粒子群优化算法(详细易懂)复习过程
第6章粒子群优化算法
第6章粒子群优化算法PSO算法的基本原理是通过模拟粒子在空间中的移动，从而找到最优解。
每个粒子代表一个可能的解，并根据自身的经验和群体的经验进行。
粒子的速度和位置的更新使用以下公式：v(t+1) = w * v(t) + c1 * rand( * (pbest - x(t)) + c2 *rand( * (gbest - x(t))x(t+1)=x(t)+v(t+1)其中，v(t)代表粒子的当前速度，x(t)代表粒子的当前位置，w是惯性权重，c1和c2是学习因子，rand(是一个0到1之间的随机数，pbest 是粒子自身的最佳位置，gbest是整个群体的最佳位置。
PSO算法的过程如下：1.初始化粒子的位置和速度。
2.计算每个粒子的适应度值。
3. 更新每个粒子的pbest和gbest。
4.根据公式更新每个粒子的速度和位置。
5.重复步骤2到4，直到达到终止条件。
PSO算法有几个重要的参数需要设置：-群体大小：确定PSO算法中粒子的数量。
较大的群体大小可以增加整个空间的探索能力，但也增加了计算复杂度。
-惯性权重：控制粒子速度变化的因素。
较大的惯性权重可以增加粒子的飞行距离，但可能导致过程陷入局部最优解。
-学习因子：用于调节个体经验和群体经验的权重。
c1用于调节个体经验的权重，c2用于调节群体经验的权重。
较大的学习因子可以增加粒子的探索能力，但也可能增加时间。
PSO算法的优点是简单、易实现，收敛速度较快，对于多维、非线性、离散等问题具有良好的适应性。
然而，PSO算法也存在一些缺点，如易陷入局部最优解、对参数的敏感性等。
总之，粒子群优化算法是一种基于群体智能的优化算法，在求解复杂问题方面具有出色的性能。
它的基本原理是通过模拟粒子的移动来最优解，利用个体经验和群体经验进行自适应。
PSO算法在多个领域都有成功的应用，可以帮助解决实际问题。
粒子群算法的迭代过程
粒子群算法的迭代过程粒子群算法（Particle Swarm Optimization, PSO）是一种优化算法，灵感来源于鸟群觅食行为。
其迭代过程包括初始化粒子群、更新粒子速度和位置、更新个体最优解和全局最优解等步骤。
算法初始化一群粒子，每个粒子代表问题的一个解。
粒子的位置表示解的参数值，速度表示解的搜索方向和步长。
然后，通过评估目标函数来计算每个粒子的适应度，即目标函数值。
每个粒子都有一个个体最优解，即在其搜索历史中找到的最好解。
同时，整个粒子群也有一个全局最优解，即所有粒子个体最优解中的最优解。
在迭代过程中，粒子通过更新速度和位置来搜索最优解。
粒子的速度更新包括两部分：个体经验项和社会经验项。
个体经验项表示粒子根据自身最优解进行搜索的能力，即向个体最优解的方向移动。
社会经验项表示粒子根据全局最优解进行搜索的能力，即向全局最优解的方向移动。
通过调节个体和社会经验项的权重，可以平衡局部搜索和全局搜索的能力。
粒子的位置更新基于其速度和当前位置。
新位置的计算可以采用欧式距离公式，即新位置等于当前位置加上速度乘以时间步长。
更新完位置后，重新计算适应度，并更新个体最优解和全局最优解。
迭代过程中，所有粒子不断更新速度和位置，以期望找到更优的解。
通过多次迭代，粒子群逐渐收敛到全局最优解附近。
为了提高算法的收敛速度和避免陷入局部最优解，可以引入惯性权重和加速因子等参数来调节粒子的速度更新规则。
在粒子群算法的迭代过程中，每个粒子都通过个体和社会经验来指导自己的搜索方向和步长。
通过不断更新速度和位置，粒子群逐渐向全局最优解靠近。
这种群体智能的搜索方法在优化问题中具有广泛的应用，尤其适用于连续参数空间的优化问题。
通过合理设置参数和迭代次数，粒子群算法能够高效地搜索到最优解。
粒子群优化算法
粒⼦群优化算法粒⼦群优化算法属于群智能(swarm intelligence)优化算法。
群智能分两种，⼀种是粒群优化，另⼀种是蚁群优化。
群智能概念假设你和你的朋友正在寻宝，每个⼈有个探测器，这个探测器可以知道宝藏到探测器的距离。
你们⼀群⼈在找，每个⼈都可以把信息共享出去，就跟打dota时你可以有你队友的视野，你可以知道其他所有⼈距离宝藏的距离，这样，你看谁离宝藏最近，就向谁靠近，这样会使你发现宝藏的机会变⼤，⽽且，这种⽅法⽐你单⼈找要快的多。
这是⼀个群⾏为(swarm behavior)的简单实例，群中各个体交互作⽤，使⽤⼀个⽐单⼀个体更有效的⽅法求解全局⽬标。
可以把群(swarm)定义为某种交互作⽤的组织或Agent之结构集合，在群智能计算研究中，群的个体组织包括蚂蚁，⽩蚁，蜜蜂，黄蜂，鱼群，鸟群等。
在这些群体中，个体在结构上是很简单的，⽽它们的集体⾏为却可能变得相当复杂。
研究⼈员发现，蚂蚁在鸟巢和⾷物之间的运输路线，不管⼀开始多随机，最后蚂蚁总能找到⼀条最短路径。
粒群优化概念粒群优化(particle swarm optimization,PSO)算法是⼀种基于群体搜索的算法，它建⽴在模拟鸟群社会的基础上。
粒群概念的最初含义是通过图形来模拟鸟群优美和不可预测的舞蹈动作，发现鸟群⽀配同步飞⾏和以最佳队形突然改变飞⾏⽅向并重新编队的能⼒。
这个概念已经被包含在⼀个简单有效的优化算法中。
在粒群优化中，被称为“粒⼦”(particle)的个体通过超维搜索空间“流动”。
粒⼦在搜索空间中的位置变化是以个体成功地超过其他个体的社会⼼理意向为基础的，因此，群中粒⼦的变化是受其邻近粒⼦（个体）的经验或知识影响的。
⼀个粒⼦的搜索⾏为受到群中其他粒⼦的搜索⾏为的影响。
由此可见，粒群优化是⼀种共⽣合作算法。
算法描述先通过⼀个形象的场景来描述⼀下：5只鸟觅⾷，每个鸟都知道⾃⼰与⾷物的距离，并将此信息与其他鸟共享。
⼀开始，5只鸟分散在不同的地⽅，假设没只鸟每秒钟更新⾃⼰的速度和⽅向，问题是怎么更新呢？每只鸟记下⾃⼰离⾷物最近的位置，称为pbest，pbest0,pbest1,..分别表⽰5只鸟的pbest，从这⾥⾯选⼀个gbest，组⾥最好的。
粒子群算法
粒子群算法原理及简单案例[ python ]介绍粒子群算法（Particle swarm optimization，PSO）是模拟群体智能所建立起来的一种优化算法，主要用于解决最优化问题（optimization problems）。
1995年由 Eberhart和Kennedy 提出，是基于对鸟群觅食行为的研究和模拟而来的。
假设一群鸟在觅食，在觅食范围内，只在一个地方有食物，所有鸟儿都看不到食物（即不知道食物的具体位置。
当然不知道了，知道了就不用觅食了），但是能闻到食物的味道（即能知道食物距离自己是远是近。
鸟的嗅觉是很灵敏的）。
假设鸟与鸟之间能共享信息（即互相知道每个鸟离食物多远。
这个是人工假定，实际上鸟们肯定不会也不愿意），那么最好的策略就是结合自己离食物最近的位置和鸟群中其他鸟距离食物最近的位置这2个因素综合考虑找到最好的搜索位置。
粒子群算法与《遗传算法》等进化算法有很多相似之处。
也需要初始化种群，计算适应度值，通过进化进行迭代等。
但是与遗传算法不同，它没有交叉，变异等进化操作。
与遗传算法比较，PSO的优势在于很容易编码，需要调整的参数也很少。
一、基本概念与遗传算法类似，PSO也有几个核心概念。
粒子（particle）：一只鸟。
类似于遗传算法中的个体。
1.种群（population）：一群鸟。
类似于遗传算法中的种群。
2.位置（position）：一个粒子（鸟）当前所在的位置。
3.经验（best）：一个粒子（鸟）自身曾经离食物最近的位置。
4.速度（velocity ）：一个粒子（鸟）飞行的速度。
5.适应度（fitness）：一个粒子（鸟）距离食物的远近。
与遗传算法中的适应度类似。
二、粒子群算法的过程可以看出，粒子群算法的过程比遗传算法还要简单。
1）根据问题需要，随机生成粒子，粒子的数量可自行控制。
2）将粒子组成一个种群。
这前2个过程一般合并在一起。
3）计算粒子适应度值。
4）更新种群中每个粒子的位置和速度。
粒子群算法步骤
粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）是一种基于群体智能的优化算法，用于解决优化问题。
下面是粒子群算法的一般步骤：1. 初始化参数：- 定义问题的适应度函数。
- 设置群体规模（粒子数量）和迭代次数。
- 随机初始化每个粒子的位置和速度。
- 设置每个粒子的个体最佳位置和整个群体的全局最佳位置。
2. 迭代优化：- 对于每个粒子：- 根据当前位置和速度更新粒子的新速度。
- 根据新速度更新粒子的新位置。
- 根据新位置计算适应度函数值。
- 更新粒子的个体最佳位置和整个群体的全局最佳位置。
- 结束条件判断：达到预设的迭代次数或满足特定的停止条件。
3. 输出结果：- 输出全局最佳位置对应的解作为优化问题的最优解。
在更新粒子的速度和位置时，通常使用以下公式：速度更新：v(t+1) = w * v(t) + c1 * r1 * (pbest - x(t)) + c2 * r2 * (gbest - x(t))位置更新：x(t+1) = x(t) + v(t+1)其中：- v(t) 是粒子在时间t 的速度。
- x(t) 是粒子在时间t 的位置。
- w 是惯性权重，用于平衡粒子的历史速度和当前速度的影响。
- c1 和c2 是加速因子，控制个体和全局最佳位置对粒子速度的影响。
- r1 和r2 是随机数，用于引入随机性。
- pbest 是粒子的个体最佳位置。
- gbest 是整个群体的全局最佳位置。
以上是粒子群算法的基本步骤，您可以根据具体的优化问题进行调整和扩展。
Matlab中的粒子群优化算法详解
Matlab中的粒子群优化算法详解引言：粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization, PSO）是一种模拟鸟群觅食行为的优化算法，具有简单易实现、无需求导和全局搜索能力强等特点。
该算法在解决多种问题中得到广泛应用，特别是在机器学习、智能优化等领域。
本文将详细介绍Matlab中粒子群优化算法的实现过程及应用。
一、粒子群优化算法原理粒子群优化算法源自于对鸟群觅食行为的模拟。
假设一个鸟群中的每个个体被称为粒子，所有粒子共同组成了一个搜索空间，每个粒子会根据自身的当前位置和历史最佳位置进行搜索，并且受到其邻近粒子的信息影响。
通过不断的迭代运算，粒子们逐渐收敛到全局最优解或局部最优解。
具体算法流程如下：1. 初始化粒子群的位置和速度。
2. 计算每个粒子的适应度值，并更新个体最优位置。
3. 根据全局最优位置调整粒子的速度和位置。
4. 重复执行第2步和第3步，直到满足终止条件。
二、Matlab中粒子群优化算法实现步骤在Matlab中，可以通过以下步骤来实现粒子群优化算法：1. 初始化粒子群的位置和速度。
首先需要确定粒子群的大小，即粒子的个数。
对于每个粒子，需要随机生成一个初始位置和速度。
可以使用Matlab中的rand函数来生成指定范围内的随机数。
问题优劣的指标，因此需要根据具体问题来确定。
对于更新个体最优位置，可以通过比较当前适应度值和历史最佳适应度值的大小，选择适应度更优的位置进行更新。
3. 根据全局最优位置调整粒子的速度和位置。
粒子的速度和位置的更新是通过以下公式实现的：V(i,j) = w * V(i,j) + c1 * rand() * (P(i,j) - X(i,j)) + c2 * rand() * (G(j) - X(i,j))X(i,j) = X(i,j) + V(i,j)其中，V(i,j)表示第i个粒子在第j个维度上的速度，X(i,j)表示第i个粒子在第j个维度上的位置，P(i,j)表示第i个粒子的历史最佳位置，G(j)表示全局最佳位置，w、c1和c2分别表示惯性权重、个体学习因子和社会学习因子。
优化算法-粒子群优化算法
步骤四：对于粒子的每一维，根据式（1）计算得到一个随机点 的位置。
步骤五：根据式（2）计算粒子的新的位置。
步骤六：判断是否满足终止条件。
粒子群优化算法
PSO算法在组合优化问题中的应用
典型的组合优化问题：TSP
粒子群优化算法
量子行为粒子群优化算法的基本模型
群智能中个体的差异是有限的，不是趋向于无穷大的。群体的聚 集性是由相互学习的特点决定的。
个体的学习有以下特点： 追随性：学习群体中最优的知识
记忆性：受自身经验知识的束缚
创造性：使个体远离现有知识
粒子群优化算法
聚集性在力学中，用粒子的束缚态来描述。产生束缚态的原因是 在粒子运动的中心存在某种吸引势场，为此可以建立一个量子化 的吸引势场来束缚粒子（个体）以使群体具有聚集态。
描述为: 给定n 个城市和两两城市之间的距离, 求一条访问各城市
一次且仅一次的最短路线. TSP 是著名的组合优化问题, 是NP难题, 常被用来验证智能启发式算法的有效性。
vid (t 1) wvid (t) c1r1 pid (t) xid (t) c2r2( pgd (t) xid (t))
xid (t 1) xid (t) vid (t 1)
粒子群优化算法
w 惯性权重 可以是正常数，也可以是以时间为变量的线性或非线性
正数。
粒子群优化算法
通常动态权重可以获得比固定值更好的寻优结果，动态权重可以在 pso搜索过程中呈线性变化，也可以根据pso性能的某个测度函数 而动态改变，目前采用的是shi建议的随时间线性递减权值策略。
粒子群优化算法
粒子群优化算法基本原理
粒子群优化算法基本原理粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization，简称PSO）是一种基于仿生学思想的优化算法，最早由美国加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）的Eberhart和Kennedy于1995年提出。
该算法模拟了群体中个体之间的协作行为，通过不断的信息交流与迭代搜索，寻找最优解。
粒子群优化算法的基本思想是通过模拟鸟群或鱼群等生物群体在搜索空间中的行为，通过个体间的合作与信息共享来寻找最优解。
算法的核心是通过不断更新每个粒子的速度和位置，使其朝着全局最优解的方向进行搜索。
在粒子群优化算法中，每个粒子代表一个解决方案，并通过在搜索空间中移动来寻找最优解。
每个粒子都有一个位置向量和一个速度向量，位置向量表示当前粒子所在的位置，速度向量表示粒子在搜索空间中的移动方向和速度。
每个粒子还有两个重要的参数：个体最佳位置（Pbest）和全局最佳位置（Gbest）。
个体最佳位置表示粒子自身经历的最优位置，全局最佳位置表示整个粒子群中最优的位置。
算法的具体过程如下：1. 初始化粒子群的位置和速度，并为每个粒子设置初始的个体最佳位置。
2. 根据当前位置和速度更新粒子的位置和速度，并计算粒子的适应度值。
3. 更新粒子的个体最佳位置和全局最佳位置。
如果当前适应度值优于个体最佳适应度值，则更新个体最佳位置；如果当前适应度值优于全局最佳适应度值，则更新全局最佳位置。
4. 判断终止条件，如果满足停止条件，则输出全局最佳位置作为最优解；否则返回步骤2进行下一轮迭代。
5. 结束。
粒子群优化算法的优点在于简单易实现，不需要求导等额外计算，且具有全局搜索能力。
由于模拟了群体协作的行为，粒子群优化算法可以克服遗传算法等局部搜索算法容易陷入局部最优解的问题。
此外，算法的收敛速度较快，迭代次数相对较少。
然而，粒子群优化算法也存在一些缺点。
首先，算法对于问题的解空间分布较为敏感，如果解空间分布较为复杂或存在多个局部最优解，算法可能无法找到全局最优解。
粒子群优化算法精讲
粒子群优化算法精讲粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）是一种启发式优化算法，源自对鸟群觅食行为的观察与模拟。
它通过模拟鸟群中个体通过合作与信息交流来找到最优解的行为，从而在空间中找到最优解。
本文将详细介绍PSO算法的原理、步骤和应用，并提供多个例子以加深理解。
1.粒子群优化算法原理：PSO算法通过模拟鸟群中个体的行为来进行。
每个个体被称为粒子，其在空间中的位置被表示为一个向量，向量的每个维度表示一个参数。
每个粒子都有一个速度向量，表示其在空间中的移动速度。
粒子的位置和速度会根据个体最优和全局最优进行更新。
2.粒子群优化算法步骤：a.初始化粒子群：随机生成一定数量的粒子，初始化其位置和速度。
b. 更新粒子位置和速度：根据当前位置和速度，计算下一时刻的位置和速度。
速度更新公式为 v(t+1) = w * v(t) + c1 * rand( * (pbest - x(t)) + c2 * rand( * (gbest - x(t))，其中w为惯性权重，c1和c2为加速因子，pbest为个体最优，gbest为全局最优，x(t)为当前位置。
c.更新个体最优和全局最优：对于每个粒子，比较其当前位置的适应度和个体最优，更新个体最优。
比较全体粒子的个体最优，更新全局最优。
d.终止条件判断：判断是否满足终止条件，如达到最大迭代次数或适应度达到阈值。
e.返回结果：返回全局最优位置作为最优解。
3.粒子群优化算法应用：PSO算法广泛应用于函数优化、机器学习、图像处理等领域。
下面列举几个具体的例子：a. 函数优化：PSO算法可以用来求解连续函数的最优解，如Rastrigin函数、Ackley函数等。
通过定义适应度函数，将函数优化问题转化为求解适应度最大化或最小化的问题。
b.神经网络训练：PSO算法可以用来训练神经网络的权重和偏置，从而提高神经网络的性能。
通过定义适应度函数，将神经网络训练问题转化为求解适应度最大化或最小化的问题。
粒子群优化算法课件
实验结果对比分析
准确率
01
在多个数据集上，粒子群优化算法的准确率均高于对比算法，
表明其具有较强的全局搜索能力。
收敛速度
02
粒子群优化算法在多数数据集上的收敛速度较快，能够更快地
找到最优解。
鲁棒性
03
在不同参数设置和噪声干扰下，粒子群优化算法的性能表现稳
定，显示出良好的鲁棒性。
结果讨论与改进建议
讨论
其中，V(t+1)表示第t+1次迭代 时粒子的速度，V(t)表示第t次迭 代时粒子的速度，Pbest表示粒 子自身的最优解，Gbest表示全 局最优解，X(t)表示第t次迭代时
粒子的位置，w、c1、c2、 rand()为参数。
算法优缺点分析
优点
简单易实现、参数少、收敛速度快、 能够处理多峰问题等。
03
强化算法的可视化和解释性
发展可视化工具和解释性方法，帮助用户更好地理解粒子群优化算法的
工作原理和结果。
THANKS
感谢观看
粒子群优化算法的改进与扩展
动态调整惯性权重
惯性权重是粒子群优化算法中的一个 重要参数，它决定了粒子的飞行速度 。通过动态调整惯性权重，可以在不 同的搜索阶段采用不同的权重值，从 而更好地平衡全局搜索和局部搜索。
VS
一种常见的动态调整惯性权重的方法 是根据算法的迭代次数或适应度值的 变化来调整权重值。例如，在算法的 初期，为了更好地进行全局搜索，可 以将惯性权重设置得较大；而在算法 的后期，为了更好地进行局部搜索， 可以将惯性权重设置得较小。
并行粒子群优化算法
并行计算技术可以提高粒子群优化算法的计算效率和收敛 速度。通过将粒子群分成多个子群，并在不同的处理器上 同时运行这些子群，可以加快算法的收敛速度。
粒子群算法基本流程
粒子群算法基本流程粒子群算法（Particle Swarm Optimization, PSO）是一种基于自然界群体智能现象的优化算法，常用于解决各种优化问题，如函数优化、组合优化、机器学习等。
本文将详细介绍粒子群算法的基本流程，包括初始化、适应度评价、移动、更新等环节，希望能对读者理解该算法提供一定的帮助。
一、算法介绍粒子群算法最初由Kennedy和Eberhart于1995年提出 [1]，其基本思想来源于鸟群觅食行为。
在野外觅食时，鸟群中的鸟会根据所找到的食物数量来确定自己下一步的移动方向。
PSO算法中的“粒子”类似于鸟群中的鸟，它们以个体和群体为导向，通过速度和位置的调整来进行优化搜索。
PSO算法的目标是寻找最优解，通常是最小化或最大化一个函数的值，可表示为：f(x)=\sum_{i=1}^n{f_i(x)}x 是 n 维实数向量，f_i(x) 表示第 i 个函数。
寻找最优解的目标就是在 x 的搜索空间中寻找函数 f(x) 的全局最优解或局部最优解。
二、基本流程粒子群算法的基本流程如下：1. 初始化：随机生成一群粒子，每个粒子的位置和速度都是随机的。
2. 适应度评价：计算每个粒子的适应度值，也就是函数 f(x) 所对应的值，用来表示该粒子所处的位置的优劣程度。
3. 移动：根据当前位置和速度，移动粒子到新的位置。
4. 更新：根据历史上最好的粒子位置和当前最好的粒子位置，更新每个粒子的历史最好位置和当前最好位置，并更新全局最优位置。
5. 终止：当满足一定的终止条件时，停止迭代，并输出最终的粒子位置和最优解。
下文将分别对各环节进行详细介绍。
三、初始化在PSO算法中，粒子的位置和速度都是随机的。
对于每个粒子，需要随机生成一个 n 维实数向量表示其位置，一个同维度的实数向量表示其速度。
可以采用如下方法进行初始化：1. 对于每一个维度，随机生成一个实数范围内的数值，表示该维度上的位置和速度。
2. 在满足约束条件的前提下，生成一个可行解，作为初始化的位置。
基本粒子群优化算法
基本粒子群优化算法基本粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization, PSO）是一种基于群体智能的优化算法，灵感来自于鸟群捕食行为中的信息共享和合作。
该算法能够在空间内找到不错的解决方案，并且具有较强的全局收敛性和鲁棒性。
本文将详细介绍基本粒子群优化算法的原理、流程、变种以及应用领域。
一、基本粒子群优化算法的原理基本粒子群优化算法的原理是模拟社会性行为中物种群体的行为方式。
每个空间中的解被视为一个粒子，这些粒子之间通过其中一种形式的信息交流来寻找全局最优解。
在算法的每一代中，每个粒子记录着自身的位置、速度和当前最优解。
粒子迭代更新自己的速度和位置，通过与邻居粒子和全局最优解比较来引导方向。
通过不断迭代，粒子逐渐收敛于全局最优解。
二、基本粒子群优化算法的流程1.初始化粒子群：随机生成粒子群，设置每个粒子的初始位置和速度。
2.计算目标函数值：根据粒子的当前位置计算目标函数值，并更新该粒子的当前最优解。
3.更新全局最优解：比较粒子群中所有粒子的当前最优解，选取最优解作为全局最优解。
4.更新速度和位置：根据当前速度和位置，更新粒子的下一步速度和位置。
新位置在空间内随机选择，并根据速度进行调整。
5.收敛判断：判断是否满足停止条件，如果满足则结束；否则返回第2步。
三、基本粒子群优化算法的变种1.改进的基本粒子群优化算法：对基本粒子群优化算法进行改进，比如引入加速因子、惯性权重等参数来提升算法的收敛速度和精度。
2.多种群粒子群优化算法：将粒子群分为多个子群，在子群间进行信息共享和合作，以提高效率。
3.自适应权重的粒子群优化算法：根据过程中的适应度变化情况，自适应地调整粒子的权重，以提高算法的鲁棒性和全局收敛性。
四、基本粒子群优化算法的应用领域1.组合优化问题：如旅行商问题、背包问题等。
2.函数优化问题：如非线性优化、函数拟合等。
3.机器学习：如神经网络训练、特征选择等。
4.工程设计：如电力系统优化、通信网络设计等。
粒子群优化算法粒子群优化算法简介
粒子群优化算法(1)—粒子群优化算法简介PSO算法就是模拟一群鸟寻找食物的过程，每个鸟就是PSO中的粒子，也就是我们需要求解问题的可能解，这些鸟在寻找食物的过程中，不停改变自己在空中飞行的位置与速度。
大家也可以观察一下，鸟群在寻找食物的过程中，开始鸟群比较分散，逐渐这些鸟就会聚成一群，这个群忽高忽低、忽左忽右，直到最后找到食物。
这个过程我们转化为一个数学问题。
寻找函数y=1-cos(3*x)*exp(-x)的在[0,4]最大值。
该函数的图形如下：当x=0.9350-0.9450，达到最大值y=1.3706。
为了得到该函数的最大值，我们在[0, 4]之间随机的洒一些点，为了演示，我们放置两个点，并且计算这两个点的函数值，同时给这两个点设置在[0, 4]之间的一个速度。
下面这些点就会按照一定的公式更改自己的位置，到达新位置后，再计算这两个点的值，然后再按照一定的公式更新自己的位置。
直到最后在y=1.3706这个点停止自己的更新。
这个过程与粒子群算法作为对照如下：这两个点就是粒子群算法中的粒子。
该函数的最大值就是鸟群中的食物。
计算两个点函数值就是粒子群算法中的适应值，计算用的函数就是粒子群算法中的适应度函数。
更新自己位置的公式就是粒子群算法中的位置速度更新公式。
下面演示一下这个算法运行一次的大概过程：第一次初始化第一次更新位置第二次更新位置第21次更新最后的结果（30次迭代）最后所有的点都集中在最大值的地方。
粒子群优化算法(2)—标准粒子群优化算法在上一节的叙述中，唯一没有给大家介绍的就是函数的这些随机的点（粒子）是如何运动的，只是说按照一定的公式更新。
这个公式就是粒子群算法中的位置速度更新公式。
下面就介绍这个公式是什么。
在上一节中我们求取函数y=1-cos(3*x)*exp(-x)的在[0, 4]最大值。
并在[0,4]之间放置了两个随机的点，这些点的坐标假设为x1=1.5，x2=2.5；这里的点是一个标量，但是我们经常遇到的问题可能是更一般的情况—x 为一个矢量的情况，比如二维z=2*x1+3*x22的情况。
粒子群优化算法(详细易懂)
粒子群优化算法求最优解
D维空间中，有N个粒子；
粒子i位置：xi=(xi1,xi2,…xiD)，将xi代入适应函数f(xi)求适应值；
粒子i速度：vi=(vi1,vi2,…viD) 粒子i个体经历过的最好位置：pbesti=(pi1,pi2,…piD)
种群所经历过的最好位置：gbest=(g1,g2,…gD)
Xi =Xi1,Xi 2 ,...,XiN
算法流程
1. Initial：
初始化粒子群体（群体规模为n），包括随机位置和速度。
2. Evaluation：
根据fitness function ，评价每个粒子的适应度。
3. Find the Pbest：
对每个粒子，将其当前适应值与其个体历史最佳位置（pbest）对应 的适应值做比较，如果当前的适应值更高，则将用当前位置更新历 史最佳位置pbest。
“自然界的蚁群、鸟群、鱼群、 大自然对我们的最大恩赐！ 羊群、牛群、蜂群等，其实时时刻刻都在给予 我们以某种启示，只不过我们常常忽略了 大自然对我们的最大恩赐！......”
粒子群算法的基本思想
设想这样一个场景：一群鸟在随机搜索食物
在这块区域里只有一块食物; 已知 所有的鸟都不知道食物在哪里; 但它们能感受到当前的位置离食物还有多远.
Xi =Xi1,Xi 2 ,...,Xid
Study Factor
區域 最佳解
運動向量
全域 最佳解
pg
慣性向量
Vik =Vik 1 +C1*r1*(Pbest i -Xik 1 )+C2 *r2 *(gbest -Xik 1 )
Xik =Xik 1 +Vik 1
Vi =Vi1,Vi 2 ,...,ViN
群体智能优化算法-粒子群优化算法
第二章粒子群优化算法粒子群优化(PSO)是一种基于群体智能的数值优化算法，由社会心理学家James Kennedy和电气工程师Russell Eberhart于1995年提出。
自PSO诞生以来，它在许多方面都得到了改进，这一部分将介绍基本的粒子群优化算法原理和过程。
2.1粒子群优化粒子群优化(PSO)是一种群智能算法，其灵感来自于鸟类的群集或鱼群学习，用于解决许多科学和工程领域中出现的非线性、非凸性或组合优化问题。
图1 Russel Eberhart和James Kennedy2.1.1算法思想许多鸟类都是群居性的，并由各种原因形成不同的鸟群。
鸟群可能大小不同，出现在不同的季节，甚至可能由群体中可以很好合作的不同物种组成。
更多的眼睛和耳朵意味着有更多的及时发现食物和捕食者的机会。
鸟群在许多方面对其成员的生存总是有益的：觅食：社会生物学家E.O. Wilson说，至少在理论上，群体中的个体成员可以从其他成员在寻找食物过程中的发现和先前的经验中获益[1]。
如果一群鸟的食物来源是相同的，那么某些种类的鸟就会以一种非竞争的方式聚集在一起。
这样，更多的鸟类就能利用其他鸟类对食物位置的发现。
抵御捕食者：鸟群在保护自己免受捕食者侵害方面有很多优势。
◆更多的耳朵和眼睛意味着更多的机会发现捕食者或任何其他潜在的危险；◆一群鸟可能会通过围攻或敏捷的飞行来迷惑或压制捕食者；◆在群体中，互相间的警告可以减少任何一只鸟的危险。
空气动力学：当鸟类成群飞行时，它们经常把自己排成特定的形状或队形。
鸟群中鸟的数量不同，每只鸟煽动翅膀时产生不同的气流，这都会导致变化的风型，这些队形会充分利用不同的分型，从而使得飞行中的鸟类能够以最节能的方式利用周围的空气。
粒子群算法的发展需要模拟鸟群的一些优点，然而，为了了解群体智能和粒子群优化的一个重要性质，值得提一下是鸟群的一些缺点。
当鸟类成群结队时，也会给它们带来一些风险。
更多的耳朵和眼睛意味着更多的翅膀和嘴，这导致更多的噪音和运动。
粒子群优化算法(详细易懂,很多例子)教材
粒子群只鸟，称为“粒 子”。所有粒子都在一个D维空间进行搜索。 所有的粒子都由一个fitness function 确定适应值 以判断目前的位置好坏。 每一个粒子必须赋予记忆功能，能记住所搜寻到 的最佳位置。 每一个粒子还有一个速度以决定飞行的距离和方 向。这个速度根据它本身的飞行经验以及同伴的 飞行经验进行动态调整。
k 1 自我认知部分 c1r1 ( pbestid xid ) 自我认知型粒子群算法 k 1 社会经验部分 c2 r2 ( gbestd xid )
“只有自我，没有社会”
完全没有信息的社会共享 导致算法收敛速度缓慢
粒子群算法的构成要素-权重因子 权重因子：惯性因子 、学习因子
k k-1 k 1 k 1 vid =wvid c1r1 ( pbestid xid ) c2r2 ( gbestd xid )
模拟退火算法(SA)
模模仿金属物质退火过程
解决最优化问题的方法
传统搜索方法 保证能找到最优解 Heuristic Search 不能保证找到最优解
粒子群算法发展历史简介
由Kennedy和Eberhart于1995年提出． 群体迭代，粒子在解空间追随最优的粒子进行搜索. 简单易行 收敛速度快 设置参数少
由此，将粒子群算法分为
全局粒子群算法和局部粒子群算法．
粒子群算法的构成要素- 邻域的拓扑结构
全局粒子群算法
1. 粒子自己历史最优值 2. 粒子群体的全局最优值
局部粒子群算法
1. 粒子自己历史最优值 2. 粒子邻域内粒子的最优值
邻域随迭代次数的增加线性变大，最后邻域扩展到整个粒子群。 经过实践证明：全局版本的粒子群算法收敛速度快，但是容易陷 入局部最优。局部版本的粒子群算法收敛速度慢，但是很难陷入局部 最优。现在的粒子群算法大都在收敛速度与摆脱局部最优这两个方面 下功夫。其实这两个方面是矛盾的。看如何更好的折中了。
粒子群优化算法
3.基本原理
⑵标准粒子群优化算法
为改善算法收敛性能，Shi 和 Eberhart 在 1998 年的论文中引入 了惯性权重的概念，将速度更新方程修改为式(2-3)所示
vk 1 iD
vikD
c1 (
pikD
xikD
)
c2 (
pgkD
xikD )
（7.3）
这里， 称为惯性权重，其大小决定了对粒子当前速度继承的多 少，合适的选择可以是粒子具有均衡的探索和开发能力。可见，基本 PSO 算法是惯性权重 =1 的特殊情况。
5.PSO研究方向
⑷随着计算机的不断发展，并行计算机越来越受到人们的重视。 由于 PSO 算法具有内在的并行性，因而，并行计算也是发展 PSO 算 法时应考虑研究的重要方向之一。
⑸PSO 算法主要应用于连续问题，也可应用于离散问题，但对于 离散问题算法，往往难以取得理想的优化结果，如何提高 PSO 算法的 方法学应用到离散空间的优化效果也是值得研究的一类问题。
4.PSO应用领域
PSO 算法的优势在于算法的简洁性，易于实现，没有很多参数需 要调整，且不需要梯度信息。PSO 算法是非线性连续优化问题、组合 优化问题和混合整数费线性优化问题的有效优化工具。
⑴函数优化 大量的问题最终可归结为函数的优化问题，通常这些函数是非常 复杂的，PSO 算法通过改进或结合其它算法，对高维复杂函数可以实 现高效优化。 ⑵神经网络的训练 与 BP 算法相比，使用 PSO 算法训练神经网络的优点在于不使用 梯度信息，可使用一些不可微的传递函数。多数情况下其训练结果优 于 BP 算法，而且训练速度非常快。
粒子群优化算法
1. 引言
粒 子 群 优 化 算 法 (Particle Swarm Optimization ， PSO)由 Kennedy 博士和 Eberhart 教授在 1995 年提出，该算法模拟鸟群、 鱼群、蜂群等动物群体觅食的行为，通过个体之间的相互协作使 群体达到最优目的，是一种基于群智能(Swarm Intelligence，SI) 的优化方法。
粒子群算法组合优化
粒子群算法组合优化引言：组合优化问题是指在给定一组元素的情况下，通过选择其中的若干个元素，使得满足一定条件的目标函数取得最优值的问题。
在实际应用中，组合优化问题非常普遍，例如旅行商问题、背包问题等。
粒子群算法（Particle Swarm Optimization，简称PSO）是一种用于求解组合优化问题的优化算法，它模拟了鸟群觅食的过程，并通过群体合作来寻找全局最优解。
本文将详细介绍粒子群算法的原理、优缺点以及应用实例等内容。
一、粒子群算法的原理1.初始化粒子群：随机生成一组粒子，并为每个粒子分配一个随机的位置和速度。
2.计算适应度：根据问题的目标函数，计算每个粒子的适应度值。
3.更新粒子速度和位置：根据粒子自身的历史最优位置和全局最优位置，通过以下公式更新粒子的速度和位置：v(t+1) = ω * v(t) + c1 * rand( * (pbest - x(t)) + c2 *rand( * (gbest - x(t))x(t+1)=x(t)+v(t+1)其中，v(t)表示粒子在时刻t的速度，x(t)表示粒子在时刻t的位置，pbest表示粒子的历史最优位置，gbest表示全局最优位置，ω、c1、c2为控制速度更新的参数，rand(为随机函数。
4.更新粒子的历史最优位置和全局最优位置：如果当前位置的适应度值优于粒子的历史最优位置，则更新历史最优位置；如果当前位置的适应度值优于全局最优位置，则更新全局最优位置。
5.判断停止条件：如果满足停止条件（例如达到最大迭代次数或达到目标适应度值），则结束算法，否则返回步骤3二、粒子群算法的优缺点1.基于群体智能：粒子群算法模拟了鸟群觅食的过程，通过粒子之间的合作和信息交流来最优解，具有较强的全局能力。
2.全局收敛性：粒子群算法通过不断更新全局最优位置，可以快速收敛到全局最优解。
3.直观简单：粒子群算法的原理简单，易于理解和实现。
4.并行计算：粒子群算法中的每个粒子都可以进行并行计算，可加速求解过程。
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粒子群算法的基本思想
设想这样一个场景：一群鸟在随机搜索食物
在这块区域里只有一块食物; 已知 所有的鸟都不知道食物在哪里;
但它们能感受到当前的位置离食物还有多远. 那么:找到食物的最优策略是什么呢？
搜寻目前离食物最近的鸟的周围区域 ． 根据自己飞行的经验判断食物的所在。 PSO正是从这种模型中得到了启发． PSO的基础: 信息的社会共享
通常，在第d（1≤d≤D）维的位置变化范围限定在 [Xmin,d, X内m ，ax,d]
速度变化范围限定在 [-Vmax,d,内V（ma即x,d在] 迭代中若
vid、 xid
超出了边界值，则该维的速度或位置被限制为该维最大速度或边界
位置）
粒子i的第d维速度更新公式：
v i k d = w v i k d - 1 c 1 r 1 ( p b e s t i d x i k d 1 ) c 2 r 2 ( g b e s t d x i k d 1 )
no
达到最大迭代次数或
全局最优位置满足最小界限？
yes
结束
2維簡例
區域
Note
合理解
目前最優解
區域最佳解
全域
粒子群算法的构成要素 -群体大小 m
m 是一个整型参数． m 很小:
陷入局优的可能性很大． m 很大:
PSO的优化能力很好， 但收敛速度慢． 当群体数目增长至一定水平时，再增长将不再有显 著的作用．
对每个粒子，将其当前适应值与其个体历史最佳位置（pbest）对应 的适应值做比较，如果当前的适应值更高，则将用当前位置更新历 史最佳位置pbest。
4. Find the Gbest：
对每个粒子，将其当前适应值与全局最佳位置（gbest）对应的适 应值做比较，如果当前的适应值更高，则将用当前粒子的位置更新 全局最佳位置gbest。
X i=X i1,X i2,...,X id
Study Factor 區域
最佳解
運動向量
全域 最佳解
pg
慣性向量
V i k = V i k 1 + C 1 * r 1 * ( P b e s t i- X i k 1 ) + C 2 * r 2 * ( g b e s t- X i k 1 )
5. Update。
6. 如未满足结束条件，则返回步骤2
通常算法达到最大迭代次数 G
某个给定的阈值时算法停止。
m
ax
或者最佳适应度值的增量小于
粒子群优化算法流程图
开始 初始化粒子群 计算每个粒子的适应度
根据适应度更新pbest、gbest，更新粒子位置速度
生物学家对鸟(鱼)群捕食的行为研究 社会行为 (Social-Only Model) 个体认知 (Cognition-Only Model)
粒子群特性
算法介绍
每个寻优的问题解都被想像成一只鸟，称为“粒 子”。所有粒子都在一个D维空间进行搜索。
所有的粒子都由一个fitness function 确定适应值 以判断目前的位置好坏。
v i d ( t 1 ) w v i d ( t ) c 1 r a n d ( ) ( p i d x i d ( t ) ) c 2 r a n d ( ) ( p g d x i d ( t ) )
xi(t 1 )xi(t)vi(t)
V i =V i1,V i2,...,V id
v i k d = w v i k d - 1 c 1 r 1 ( p b e s t i d x i k d 1 ) c 2 r 2 ( g b e s t d x i k d 1 )
粒子速度更新公式包含三部分： 第一部分为粒子先前的速度 第二部分为“认知”部分，表示粒子本身的思考，可理解为 粒子i当前位置与自己最好位置之间的距离。 第三部分为“社会”部分，表示粒子间的信息共享与合作， 可理解为粒子i当前位置与群体最好位置之间的距离。
每一个粒子必须赋予记忆功能，能记住所搜寻到 的最佳位置。
每一个粒子还有一个速度以决定飞行的距离和方 向。这个速度根据它本身的飞行经验以及同伴的 飞行经验进行动态调整。
粒子群优化算法求最优解
D维空间中，有N个粒子； 粒子i位置：xi=(xi1,xi2,…xiD)，将xi代入适应函数f(xi)求适应值； 粒子i速度：vi=(vi1,vi2,…viD) 粒子i个体经历过的最好位置：pbesti=(pi1,pi2,…piD) 种群所经历过的最好位置：gbest=(g1,g2,…gD)
粒子i的第d维位置更新公式：
xikd xikd1vikd1
v
k id
—第k次迭代粒子i飞行速度矢量的第d维分量
x
k id
—第k次迭代粒子i位置矢量的第d维分量
c1,c2—加速度常数，调节学习最大步长
r1,r2—两个随机函数，取值范围[0，1]，以增加搜索随机 性
w —惯性权重，非负数，调节对解空间的搜索范围
粒子群优化算法(详细易懂)
解决最优化问题的方法
传统搜索方法 保证能找到最优解
Heuristic Search 不能保证找到最优解
粒子群算法发展历史简介
由Kennedy和Eberhart于1995年提出．
群体迭代，粒子在解空间追随最优的粒子进行搜索.
粒子群算法:
简单易行 收敛速度快 设置参数少
已成为现代优化方法领域研究的热点．
粒子群算法的基本思想
粒子群算法的思想源于对鸟群捕食行为的研究． 模拟鸟集群飞行觅食的行为，鸟之间通过集体的协作使群
体达到最优目的，是一种基于Swarm Intelligence的优化 方法。 马良教授在他的著作《蚁群优化算法》一书的前言中写到：
“自然界的蚁群、鸟群、鱼群、 大自然羊对群我、们牛的群最、大蜂恩群赐等！，其实时时刻刻都在给予
Xik=Xik1+Vik1
V i =V i1,V i2,...,V iN X i= X i1,X i2,...,X iN
算法流程
1. Initial：
初始化粒子群体（群体规模为n），包括随机位置和速度。
2. Evaluation：
根据fitness function ，评价每个粒子的适应度。
3. Find the Pbest：