, ,N(2)其中,λi∈R m+以及∑m j=1λi j=1,m为目标个数㊂每一个分解后的单目标优化描述如下: minimize g ws(yλi)=∑m j=1λi j f j(x) subject to x∈Ω(3)在权重向量W中,λl是λk的T个最近的权重向量之一,则称λl是λk的邻居㊂第l个子问题也称为第k个子问题的邻居㊂经过长期发展,Pareto局部搜索也有了很多的版㊃611㊃ 计算机技术与发展 第28卷本[22]㊂在这些版本和文中算法中,有一个重要的假设前提,就是在搜索空间里,通过定义正确的邻域关系,邻居可以通过从起始解集移动到邻居解集迭代生成㊂Pareto最优解集可以从邻居解集中获取㊂每一次迭代中,在算法中保持两个解集: (1)工作集WP:WP={x1,x2, ,x N},其中x k是迄今为止在子问题k中通过聚合方法找到的最优解㊂(2)外部集EP:外部集中的解都将进行Pareto局部搜索㊂两个解集之间将一直进行通信,新解可以通过基因算子从工作集中生成,也可以通过在外部集中进行Pareto局部搜索生成㊂每一个新产生的解都有可能更新这两个种群㊂用来进行Pareto局部搜索的起始解集来自外部集,因为工作集通过基因算子生成的解可能会更新外部集,因此它可以帮助外部集跳出局部最优点㊂主工作框架如算法1(符号↕表示参数的输入输出,↓表示输入):算法1:主框架输入:算法的终止条件;子问题的个数N;权重向量的集合W={λ1,λ2, ,λN};每个子问题的邻居大小T;一组标记向量S={s1,s2, ,s N}输出:一组有效解集/*初始化所有参数*/初始化(WP↕,EP↕,S↕,B↕)/*对EP进行局部搜索*/Pareto局部搜索(WP↕,EP↕,W↓,S↕,B↓)/*通过WP产生新解*/生成新解(WP↕,EP↕,W↓,S↕,B↓)if满足终止条件,停止并输出外部集,否则转到步骤2 2.2 初始化在此阶段,工作集和外部集被初始化㊂由于已经将一个多目标问题分解成N个子问题,对于每一个k∈{1,2, ,N},都对应一个λk,在每一个子问题上应用一个单目标启发式方法来生成解x k,然后使用集合{x1,x2, ,x N}来初始化WP和EP㊂算法2:初始化输入:WP,EP,S,B输出:WP,EP,S,B对每一个k=1,2, ,N,在子问题k上应用一个单目标启发式方法来产生解x k,对应权重向量λk初始化WP={x1,x2, ,x N},EP=WP对于每一个s i∈S,i=1,2, ,N,将s i=false计算每两个权重向量之间的欧氏距离,并获得每个权重向量最近的T个权重向量㊂对每一个i=1,2, ,N,设置B(i)= {i1,i2, ,i T}2.3 EP(外部集)的Pareto局部搜索对于EP中的有效解,它的邻居也可能是有效的㊂基于这种假设,对EP中解x进行Pareto局部搜索来产生它的邻居集N(x),然后再使用N(x)来更新EP和WP㊂只有新加入的解才会被用来进行下一次的搜索㊂算法3:Pareto局部搜索输入:WP,EP,W,S,B输出:WP,EP,S对每一个x i∈EP以及s i∈S,i=1,2, ,N,执行以下操作if si==false,则设置s i=true/*N(x):解x的邻居*//*通过局部搜索产生新解*/对于每一个x'∈N(x i),执行:设置I=B(i)更新外部集EP(x'↓,EP↕,S↕,W↓,I↓)if x'已经被加入到外部集EP更新工作集WP(x'↓,WP↕,I↓);endendendend算法4:生成子代输入:WP,EP,W,S,B输出:WP,EP,S;对每一个i=1,2, ,N,执行以下操作从B(i)中任意选择两个下标k,l,然后通过基因算子从x k 和x l产生新解y i;令I=B(i),更新外部集EP(y i↓,WP↕,I↓)if y i可以被加入WP,则令I={1,2, ,N};更新外部集EP(y i↓,WP↕,S↕,W↓,I↓)endend2.4 EP(外部集)的更新在更新外部集EP时,输入的解y将会有两次比较㊂在第一阶段,y将比较EP中的一些解,并且替换掉被y支配掉的解㊂如果y被其中任意一个解所支配,该过程将结束㊂如果y没有被任何所选的解支配,则进入第二阶段㊂第二阶段通过一种新的方法比较之前的解㊂对所有j∈I,第j个子问题对应解x j和参考线λj㊂计算解y与λj之间的角度θ1以及x j与λj之间的角度θ2,如果θ1<θ2,则解y替换解x j㊂外部集的更新在算法的第三步和第四步都会更新㊂对外部集EP中的解进行Pareto局部搜索,每一个通过基因算子新产生的解x的邻居如果能够加入工作集WP则更新外部集EP㊂假设Pareto局部搜索产生的邻居距离原始解很近,因此可以仅更新EP中该解的邻居㊂如果解是通过基因算子产生的,应该更新整㊃711㊃ 第11期 汪 欣等:基于双种群的Pareto局部搜索算法个外部集㊂算法5:更新外部集EP输入:y,EP,S,W,I;输出:EP,S;对每一个x i∈EP并且i∈I,执行以下操作if y被x i所支配,则returnendif y支配x i,则使得x i=y且s i=falseend对于每一个x j∈EP并且j∈I,执行以下操作θ1=angle(y,λj)θ2=angle(x j,λj)ifθ1<θ2,则设置使得x i=y且s i=falseendend2.5 WP(工作集)的更新当一个新解通过基因算子或者Pareto局部搜索产生时,也会更新工作集WP㊂在算法4中,解y是子问题i产生的新解,I是子问题i所有邻居的索引集合㊂对I中的每一个k,如果解y的聚合函数值更优,则y 将会替换解x k㊂算法6:更新工作集WP输入:y,WP,I输出:WP对每一个x k∈WP(k∈I),执行以下:if g ws(yλk)≤g ws(x kλk),则设置x k=yendend3 实 验为了验证提出的算法,选择经典的多目标旅行商问题(mTSP)进行对比分析㊂3.1 多目标旅行商问题(mTSP)简介多目标旅行商问题(mTSP)是一个经典的NP-难的多目标组合优化问题㊂对于一个无向图G=(V, E),其中V={1,2, ,N}是城市集,E={e=(i,j)| i,j∈V}是边集㊂对于每一条边e有m个距离度量指标d e,1,d e,2, ,d e,m㊂一个可行解是一个所有V元素的全排列组合,同时也是一个所有边E的哈密顿回路㊂对于mTSP的第i个目标,算法的目的是最小化以下函数:fi(x)=∑e∈x d e,i(4)其中,x为E的子集形成的解㊂3.2 测试问题生成了5~10目标的测试实例,并且考虑以下三种类型的实例:(1)欧氏距离测试集(Euclidean):假设所有的节点分布在一个平面上,两个城市之间的边的成本是对应均匀分布的;(2)随机测试集(random):每条边的成本是通过均匀分布随机生成的;(3)混合测试集(mixed):这种实例是(1)和(2)的混合,一部分是欧氏实例,另一部分是随机实例㊂3.3 实验参数设置和度量指标算法中工作集WP和外部集EP(N)的大小是相同的㊂过大的种群将会导致每一代都有很高的计算复杂度,过小的种群又会导致搜索丢失PF的一部分㊂基于这些考虑,N的设置如下:3目标时设置N=300, 5目标时设置N=210,8目标时设置N=156,10目标时设置N=275㊂每一个子问题的邻居集大小设置为20,且所有测试用例独立运行30次㊂采用最常使用的性能评估指标:HyperVolume(I H)[25],其值越大表示结果越好㊂3.4 算法设置(1)第一步中的工作集WP和外部集EP:因为将多目标优化问题分解成N个子问题,利用随机方法来生成解x k㊂设置WP={x1,x2, ,x N},以及EP=WP㊂(2)解x产生的邻居解集N(x)(算法3的第4行):Pareto局部搜索的重要步骤是如何通过解x产生它的邻居解集N(x)㊂算法中的邻居使用了文献[22]中提供的2-opt方法㊂(3)工作集WP交叉变异算子:文中使用GoldBerg 和Linge提出的PMX交叉和单交换变异来产生新解㊂因为在很多问题上PMX交叉算子[26]比其他交叉算子的效果更好㊂3.5 比较算法由于在目标个数上升到3或者更多的时候,现有算法如MOMAD等无法解决该类超多目标问题㊂因此,在3~10个目标的mTSP问题中,使用MOEA/D 算法进行比较㊂对于这两种算法,同样的PMX交叉和单交换变异策略被用来产生新解㊂由于这两种算法只保持一个种群并且使用基因算子来产生新解,因此添加了Pareto局部搜索到原始的MOEA/D算法中作为一个补充,来实现公平的比较,命名为MOEA/D (PLS)㊂实验中,这些算法都是基于C++编码,并且使用了同样的CPU时间,所有的实验都是基于一台Intel 2.6GHz,8GB内存的PC实现㊂㊃811㊃ 计算机技术与发展 第28卷3.6 实验结果实验比较了在相同运行时间下HyperVolume在不同问题实例下的值㊂从表1可以看出,DPPLS的性能要好于其余两种比较算法㊂DPPLS作为MOEA/D算法框架的一个拓展,其在超多目标上的效果要好于MOEA/D本身㊂此外,使用Pareto局部搜索策略的MOEA/D算法效果也要优于通过普通的交叉变异生成解的方式㊂表1 MOEA/D-PLS和MOEA/D在测试问题上HyperVolume的比较例子时间/s目标DPPLS MOEA/D MOEA/D(PLS) Euclidean95032.7196E+17(1.85E+16)1.1629E+17(1.88E+16)2.2201E+17(2.42E+16) Random70035.8823E+17(2.40E+11)9.5906E+16(2.93E+16)1.6626E+17(3.46E+16) Mixed90034.5327E+17(5.31E+15)9.9856E+16(4.98E+16)2.0970E+17(4.52E+16) Euclidean70051.5115E+27(2.38E+26)7.9976E+26(7.09E+25)8.3341E+26(9.78E+25) Random60053.7113E+27(8.43E+26)6.7263E+26(2.27E+26)9.7254E+26(4.36E+26) Mixed70052.6399E+27(1.11E+12)6.9859E+26(2.18E+26)9.3831E+26(4.51E+26) Euclidean60087.1391E+42(4.53E+41)4.3060E+42(5.96E+41)5.0899E+42(7.95E+41) Random94082.6540E+42(2.37E+42)1.2395E+42(3.19E+41)1.2550E+42(4.12E+41) Mixed110082.3246E+42(4.03E+41)1.8254E+42(3.15E+41)2.1633E+42(6.80E+41) Euclidean1000102.5049E+53(2.36E+52)1.3060E+53(1.58E+52)2.4847E+53(2.39E+52) Random1200102.9462E+52(6.76E+51)2.3918E+52(5.84E+51)2.5647E+52(7.57E+51) Mixed1000101.0566E+53(6.31E+52)5.4225E+52(1.42E+52)5.8798E+52(1.75E+52)4 结束语针对现有的多目标组合优化算法无法较好地解决目标数大于3的超多目标组合优化问题,提出了一种多目标组合优化算法㊂在基于MOEA/D算法的框架下,利用两个种群,其中一个作为工作集来运作MOEA/D,另一个用于进行Pareto局部搜索㊂实验结果表明,该算法相比较MOEA/D而言,在超多目标问题上具有很好的效果㊂参考文献:[1] 公茂果,焦李成,杨咚咚,等.进化多目标优化算法研究[J].软件学报,2009,20(2):271-289.[2] 崔逊学.多目标进化算法及其应用[M].北京:国防工业出版社,2006.[3] HILLERMEIER C.Nonlinear multiobjective optimization:ageneralized homotopy approach[M].[s.l.]:Springer Sci⁃ence&Business Media,2001.[4] LUST T,TEGHEM J.Two-phase Pareto local search for thebiobjective traveling salesman problem[J].Journal of Heu⁃ristics,2010,16(3):475-510.[5] PAQUETE L,STÜTZLE T.A two-phase local search forthe biobjective traveling salesman problem[C]//Internation⁃al conference on evolutionary multi-criterion optimization.Faro,Portugal:Springer,2003.[6] SHIM V A,TAN K C,TANG Huajin.Adaptive memeticcomputing for evolutionary multiobjective optimization[J].IEEE Transactions on Cybernetics,2015,45(4):610-621.[7] CAI Qing,GONG Maoguo,RUAN Shasha,et workstructural balance based on evolutionary multiobjective 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基于变权重法的Pareto轨迹多目标进化算法

基于变权重法的Pareto轨迹多目标进化算法

基于变权重法的Pareto轨迹多目标进化算法唐卫东;关志华;吴中元【期刊名称】《西北农林科技大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2002(030)004【摘要】大多数现有的多目标进化算法(MOEA-Multiobjective Evolutionary Algorithm)都是基于Pareto机制的,如NPGA(Niched Pareto Genetic Algorithm),NSGA(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm)等.这些算法的每一个循环都要对种群中的部分或全部个体进行排序或比较,计算量很大.文中介绍了一种基于变权重线性加权的Pareto轨迹法-WSTPEA(Weighted Sum Approach and Tracing Pareto Method),该算法不是同时求得所有可能的非劣解,而是每执行一个循环步骤求得一个非劣解,通过权重变化次数控制算法循环的次数,从而使整个种群遍历Pareto曲线(面).文中给出了算法的详细描述和流程图,并且对两个实验测试问题进行了计算,最后对结果进行了分析.【总页数】5页(P123-126,129)【作者】唐卫东;关志华;吴中元【作者单位】天津大学管理学院,天津,300072;天津大学管理学院,天津,300072;天津大学管理学院,天津,300072;天津工业大学管理学院,天津,300160【正文语种】中文【中图分类】TP18【相关文献】1.基于Pareto的动态限制精英的多目标进化算法 [J], 杨善学2.一种基于Pareto排序的混合多目标进化算法 [J], 吴坤安;严宣辉;陈振兴3.基于Pareto最优概念的多目标进化算法研究 [J], 王向慧;连志春;徐志英;唐云岚4.多目标进化算法中基于角度偏好的ε-Pareto 支配策略 [J], 郑金华;赖念;郭观七5.基于Pareto解集分段预测策略的动态多目标进化算法 [J], 马永杰;陈满丽;陈敏因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

基于Pareto支配的MPRM电路面积与可靠性优化

基于Pareto支配的MPRM电路面积与可靠性优化

基于Pareto支配的MPRM电路面积与可靠性优化卜登立;江建慧【摘要】针对MPRM(Mixed-Polarity Reed-Muller)电路的面积与可靠性折中优化问题,在逻辑级建立面积估算模型以及电路SER(Soft Error Rate)解析评价模型,并采用Pareto支配概念对MPRM电路进行面积与可靠性多目标优化.通过对MPRM电路的XOR部分进行树形异或门分解,并考虑多个输出之间异或门的共享,建立面积估算模型.采用信号概率和故障传播方法,并考虑电路中的逻辑屏蔽因素以及信号相关性,建立电路SER解析评价模型.根据所提出的面积和SER评价模型,采用极性向量的格雷码序穷举搜索MPRM的极性空间得到MPRM电路面积与可靠性的Pa-reto最优解集,并使用效率因子技术指标选取最终解.MCNC基准电路的实验结果表明,与面积最小MPRM电路相比,所选取的MPRM电路可以在较小面积开销的前提下获得较高电路可靠性.%Area and SER (Soft Error Rate)evaluation models at logic level are proposed for area and reliability opti-mization of MPRM (Mixed-Polarity Reed-Muller)circuits,the trade-off between area and reliability is achieved by using Pareto dominance based multiobjective optimization.The area is computed by decomposing the XOR part of MPRM circuit as trees of XOR gates and counting in XOR gate sharing among multiple outputs.The SER is computed by using signal probability and fault propagation techniques,and taking into account the logic masking effects and correlations among signals in the circuit network.Based on the proposed area and SER evaluation models,the Pareto optimal set for area and SER of MPRM circuit is obtained by using polarity optimization method with Graycode based exhaustive search strategy,the final solution is selected by using a metric called efficiency factor.Experimental results by using a set of benchmark circuits from MCNC show that,in comparison with the MPRM circuits with minimized area,the selected MPRM circuits have improved reliability with less area overhead.【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2016(044)011【总页数】7页(P2653-2659)【关键词】MPRM电路;可靠性优化;面积优化;SER解析评价模型;Pareto支配;多目标优化【作者】卜登立;江建慧【作者单位】井冈山大学电子与信息工程学院,江西吉安343009; 同济大学软件学院,上海201804; 流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室,江西吉安343009;同济大学软件学院,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TP331.2;TP391.72;TP202+.1随着集成电路技术和工艺的发展,无论是传统的CMOS器件,还是纳米器件,其缺陷率均不可避免的增加,同时对瞬时故障(Transient Fault,TF)的敏感度也不断增加[1,2].因此,电路可靠性问题成为一个不容忽视的问题,需要在电路设计流程的各个阶段考虑可靠性约束.RM(Reed-Muller)逻辑是布尔函数基于AND/XOR的逻辑表示[3],与基于AND/OR的逻辑表示相比,其电路实现具有面积和速度优势,因此在算术电路、校验电路和通信电路等领域得到了较为广泛的应用[4,5].近些年来,RM电路的逻辑综合以及优化得到了较多关注.如文献[3]进行MPRM (Mixed-Polarity RM)电路的逻辑优化,文献[4]进行FPRM(Fixed-Polarity RM)电路的面积优化,文献[5]进行混合极性RM电路的面积优化,文献[6]对包含无关项的FPRM电路进行面积与功耗优化,文献[7]对MPRM 电路进行面积与延时优化.尽管针对单固定故障和桥接故障模型,RM电路可以实现具有通用测试集的确定可测性设计[8],从而简化测试生成并提高测试速度,但可测性设计进行的是基于故障覆盖率的分析,考虑的是最坏情况,得到的是一个可靠性下限值.要准确分析电路的可靠性,需要采用概率分析方法.另外,RM电路之所以具有良好的可测性,正是由于异或门没有输入控制值,即不能通过某个输入的信号值支配其输出的逻辑信号值,因此发生在异或门输入端的故障以及传播至其输入端的故障总是能够传播至其输出,这也导致基于XOR电路的信号可靠度相对较低[9].因此更有必要在进行RM电路综合与优化时结合可靠性约束,从而在保持RM电路其他优势的同时,相对提高其信号可靠度.然而当前还缺乏这方面的研究工作.为较好地实现RM电路面积与可靠性之间的折中,快速且相对准确的电路可靠性评价方法以及较为详尽的面积估算模型是非常必要的.另一方面,当前关于RM电路的面积与功耗、面积与延时等多目标优化问题往往采用聚合函数方法[6,7].聚合函数方法具有一定的局限性,只有在多个目标的Pareto前沿(front)是凸函数时,其得到的解才是Pareto最优解[10].因此,有必要研究适用于RM电路面积与可靠性多目标优化的方法,避免优化结果过于偏向某个目标.本文根据建立的纳电子MPRM电路结构,先对电路中的XOR部分进行树形异或门分解,然后估算电路的面积;采用信号概率[11]和故障传播方法,并考虑电路中的逻辑屏蔽因素以及信号相关性,针对单瞬时故障在逻辑级建立工艺无关的MPRM电路软错误率(Soft Error Rate,SER)解析评价模型.根据所提出的面积估算模型以及SER解析评价模型,采用Pareto支配概念,使用基于格雷码序的穷举搜索方法进行面积与可靠性多目标优化,得到Pareto前沿,实现面积和可靠性的折中优化,并通过实验进行了验证.对于一个n输入、m输出的多输出布尔函数,其极性值为g的MPRM可以表示为如式(1)所示的多项式形式[5].其中表示第j个输出,“⊕”表示XOR运算;为乘积项,根据变量xl的极性属性编码gl∈{0,1,2}以及系数索引i的第l个二进制位il获得[5];bi=[b0,i,b1,i,…,bm-1,i]T为第i个系数向量,bj,i∈{0,1}称为表达式系数,bj,i=1为on-set系数,表示在中存在on-set乘积项πi.为简化描述,以下文中出现的乘积项指的是on-set 乘积项.对某个πi,如果有(1|bj,i=1)大于1,则说明πi在多个输出之间存在着共享.假设(1|bj,i=1)为第j个输出所包含乘积项的数量,≥1)为多输出MPRM表达式所包含乘积项的数量,由于乘积项可能在不同的输出之间共享,因此有tj.在MPRM电路优化过程中需要进行极性转换,OKFDD(Ordered Kronecker Functional Decision Diagram)[12]作为电路的判决图表示,也可用来实现极性转换.OKFDD使用非终端结点表示变量,1结点作为终端结点表示常量1,边表示函数.OKFDD通过依次对变量xl施香农分解和正、负Davio分解得到,三种分解类型分别对应gl=2、0和1.OKFDD中每个非终端结点有两个后继边,对这两个后继边进行XOR操作可以改变该结点所表示变量的分解类型[12],即改变该变量的极性.如果将OKFDD中由根结点到1结点的路径称为1路径,那么遍历OKFDD 中的1路径即可得到其所包含的乘积项[12].共享OKFDDs是在电路各个原始输出(Primary Output,PO)对应的OKFDD之间共享子图以降低空间复杂度.本文采用基于共享OKFDDs的极性转换方法[12]进行极性转换,先得到某个极性值的OKFDDs,然后由每个OKFDD得到其对应PO所包含的乘积项,再由m个PO所包含乘积项的并集得到如式(1)所示的MPRM表达式[12].由于MPRM表达式是由m个PO所包含乘积项的并集得到,因此可实现乘积项在多个PO之间的共享.根据式(1)可将MPRM电路分为由多输入与门构成的AND部分以及XOR部分.在RM电路可测性设计中,为缩短电路延迟,常将其中的XOR部分设计成树形2输入异或门结构[8],本文也采用这种结构,以便下一步的可测性设计实现.由于采用纳电子技术的双极器件[13]能够为逻辑门提供负极性的变量输入,因此本文结合纳电子技术建立如图1所示的纳电子MPRM电路结构,在此结构中多个PO之间可以共享异或门.为进行面积优化,需要建立面积估算模型对电路面积进行评价.由图1可知AND部分的面积比较容易估算,而XOR部分面积估算的关键是确定其所包含2输入异或门的数量.单输出电路的XOR部分共有t-1个异或门;但对于多输出电路,XOR部分异或门的数量取决于乘积项在多个PO之间的共享.因此,对于多输出电路,先对其XOR 部分进行树形异或门分解,在不同PO的XOR部分分解过程中考虑异或门的共享,统计分解后电路中异或门的数量,然后再计算电路面积.由于XOR部分的延迟取决于XOR树的高度,因此在进行XOR部分分解时,按照完全二叉树结构形式分解,这样可使XOR树的高度最小,为{tj})⎤.为使异或门能够较大限度在各个PO间共享,本文采取一种贪心策略,先根据所包含的乘积项数对PO进行排序,然后按照该顺序依次对各个PO的XOR部分进行分解.下面给出分解算法,s为分解后的电路所包含的2输入异或门数.如果为单输出电路,如算法1中的Step2,可直接获得异或门数.如果为多输出电路,如算法1中的Step4,则需要调用如下所示的算法2依次对各个PO的XOR部分进行异或门分解.算法2中的|I|表示待分解宏门所包含的输入数量.对于多输出电路,算法1依次对每个PO调用算法2进行XOR部分的分解,算法2在分解过程中通过XOR树查找实现异或门在各个PO之间的共享,因此算法1统计的是考虑异或门在多个PO之间共享后异或门的数量.由算法1获得异或门的数量s后,根据式(2)计算MPRM电路的面积.其中2×s为s个异或门的面积;wi为第i个乘积项所包含的文字数,也即该乘积项对应与门的面积,条件wi>1表明只有在乘积项中的文字数大于1时才存在对应与门.因为当wi=0时,表示常量1,此时可将驱动PO的异或门修改为同或门而不会改变电路的功能,当wi=1时,该文字直接作为异或门的输入,因此均不存在该乘积项对应的与门.为分析瞬时故障对MPRM电路可靠性的影响,本文采用工艺无关的单瞬时故障模型[14,15],假设瞬时故障发生在逻辑门的输入端[15],并且区分0-TF和1-TF,0-TF指的是逻辑值由1变为0的故障,1-TF指的是由0变为1的故障.使用SER来评价电路的可靠性,SER指的是电路中节点发生的故障被传播至PO导致该电路出现软错误的比率.电路的SER值越小,其可靠性越高.电路对瞬时故障存在多种屏蔽因素,由于本文进行工艺无关的电路优化,在逻辑级评价组合电路的SER,因此仅考虑逻辑屏蔽因素.4.1 基于节点敏感度的电路SER计算假设电路由个节点ck构成.节点敏感度[2,16]pcrit(ck)为节点ck的故障导致电路出现软错误的概率.电路C对瞬时故障的敏感度为电路中所有节点敏感度的平均值[2,15,16],即电路的SER.为简化分析过程,采用均匀故障模型,并假设节点发生0-TF和1-TF的概率相同,均为pf,则电路C的SER由式(3)计算.与文献[2,15,16]不同,本文采用信号概率以及故障传播方法,分别计算节点故障被敏化的概率psens(ck),以及没有被后级电路逻辑屏蔽而传播至PO的概率pp(ck),然后根据式(4)计算pcrit(ck),并推导出SER与MPRM电路中异或门数以及与门扇入数间的解析关系.4.2 MPRM电路SER解析评价模型下面先针对单输出电路进行分析,得到MPRM电路的SER解析评价模型,然后再分析其对多输出电路的适用性.4.2.1 与门敏感度计算与门的输入是原始输入(Primary Input,PI).假设所有PI相互独立,PI的信号概率为0.5,第i个与门的输入数为wi(wi>1).当与门的某个输入发生0-TF或1-TF时,其敏化概率为该输入的信号概率.对于单输出电路,与门的输出不存在扇出分支,并且异或门没有输入控制值,只要该故障能够传播至与门的输出,就可经XOR部分传播至PO,因而该故障的传播概率为其余wi-1个输入同时为1的概率:2-(wi-1).对于与门的一个输入端,如果既考虑0-TF又考虑1-TF,根据式(4)可知其敏感度为2-(wi-1).对于输入数为wi的与门,其敏感度由式(5)计算.由于与门的各个输入信号相互独立,因此式(5)的计算结果是准确的.4.2.2 异或门敏感度计算尽管异或门的输入之间可能存在信号相关性,但对于单输出电路,异或门的输出也不存在扇出分支,因此如果其输入发生单故障,只要该故障被敏化,那么不管另一个输入信号为何值,该故障必然被传播至其输出,从而经后面的异或门传播至PO,可见故障的传播概率为1.由于异或门的输入由与门的输出或PI驱动,因此故障的敏化概率由驱动发生单故障输入的与门或PI确定,如果发生0-TF,需要该与门的输出或PI为1才能被敏化,即敏化0-TF的概率等于该与门的输出或PI为1的概率,设为psens0,同理,敏化1-TF的概率等于该与门的输出或PI为0的概率,设为psens1.因为总有psens0+psens1=1,因此根据式(4)可知异或门一个输入端的敏感度为1.异或门有2个输入端,因此异或门的敏感度为2.由于考虑了信号相关性,因此异或门输入端故障传播概率和敏化概率的计算是准确的,异或门敏感度的计算也是准确的.4.2.3 MPRM电路SER计算尽管节点发生故障的概率pf与电路实现所采用的工艺有关,由于本文在优化过程中是进行不同极性值MPRM电路SER的比较,可以认为pf对不同极性值的MPRM电路而言均相同,因此在计算电路SER时不考虑pf.由于考虑故障发生在逻辑门的输入端,因此电路总的节点数(wi|wi>1).将式(5)所示的与门敏感度、异或门的敏感度以及电路总节点数代入式(3),得到如式(6)所示工艺无关的MPRM电路SER解析评价模型.式(6)用于在极性优化过程中比较不同极性值MPRM电路的可靠性,SER值越小,可靠性越高.对于多输出电路,尽管由于与门以及异或门在多个PO之间的共享,使与门和异或门的输出呈现扇出分支,但是不同的扇出分支属于不同的PO,并且只要有一个PO出现错误就认为该电路出现软错误,因此在计算电路SER时与门和异或门的扇出分支不会带来扇出重汇聚问题.另外,式(6)中的t为考虑乘积项在多个PO之间共享后的乘积项数量,s为考虑异或门在多个PO之间共享后的异或门数量,因此式(6)的SER计算不存在节点以及节点敏感度重复统计问题.可见式(6)同样适用于多输出电路,并且计算结果是准确的.5.1 面积与可靠性多目标优化由式(2)和式(6)可以看出面积与SER之间存在着冲突,因此MPRM电路的面积和可靠性优化问题属于多目标优化问题,并且由于面积与SER的Pareto前沿并不一定是凸函数,因此本文采用基于Pareto支配概念的多目标优化方法[10].采用Pareto支配概念,MPRM电路面积与可靠性优化问题定义如下.定义1 MPRM电路面积与可靠性优化问题P=(,,P,Q).(1)由3n个决策变量向量G=[gn-1,gn-2,…,g0](gl∈{0,1,2})构成的极性空间为可行解空间;(2)由中解G的目标函数向量F(G)=[F0,F1](F0=A,F1=SER)构成目标空间;(3)求Pareto最优解集:P={Gi|∃Gj∈F(Gj)F(Gi)},P⊆,对应的Pareto前沿:Q={F(Gi)|Gi∈P},Q⊆.定义1中的“”表示Pareto支配,如果满足(F0(Gj)<F0(Gi))∧(F1(Gj)≤F1(Gi))或者(F0(Gj)≤F0(Gi))∧(F1(Gj)<F1(Gi)),则有F(Gj)F(Gi).5.2 面积与可靠性优化算法根据定义1所定义的多目标优化问题,本文采用穷举搜索极性向量空间的方法进行面积与可靠性优化.为加快搜索速度,按照极性向量的格雷码序(相邻的两个极性向量仅有一个极性属性编码值不同)进行搜索.使用外部归档来保存非支配最优解集,并在搜索过程中不断更新外部归档,最终得到Pareto最优解集以及Pareto前沿,并从Pareto最优解集中选取最符合实际需要的解.算法3给出了MPRM电路面积与可靠性优化算法的描述.文中算法使用C++实现,并在Linux操作系统下使用g++编译器编译.使用算法3在配置为Intel Core i3-2350M CPU 6GB RAM的个人计算机上对24个MCNC电路进行了面积与可靠性优化,求得了Pareto最优解集以及Pareto前沿.图2给出了电路5xp1、alu2以及t3的Pareto前沿,其中归一化面积是根据每个电路的Pareto前沿中的最小面积进行归一化处理的结果.由图2可以看出,MPRM电路面积与可靠性的Pareto前沿并不是严格的凸函数,未给出电路的Pareto前沿也具有这个特点.这验证了使用Pareto支配进行MPRM 电路面积与可靠性优化的必要性.表1给出了对24个MCNC电路运行算法3的结果.其中“I/O”表示电路的输入数和输出数;“N-PF”表示Pareto最优解集的大小;“面积增加”和“SER减少”分别表示所选取的最优解相对于面积最小解所导致的面积开销和SER下降的比例.“所选取的最优解”是根据效率因子“E=SER减少/面积增加”所选取的最终解,其选取的原则是在E>1的前提下最大化E的值,如果不存在E>1的最优解,则选取面积最小解作为最终解,此原则的依据是尽可能在较小面积开销的前提下获得较大的可靠性提升.由表1可以看出,这些电路的Pareto最优解集均包含多个非支配最优解,特别是cm151a,其非支配最优解数达到了134个.这验证了使用Pareto支配概念进行MPRM电路面积与可靠性优化的有效性.根据效率因子E所选取的最终解中,有6个电路,最终解就是面积最小解,因为在这些电路的Pareto最优解集中,除面积最小解外的其他非支配最优解的E均小于1,也就是说尽管可以提高可靠性,但面积开销较大.对其余的18个电路,所选取最优解的E均大于1;除cm85a外,相对于面积最小的MPRM电路,最终所选取的MPRM电路均能够在较小面积开销的前提下获得较大可靠性提升;特别是clip和ex5,在不到1%的面积开销下,可靠性分别提升了6.10%和9.11%,其最终解的E分别为6.63和22.27.对表1中的这些电路,从平均角度看,所选取的最终解相对于面积最小解,面积增加了4.42%,SER减少了7.25%.对于cm85a,尽管所选取最终解的效率因子达到了2.20,可靠性提升了33.09%,但面积开销达到了15.02%.表2给出了cm85a的MPRM电路面积与可靠性的Pareto前沿.由表2可以看出,对于cm85a,除面积最小解外的5个非支配最优解均满足E>1,有较大的最终解选择空间.例如,可以选择面积开销为3.76%,SER减少5.21%的解.另外,对表1中电路的最小面积解和最终解MPRM电路进行分析,在那些最终解不是最小面积的MPRM电路中,对于绝大多数电路而言,最终解的异或门数要小于最小面积解的异或门数,而与门的平均扇入数要略高于最小面积解的与门平均扇入数,这个结果符合式(6)的SER计算,因为异或门的敏感度较高,异或门的减少可以降低SER,与门扇入数的增加可以降低与门的敏感度.尽管可将此结果作为MPRM电路面积与可靠性优化的指导原则,但如果不附加其他原则,将会导致优化结果过于偏向可靠性目标.对表1中21个多输出电路某个极性值的MPRM电路使用算法1计算了其所包含的异或门数,由于空间关系,这里仅给出统计结果.从平均角度看,有7个异或门被多个PO共享,占异或门总数的11.09%;与不考虑多个PO间的异或门共享相比,异或门数减少了13.45%;如果使用t来估算异或门数,异或门数被低估了23.15%.综上所述,MPRM电路存在着较好的面积与可靠性折中空间,可以通过极性优化实现面积与可靠性之间的折中.较为准确的目标函数值估算以及采用Pareto支配概念进行多目标优化,能够更好地探索多个目标的折中空间,可以避免由于某个目标占绝对优势,使优化结果过于偏向这个目标.对于一个布尔函数而言,存在着指数量级不同函数结构的MPRM,可以利用不同的MPRM函数结构来进行MPRM电路多个目标的折中优化.为了避免优化结果过于偏向某个目标,较为准确的目标估算以及恰当的优化策略对多目标优化而言至关重要.本文根据纳电子MPRM电路结构,给出了MPRM电路面积估算模型和SER 解析评价模型,并使用Pareto支配概念进行了面积与可靠性优化,实验结果验证了所提出方法的有效性.通过合理地选择最终非支配最优解,可使MPRM电路在较小面积开销的前提下获得较大可靠性提升.本文使用了穷举搜索进行MPRM电路的多目标优化,对于输入数较多的电路,穷举搜索无法在合理时间内获得Pareto最优解集.因此下一步的工作是研究用于MPRM电路多目标优化的基于Pareto支配的智能算法,提高多目标优化的时间效率.卜登立男,1975年出生,河北定州人.博士,副教授.主要研究领域为VLSI设计和可靠性评估、计算机辅助设计.E-mail:****************江建慧男,1964年出生,浙江淳安人.博士,教授,博士生导师,CCF高级会员.主要研究领域为可信系统与网络、软件可靠性工程、VLSI/SoC测试与容错.E-mail:******************.cn【相关文献】[1]Rao W,Yang C,Karri R,et al.Toward future systems with nanoscale devices:overcoming the reliability challenge[J].Computer,2011,44(2):46-53.[2]Luckenbill S,Lee J-Y,Hu Y,et al.RALF:reliability analysis for logic faults-an exact algorithm and its applications[A].Proceedings of the 2010 Design,Automation & Test in Europe Conference & Exhibition[C].IEEE,2010.783-788.[3]Al-Jassani B A,Urquhart N,Almaini A E A.Manipulation and optimisation techniques for Boolean logic[J].IET Computers and Digital Techniques,2010,4(3):227-239.[4]汪鹏君,李辉,吴文晋,等.量子遗传算法在多输出Reed-Muller逻辑电路最佳极性搜索中的应用[J].电子学报,2010,38(5):1058-1063.Wang P J,Li H,Wu W J,et al.Application of quantum genetic algorithm in searching for best polarity of multi-output Reed-Muller logic circuits[J].Acta ElectronicaSinica,2010,38(5):1058-1063.(in Chinese)[5]卜登立,江建慧.基于对偶逻辑的混合极性RM电路极性转换和优化方法[J].电子学报,2015,43(1):79-85.Bu D L,Jiang J H.Dual logic based polarity conversion and optimization of mixed polarity RM circuits[J].Acta Electronica Sinica,2015,43(1):79-85.(in Chinese)[6]汪鹏君,汪迪生,蒋志迪,等.基于PSGA算法的ISFPRM电路面积与功耗优化[J].电子学报,2013,41(8):1542-1548.Wang P J,Wang D S,Jiang Z D,et al.Area and power optimization of ISFPRM circuits based on PSGA algorithm[J].Acta Electronica Sinica,2013,41(8):1542-1548.(in Chinese)[7]Jiang Z,Wang Z,Wang P.Delay-area trade-off for MPRM circuits based on hybriddiscrete particle swarm optimization[J].Journal of Semiconductors,2013,34(6):132-137. [8]Rahaman H,Das D K,Bhattacharya B B.Testable design of AND-EXOR logic networks with universal test sets[J].Computers and Electrical Engineering,2009,35(5):644-658. [9]Limbrick D B,Yue S.Impact of synthesis constraints on error propagation probability of digital circuits[A].Proceedings of the 2011 IEEE International Symposium on Defect and Fault Tolerance in VLSI and Nanotechnology Systems[C].IEEE,2011.103-111.[10]Chinchuluun A,Pardalos P M.A survey of recent developments in multiobjective optimization[J].Annual Operational Research,2007,154:29-50.[11]Parker K P,Mccluskey E J.Probabilistic treatment of general combinationalnetworks[J].IEEE Transactions on Computers,1975,C-24(6):668-670.[12]Drechsler R,Becker B.Ordered Kronecker functional decision diagrams-a data structure for representation and manipulation of Boolean functions[J].IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems,1998,17(10):965-973. [13]Ben-Jamaa M H,Mohanram K,De-Micheli G.An efficient gate library for ambipolar CNTFET logic[J].IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems,2011,30(2):242-255.[14]Krishnaswamy S,Plaza S M,Markov I L,et al.Signature-based SER analysis and design of logic circuits[J].IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems,2009,28(1):74-86.[15]Polian I,Hayes J P,Reddy S M,et al.Modeling and mitigating transient errors in logic circuits[J].IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing,2011,8(4):537-547. [16]Takata T,Matsunaga Y.A robust algorithm for pessimistic analysis of logic masking effects in combinational circuits[A].Proceedings of the 17th International on-Line Testing Symposium[C].IEEE,2011.246-251.。

求解机械优化的Pareto多目标中心粒子群算法

求解机械优化的Pareto多目标中心粒子群算法

求解机械优化的Pareto多目标中心粒子群算法桂旺生;刘利斌;欧阳艾嘉;周永权;李肯立【摘要】针对基于权重法的多目标算法无法求解约束多目标问题的缺陷,将中心粒子群算法与Pareto解集搜索算法相结合,提出一种Pareto多目标中心粒子群算法.将此方法用来优化气门弹簧的模型,实验结果表明,该优化方法能够快速准确地收敛于Pa-reto解集,并且使其对应的目标域均匀地分布于Pareto最优目标域.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2011(047)004【总页数】4页(P57-60)【关键词】Pareto解集;多目标优化;中心粒子群;机械优化【作者】桂旺生;刘利斌;欧阳艾嘉;周永权;李肯立【作者单位】池州学院,数学与计算机科学系,安徽,池州,247000;池州学院,数学与计算机科学系,安徽,池州,247000;嘉兴学院,数学与信息工程学院,浙江,嘉兴,314001;广西民族大学,数学与计算机科学学院,南宁,530006;湖南大学,计算机与通信学院,长沙,410082【正文语种】中文【中图分类】TP18在过去几十年中,多目标优化问题已经受到广大学者的普遍关注,成为最优化问题的一个研究热点。

传统的方法有:目标规划法、乘除法、加权法、功效系数法、约束法、极大极小法等。

这些传统算法的缺点是不能求解高维、复杂、带约束条件的多目标问题。

解决这些难题的方法自然落到多目标进化算法上。

求解多目标的进化算法主要有:PAES、SPEA、SPEA2、MOPSO、NSGA和NSGA2[1]、多目标差分进化算法[2]、多目标量子算法[3]、多目标蚁群算法[4]等。

最近几年,对于多目标粒子群(MOPSO)的研究有各种各样的版本。

在MOPSO 中,全局最优解就是一个非支配解集。

将基本粒子群中的pbest和gbest的概念应用到多目标粒子群中会产生干扰。

因此,虽然对于优化问题获得收敛速度和解的多样性非常重要,但是从Pareto优化解集中为种群中的每一个粒子选择合适的pbest和gbest来引导它的飞行仍然是困难的。

基于半监督的多目标进化模糊聚类算法

基于半监督的多目标进化模糊聚类算法

基于半监督的多目标进化模糊聚类算法王俊;赵凤【摘要】In order to solve the traditional clustering image segmentation results not well because of the lack of effective guidance, it introduces a semi-supervised approach as a multi-objective evolutionary fuzzy clustering algorithm, and pro-poses a multi-objective evolutionary fuzzy clustering algorithm for image segmentation based on semi-supervision. The pro-posed technique simultaneously optimizes the semi-supervised fuzzy compactness and fuzzy separation among the clus-ters and makes use of monitoring information to guide the clustering process. In the final generation, it produces a set of non-dominated solutions, from which the best solution in terms of a proposed validity index BI based on similarity mea-sure is chosen to be the best clustering solution. Experimental results show that compared with other unsupervised fuzzy algorithms, the proposed clustering technique can effectively improve the clustering accuracy and the segmentation result in vision.%为了解决传统聚类由于缺少有效指导而导致图像分割结果不理想的问题,将半监督方法引入到多目标进化模糊聚类算法中,提出了一种基于半监督的多目标进化模糊聚类.图像分割算法通过构造基于半监督的类内紧致性函数和类间分离度函数,利用监督信息指导聚类过程获得非支配解集.为了从非支配解集中选择一个最优解,利用监督信息构造了基于相似性度量的有效性指标.实验结果表明,提出的方法在分割准确率和视觉效果上明显优于无监督的聚类方法.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2017(053)022【总页数】6页(P40-44,76)【关键词】多目标进化算法;图像分割;半监督;模糊聚类;相似性度量【作者】王俊;赵凤【作者单位】西安邮电大学通信与信息工程学院,西安 710061;西安邮电大学通信与信息工程学院,西安 710061【正文语种】中文【中图分类】TP751图像分割就是指把图像分成各具特性的区域并提取感兴趣目标的技术和过程。

基于多目标遗传算法的硅微机械电容式麦克风优化设计

基于多目标遗传算法的硅微机械电容式麦克风优化设计

基于多目标遗传算法的硅微机械电容式麦克风优化设计董健;王伟;计时鸣【摘要】介绍了一种基于多目标遗传算法的硅微机械电容式麦克风优化设计方法.以复合敏感膜参数、底板参数以及敏感膜与底板间距为设计变量,麦克风灵敏度、最大工作电压、工作频率带宽为优化设计目标,采用多目标遗传算法求出Pareto最优解集.在所求出的Pareto最优解集中选择一组最符合设计要求的解作为麦克风的设计参数.%A new approach to design micromachined condenser microphone based on multi-objective genetic algorithm was proposed. The parameters of the sandwich diaphragm and the backplate as well as the space among them as the design variables,and the sensitivity and the pull-in voltage and the frequency bandwidth were optimized. A Pareto-optimal set was obtained by multi-objective genetic algorithms. The set,in accordance with demands of design mostly was chosen as the parameters of microphone from the Pareto-optimal set.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2011(022)004【总页数】4页(P394-397)【关键词】硅微机械电容式麦克风;多目标优化;遗传算法;Pareto最优解集【作者】董健;王伟;计时鸣【作者单位】浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室,杭州,310014;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室,杭州,310014;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室,杭州,310014【正文语种】中文【中图分类】TP2120 引言麦克风也称为传声器,是把声压信号转换为电信号的高灵敏度压力传感器。

基于Pareto最优的多目标集成协作计划与调度

基于Pareto最优的多目标集成协作计划与调度

基于Pareto最优的多目标集成协作计划与调度包振强;丁泉勋;朱俊武;汪成;王芳芳【期刊名称】《计算机集成制造系统》【年(卷),期】2012(018)011【摘要】针对现有制造系统中协作计划、生产计划和调度方案不能同步制定的问题,考虑在供应链环境下有协作的计划与调度,构建了一种多目标集成协作计划与调度优化模型。

提出一种基于Pareto最优的多目标优化算法,设计了包含协作染色体的基于作业的集成编码方案,通过惩罚操作实现协作计划与生产计划的同步协调。

考虑供应链协调中常见的完工时问、总成本、总拖期时间、平均流经时间四个性能指标对模型进行整体优化。

通过仿真实验验证了模型及其算法的有效性。

%Aiming at the unsynchronized making of collaborative plan, production plan and scheduling solutions in ex- isting manufacturing systems, a model of multi-objective integrated collaborative plan and scheduling was construc- ted by considering the scheduling with collaborative plan under the circumstance of supply chain. A multi-objective optimization algorithm based on Pareto Optimal was proposed, and the task-based integrated coding scheme which included collaborative chromosome was designed. Through penalty operations, the simultaneous coordinating of col- laborative plan and manufacturing plan was achieved. Four common performance indexes such as completion time, total cost, total delay time and average flow time in supply chain coordination wereconsidered to optimize the mod- el. The effectiveness of proposed model and algorithm was proved by simulation experiment.【总页数】8页(P2419-2426)【作者】包振强;丁泉勋;朱俊武;汪成;王芳芳【作者单位】扬州大学信息工程学院,江苏扬州225127;扬州大学信息工程学院,江苏扬州225127;扬州大学信息工程学院,江苏扬州225127;扬州大学信息工程学院,江苏扬州225127;扬州大学信息工程学院,江苏扬州225127【正文语种】中文【中图分类】TP18【相关文献】1.基于Pareto最优的多企业协同计划调度优化 [J], 张美华;李爱平;徐立云2.基于分层调度模型的生产计划和调度集成研究 [J], 林慧苹;范玉顺;吴澄3.基于工序成本的集成协作计划与调度模型研究 [J], 杨雨露;任晓青;邱婉;包振强;王伟业4.双资源多目标集成协作计划与调度模型及其求解算法 [J], 胡倩倩;马陈程;孙越;包振强;阚云;;;;;5.资源受限的多目标活动网络协作计划与调度模型研究 [J], 王江;任晓青;徐誉;包振强;朱俊武因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

模糊作业时间的拆卸线平衡Pareto多目标优化

模糊作业时间的拆卸线平衡Pareto多目标优化

模糊作业时间的拆卸线平衡Pareto多目标优化汪开普;张则强;邹宾森;毛丽丽【摘要】In view of the complexity of the actual disassembly work, a mathematical model of the multi-objective disas-sembly line balancing problem considering fuzzy task processing time is constructed, and a Pareto based multi-objective genetic simulated annealing algorithm is proposed. An improved Metropolis criterion of simulated annealing operation is presented to make it to be applicable to multi-objective optimization problem. The crowding distance is introduced as an evaluation mechanism to filter and preserve the elite solutions, and then the elite solutions are performed the genetic oper-ation to guide the convergence to the optimal direction. Comparing the proposed algorithm with a single-objective artifi-cial bee colony algorithm based on the 25-task involved disassembly case, it identifies the validity and the superiority of the proposed algorithm. Finally, the proposed algorithm is applied to a printer disassembly instance, and it acquires 8 bal-ancing schemes and realizes the diversity of the solution results.%针对实际拆卸作业的复杂性,建立了考虑模糊作业时间的多目标拆卸线平衡问题的数学模型,提出了一种基于Pareto 解集的多目标遗传模拟退火算法进行求解.改进了模拟退火操作的Metropolis准则,使其能够求解多目标优化问题.采用拥挤距离评价非劣解的优劣,保留了优秀个体,并通过精英选择策略,将非劣解作为遗传操作的个体,引导算法向最优方向收敛.基于25项拆卸任务算例,通过与现有的单目标人工蜂群算法进行对比,验证了所提算法的有效性和优越性.最后将该算法应用于某打印机拆卸线实例中,求得8种可选平衡方案,实现了求解结果的多样性.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2018(054)001【总页数】8页(P256-263)【关键词】拆卸线平衡;模糊作业时间;多目标优化;遗传模拟退火算法;Pareto解集【作者】汪开普;张则强;邹宾森;毛丽丽【作者单位】西南交通大学机械工程学院,成都610031;西南交通大学机械工程学院,成都610031;西南交通大学机械工程学院,成都610031;西南交通大学机械工程学院,成都610031【正文语种】中文【中图分类】TP301.6;TH1651 引言科技的创新推动了产品的更新换代,加速了产品的推陈出新,由此产生了大量的废旧机电产品,如汽车、电脑、家电等。

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Yaochu Jin, Senior Member, IEEE, and Bernhard Sendhoff, Senior Member, IEEE
Abstract—Machine learning is inherently a multiobjective task. Traditionally, however, either only one of the objectives is adopted as the cost function or multiple objectives are aggregated to a scalar cost function. This can be mainly attributed to the fact that most conventional learning algorithms can only deal with a scalar cost function. Over the last decade, efforts on solving machine learning problems using the Pareto-based multiobjective optimization methodology have gained increasing impetus, particularly due to the great success of multiobjective optimization using evolutionary algorithms and other population-based stochastic search methods. It has been shown that Pareto-based multiobjective learning approaches are more powerful compared to learning algorithms with a scalar cost function in addressing various topics of machine learning, such as clustering, feature selection, improvement of generalization ability, knowledge extraction, and ensemble generation. One common benefit of the different multiobjective learning approaches is that a deeper insight into the learning problem can be gained by analyzing the Pareto front composed of multiple Pareto-optimal solutions. This paper provides an overview of the existing research on multiobjective machine learning, focusing on supervised learning. In addition, a number of case studies are provided to illustrate the major benefits of the Pareto-based approach to machine learning, e.g., how to identify interpretable models and models that can generalize on unseen data from the obtained Pareto-optimal solutions. Three approaches to Pareto-based multiobjective ensemble generation are compared and discussed in detail. Finally, potentially interesting topics in multiobjective machine learning are suggested. Index Terms—Ensemble, evolutionary multiobjective optimization, generalization, machine learning, multiobjective learning, multiobjective optimization, neural networks, Pareto optimization.
IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS—PART C: APPLICATIONS AND REVIEWS, VOL. 38, NO. 3, MAY 2008

Pareto-Based Multiobjective Machine Learning: An Overview and Case Studies
and output of the given data, typically known as regression or classification. Unsupervised learning belongs to the second category of learning algorithms. Data clustering is a typical unsupervised learning method, where a given set of data is to be assigned to different subsets (clusters) so that the data in each subset share some common trait (similarity) defined by a distance measure. The third category is reinforcement learning, which aims to find a policy for an agent to take actions that maximize the cumulated rewards in a given environment. All learning algorithms perform model selection and parameter estimation based on one or multiple criteria. In supervised learning, the common criterion is an error function that reflects the approximation quality, whereas in clustering, the similarity between the elements in the same cluster (intercluster similarity) should be maximized and the similarity of the elements in different clusters (intracluster similarity) should be minimized. In reinforcement learning, the criterion is a value function that predicts the reward to perform a given action in a given state. Therefore, all learning problems can be considered as an optimization problem. Hereafter, we restrict our discussions mainly to supervised learning and data clustering, since little work has been reported on multicriterion reinforcement learning with few exceptions [3]. In addition, we term any learning criterion an objective because we are going to discuss learning problems from the optimization point of view. A categorization of the existing supervised learning algorithms from the optimization point of view is provided in Section II according to how many objectives are considered in the learning algorithms and whether a scalarized or Paretobased multiobjective optimization approach is adopted. A brief overview of representative research on Pareto-based multiobjective supervised and unsupervised learning is given in Sections III and Section IV, respectively. To illustrate the benefits of the Pareto-based approach to machine learning, a few illustrative examples are presented in the next sections. The experimental setup of the case studies, including the neural network model, the multiobjective evolutionary algorithm (MOEA), and three benchmark problems are outlined in Section V. Case studies on how to identify interpretable models from the achieved Pareto front, how to select models that are most likely to generalize on unseen data, and how to generate ensembles using the Paretobased approach are described in Section VI. A summary and outlook of the paper is provided in Section VII. II. SINGLE- AND MULTIOBJECTIVE LEARNING We divide learning algorithms into three categories, namely, single-objective learning, scalarized multiobjective learning, and Pareto-based multiobjective learning.
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