多目标最优化
多目标最优化方法
多目标最优化方法解决优化问题时，如果只考虑单一目标最优，称为单目标最优化问题(Single-Objective optimization problem, SOP)，若考虑的最优目标不仅一个，而是多个，我们称为多目标最优化问题(Multi-objective optimization problem, MOP)。
多目标最优化是最优化方法领域中重要的研究方向之一。
多目标最优化问题起源于实际生活中复杂系统的规划设计、模型建立等。
在工程设计、工农业规划、经济规划、金融决策城、市运输、水库管理和能量分配等社会活动中，经常遇多目标最优化问题，可以说多目标优化问题是无处不有、无处不在的.正是由于这种多目标最优化问题的重要性以及普遍性才使得人们要去研究多目标最优化问题的解法。
目前，国内、外许多学者致力于这方面的研究.1.1多目标最优化问题的简史多目标最优化问题的出现，应追溯到1772年，当时Franklin提出了多目标矛盾如何协调解决的问题。
但国际上大都认为多目标最优化问题最早是由法国经济学家V. Pareto于1896年提出的。
当时，他从政治经济学的角度，把不好比较的目标归纳成多日标最优化问题。
1944年，V on.neumann和J. Morgenstern从对策论的角度，提出多个决策者彼此又互相矛盾的多目标决策问题。
1951年，T. C. Koopmans从生产和分配的活动分析中提到了多目标最优化问题，并且第一次提出了Pareto最优解的定义。
同年，H. W. Kuhn和A. W. Tucker从数学归纳的角度，给出了向量极值问题的Pareto最优解，并研究了这种解的充分必要条件。
1953年，Arron等学者对凸集提出了有效解的概念，从此多目标最优化逐渐受到人们的关注。
1963年，L. A. Zadeh从控制论角度提出多目标控制问题。
这期间Charnes, Klinger, Keeney, Geoffrion等人先后都做了有效的工作。
多目标最优化数学模型
第六章 最优化数学模型§1 最优化问题1．1 最优化问题概念 1．2 最优化问题分类1．3 最优化问题数学模型 §2 经典最优化方法 2．1 无约束条件极值 2．2 等式约束条件极值 2．3 不等式约束条件极值 §3 线性规划 3．1 线性规划 3．2 整数规划§4 最优化问题数值算法 4．1 直接搜索法 4．2 梯度法 4．3 罚函数法§5 多目标优化问题 5．1 多目标优化问题 5．2 单目标化解法 5．3 多重优化解法 5．4 目标关联函数解法 5．5 投资收益风险问题第六章 最优化问题数学模型 §1 最优化问题1．1 最优化问题概念 （1）最优化问题在工业、农业、交通运输、商业、国防、建筑、通信、政府机关等各部门各领域的实际工作中，我们经常会遇到求函数的极值或最大值最小值问题，这一类问题我们称之为最优化问题。
而求解最优化问题的数学方法被称为最优化方法。
它主要解决最优生产计划、最优分配、最佳设计、最优决策、最优管理等求函数最大值最小值问题。
最优化问题的目的有两个：①求出满足一定条件下，函数的极值或最大值最小值；②求出取得极值时变量的取值。
最优化问题所涉及的内容种类繁多，有的十分复杂，但是它们都有共同的关键因素：变量，约束条件和目标函数。
（2）变量变量是指最优化问题中所涉及的与约束条件和目标函数有关的待确定的量。
一般来说，它们都有一些限制条件（约束条件），与目标函数紧密关联。
设问题中涉及的变量为n x x x ,,,21 ；我们常常也用),,,(21n x x x X 表示。
（3）约束条件在最优化问题中，求目标函数的极值时，变量必须满足的限制称为约束条件。
例如，许多实际问题变量要求必须非负，这是一种限制；在研究电路优化设计问题时，变量必须服从电路基本定律，这也是一种限制等等。
在研究问题时，这些限制我们必须用数学表达式准确地描述它们。
多目标优化问题
多目标优化方法基本概述几个概念优化方法一、多目标优化基本概述现今，多目标优化问题应用越来越广，涉及诸多领域。
在日常生活和工程中，经常要求不只一项指标达到最优，往往要求多项指标同时达到最优，大量的问题都可以归结为一类在某种约束条件下使多个目标同时达到最优的多目标优化问题。
例如：在机械加工时，在进给切削中，为选择合适的切削速度和进给量，提出目标：1）机械加工成本最低2）生产率低3）刀具寿命最长；同时还要满足进给量小于加工余量、刀具强度等约束条件。
多目标优化的数学模型可以表示为：X=[x1,x2,…,x n ]T----------n维向量min F(X)=[f1(X),f2(X),…,f n(X)]T----------向量形式的目标函数s.t. g i(X)≤0,(i=1,2,…,m)h j(X)=0,(j=1,2,…,k)--------设计变量应满足的约束条件多目标优化问题是一个比较复杂的问题，相比于单目标优化问题，在多目标优化问题中，约束要求是各自独立的，所以无法直接比较任意两个解的优劣。
二、多目标优化中几个概念：最优解，劣解，非劣解。
最优解X*：就是在X*所在的区间D中其函数值比其他任何点的函数值要小即f(X*)≤f(X)，则X*为优化问题的最优解。
劣解X*：在D中存在X使其函数值小于解的函数值，即f(x)≤f(X*), 即存在比解更优的点。
非劣解X*：在区间D中不存在X使f(X)全部小于解的函数值f(X*).如图：在[0,1]中X*=1为最优解在[0,2]中X*=a为劣解在[1,2]中X*=b为非劣解多目标优化问题中绝对最优解存在可能性一般很小，而劣解没有意义，所以通常去求其非劣解来解决问题。
三、多目标优化方法多目标优化方法主要有两大类：1)直接法：直接求出非劣解，然后再选择较好的解将多目标优化问题转化为单目标优化问题。
2)间接法如：主要目标法、统一目标法、功效系数法等。
将多目标优化问题转化为一系列单目标优化问题。
最优化多目标规划动态规划
最优化多目标规划动态规划多目标规划是指在决策问题中同时考虑多个目标的优化问题，其目标可能相互矛盾或者相互关联。
动态规划是一种通过将问题划分为子问题并利用子问题的最优解来求解整体最优解的方法。
将多目标规划与动态规划结合起来，可以解决一些具有多个相互关联目标的决策问题。
下面将介绍最优化多目标规划动态规划的原理和应用举例。
1.定义决策变量：确定需要作出的决策，并定义决策变量。
2.建立状态转移方程：将问题划分为多个子问题，并建立它们之间的状态转移方程。
状态转移方程描述了子问题之间的关系，通过子问题之间的转移可以得到整体问题的最优解。
3.确定初始状态和边界条件：确定初始状态和边界条件，即子问题的初始状态和边界条件，用于递归地求解子问题。
4.递推求解：使用动态规划的递推求解方法，从初始状态开始，逐步求解子问题，直到求解出整体的最优解。
5.分析最优解：根据求解结果分析得到的最优解，并根据需要进行调整和优化。
假设有一家公司要进行产品的生产安排，公司有多个产品需要安排生产，每个产品有不同的生产时间和利润，同时公司还要考虑生产能力的限制和产品订单的要求。
问题可以建立如下的数学模型：决策变量：对于每个产品，决定其生产数量。
目标函数：最大化总利润。
约束条件：生产时间不能超过生产能力限制，同时生产数量要满足订单要求。
利用动态规划方法可以将问题分解为多个子问题，以子问题的最优解作为动态规划的递推依据。
具体步骤如下：1.将产品的生产时间和利润作为状态，根据时间顺序划分为多个子问题。
2.定义状态转移方程，将子问题的最优解与前面子问题的最优解关联起来。
3.初始状态为生产时间为0的情况，边界条件为订单要求。
4.递推求解，根据状态转移方程求解每个子问题的最优解。
5.分析最优解，确定每个产品的生产数量，以及总利润。
通过最优化多目标规划动态规划的方法，可以在满足多个目标和约束条件的情况下，求解出最优的决策方案。
这种方法可以应用于生产调度、资源分配、物流配送等领域，帮助企业做出合理的决策，达到优化目标。
多目标最优化模型
缺点
计算复杂度高
求解速度慢
难以找到全局最优 解
对初始解依赖性强
多目标最优化模 型的发展趋势
算法改进
进化算法：如遗传算法、粒子群算法等，在多目标优化问题中表现出色，能够找到多个非支配解。
机器学习算法：如深度学习、强化学习等，在处理大规模、高维度多目标优化问题时具有优势，能 够自动学习和优化目标函数。
金融投资
风险管理：多目标最 优化模型用于确定最 优投资组合，降低风 险并最大化收益。
资产配置：模型用于 分配资产，以实现多 个目标，例如最大化 收益和最小化风险。
投资决策：模型帮助 投资者在多个投资机 会中选择最优方案， 以实现多个目标。
绩效评估：模型用于评 估投资组合的绩效，以 便投资者了解其投资组 合是否达到预期目标。
混合算法：将多种算法进行融合，形成新的优化算法，以适应不同类型和规模的多目标优化问题。
代理模型：利用代理模型来近似替代真实的目标函数，从而加速多目标优化问题的求解过程。
应用拓展
人工智能领域的应用
金融领域的应用
物流领域的应用
医疗领域的应用
未来研究方向
算法改进：研究更高效的求解多目标最优化问题的算法 应用拓展：将多目标最优化模型应用于更多领域，如机器学习、数据挖掘等 理论深化：深入研究多目标最优化理论，提高模型的可解释性和可靠性 混合方法：结合多种优化方法，提高多目标最优化模型的性能和适用范围
资源分配
电力调度：多目标最优化模型用于协调不同区域的电力需求和供应，实现电力资源的 合理分配。
金融投资：多目标最优化模型用于确定投资组合，以最小风险实现最大收益，优化金 融资源分配。
最优化_第7章多目标及离散变量优化方法
最优化_第7章多目标及离散变量优化方法在实际问题中，往往存在多个相互关联的优化目标，这就引出了多目标优化问题。
与单目标优化问题相比，多目标优化问题更加复杂，需要综合考虑多个目标之间的平衡和权衡。
多目标优化方法可以分为基于加权法的方法和基于多目标遗传算法的方法。
其中，基于加权法的方法将多个目标函数转化为单一的综合目标函数，通过对综合目标函数的优化来求解多目标优化问题。
而基于多目标遗传算法的方法则直接将多目标函数进行优化，通过一系列的遗传算子（如选择、交叉和变异）来逐步逼近多目标的最优解。
在多目标优化问题中，离散变量的存在进一步增加了问题的复杂性。
离散变量是指变量的取值只能是有限个数中的一个，与连续变量不同。
针对离散变量的多目标优化问题，可以采用遗传算法、粒子群算法等进化计算方法进行求解。
这些算法通常会使用染色体编码来表示离散变量，采用相应的遗传算子对染色体进行进化操作。
在实际应用中，多目标及离散变量优化方法可以应用于多个领域。
举个例子，对于资源分配问题，可以将资源的分配方案和目标函数（如成本、效益、风险等）作为多个目标进行优化，得到最优的资源分配方案。
又比如，在工程设计中，可以将设计方案的多个目标（如性能、重量、成本等）作为优化目标，找到最优的设计方案。
总之，多目标及离散变量优化方法是解决实际问题中复杂优化问题的有效手段。
通过综合考虑多个目标和处理离散变量，可以得到更加全面和合理的最优解，提高问题的解决效果。
在实际应用中，需要选择合适的优化方法和算法，并针对具体问题进行适当的调整和改进，以获得更好的优化结果。
多目标最优化问题在区域经济规划中的应用探讨
多目标最优化问题在区域经济规划中的应用探讨吴吉中共阿坝州委党校摘要：随着经济的发展，区域经济日益重要。
我国有着人口多、人均资源少、基础弱等特殊的国情，做好区域经济规划有助于我国的快速持续健康发展。
本文主要探讨多目标最优化的概念以及在区域经济规划中国的应用。
关键词：多目标最优化；区域经济规划；应用探讨我国的区域经济随着经济的发展不断壮大，区域经济的规划是目前工作中的重点。
将区域经济规划做好，能够有效地进行资源配置优化，实现区域经济合理的发展。
一、区域经济规划解析区域经济规划主要是指在特定的区域范围内，对未来的经济建设进行总体的部署。
区域经济规划是国民经济、区域经济的发展战略和社会发展的部分体现，是结合了科技、经济和环境的整体形式。
科学的区域经济规划首先要对区域调研，然后进行确定区域规划发展思路，然后指导进行区域经济规划的科学分析、制定、评估和落实，区域经济规划是区域经济发展的基础。
二、区域经济规划的内容区域经济规划的范围十分庞大，根据国家相关法律法规，一般规划的内容包括生产要素、自然资源已经对经济的分析等。
（一）区域经济的发展方向我国区域经济的发展不一致，在区域经济的发展方向和规划设置上有着较大的不同。
总结起来，主要有两种具有代表性的看法。
一种就是传统的发展观念，把经济的发展认为是经济的增长，所以将区域经济的发展方向就定位经济增长；另外一种看法是比较科学的发展观念，这种观念认为社会和人才是发展的主体，经济增长只是社会进步的一种手段，更多的人认可第二种观念。
区域经济规划有三个目标。
就是生态环境的改善、社会进步以及经济增长。
这些目标互相促进又彼此联系，互相扶助又彼此制约。
比如很多的经济增长目标需要对生态环境产生影响，但是经济增长又能够建设生态环境，所以在经济增长中要注意生态环境，避免对生态环境的破坏。
（二）科学选择主导产业区域的主导产业要进行科学的选择，因为这对区域经济有着巨大的影响。
所以在区域经济规划中，选择主导产业是核心环节。
多目标最优化算法
多目标最优化算法
多目标最优化算法是一种用于解决具有多个目标的优化问题的方法。
在多目标优化中，需要同时优化多个相互冲突的目标，而不是仅仅关注单个目标的最大化或最小化。
常见的多目标最优化算法包括：
1. 权重法：通过给每个目标分配权重，将多目标问题转化为单目标问题进行求解。
2. 帕累托最优解：寻找一组非支配解，这些解在不牺牲其他目标的情况下无法进一步改进。
3. 基于进化算法的方法：如遗传算法、粒子群算法等，通过模拟自然进化过程来搜索多目标最优解。
4. 妥协方法：通过找到一组权衡各个目标的解，以获得一个可接受的折衷方案。
5. 多目标优化算法的评估通常使用帕累托前沿来比较不同算法的性能。
在实际应用中，选择合适的多目标最优化算法需要考虑问题的特点、算法的复杂度、计算资源等因素。
同时，还需要根据具体情况进行算法的改进和调整，以获得更好的优化效果。
多目标最优化算法在许多领域都有广泛的应用，如工程设计、经济决策、环境管理等。
它们帮助决策者在多个相互冲突的目标之间找到最优的权衡方案，以实现综合的最优决策。
多目标优化
求解算法 转化为单目标 实例1：投资的收益和风险
市场上有n种资产（如股票、债券、…）Si ( i=1,…n) 供投资者选择，某公司有数额为M的一笔相当大的资金可用作 一个时期的投资。公司财务分析人员对这n种资产进行了评 估，估算出在这一时期内购买Si的平均收益率，并预测出购 买Si的风险损失率。考虑到投资越分散，总的风险越小，公 司确定，当用这笔资金购买若干种资产时，总体风险可用所 投资的Si中最大的一个风险来度量。 购买Si要付交易费，费率已知，并且当购买额不超过最低限 额时，交易费按购买最低限额计算（不买当然无须付费）。 另外，假定同期银行存款年利率是1%, 且既无交易费又无风 险。试给该公司设计一种投资组合方案 目标一：使净收益尽可能大； 目标二：而总体风险尽可能小。
1. 主要目标法 在多目标优化问题中，根据问题的实际 情况，确定一个目标为主要目标，而把其余目 标作为次要目标，并且根据决策者的经验，选 取一定的界限值。这样就可以把次要目标也作 为约束来处理，于是就将原多目标问题转化为 在新的约束下，求主要目标的单目标优化问 题。
转化单目标法
2. 线性加权和法：按照m个目标 fi (x) 的重要 程度，分别乘以一组权系数，然后相加作 为目标函数。
+
约定如下： •当实际值超过目标值时，有 d − = 0, d + > 0; •当实际值未达到目标值时，有 d + = 0, d − > 0; •当实际值与目标值一致时，有 d − = 0, d + = 0.
2. 统一处理目标与约束
在目标规划中，约束可分两类，一类是对资源有严格限制 的，称为刚性约束(Hard Constraint)；例如在用目标规划 求解生产安排问题中设备A禁止超时使用，则有刚性约束
多目标最优化方法
多目标最优化方法
多目标最优化方法是指在同一优化问题中同时考虑多个目标函数并寻找使它们达到最优状态的决策变量组合。
与单目标最优化问题不同，多目标最优化问题没有单一的最优解，而是存在多个最优解，这些解通常构成一个被称为Pareto最优（Pareto optimal）集合的边界。
多目标最优化方法通常分为两类：经验法和数学规划法。
经验法包括启发式算法（如遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等）和元启发式算法（如模拟退火、禁忌搜索等），这些方法利用经验性的技巧和随机性搜索解空间。
数学规划方法则基于数学模型，常用的方法包括多目标线性规划、多目标非线性规划、多目标整数规划等。
在实际应用中，多目标最优化方法经常被用来解决各种决策问题，例如工程设计、投资组合、风险管理等。
多目标最优化方法可以帮助决策者同时优化多个目标，从而得到更全面、更灵活的解决方案。
7-1-多目标最优化
1
2
【例1】某工厂在计划期内要安排生产甲、乙两种产品。 已知制造甲产品需要A型配件5个，B型配件3个； 制 造乙产品需要A型配件2个，B型配件4个。 而在计划 期内该工厂只能提供A型配件180个，B型配件135个。 又知道该工厂每生产一件甲产品可获利润20元，一件乙 产品可获利润 15元。问在计划期内甲、乙产品应该各安 排生产多少件，才能使总利润最大 ? 将该例所述情况列成表格 : A B 利润（元） 甲 5 3 20 乙 2 4 15 现有配件 180 135
最低收获量约束
⎧11 000x11 + 9 500x12 + 9 000x13 ≥ 190 000 ⎪ ⎨8 000x21 + 6 800x22 + 6 000 x23 ≥ 130 000 ⎪14 000x + 12 000x + 10 000x ≥ 350 000 31 32 33 ⎩
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18
d+ : 决策值超过目标值的部分 d- ：决策值未达到目标值的部分 4 .目标规划的目标函数 min z = g ( d＋, d－ ) 三种基本形式： 三种基本形式： 目标类型 需要极小化 的偏差变量 fi(x)＋ d－－d＋ ＝ bi d＋ 目标规划格式
例2 引例的目标规划模型： 引例的目标规划模型： 例2
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硬约束 2 . 绝对约束、目标约束 绝对约束：必须严格满足的等式或不等式约束 绝对约束 目标约束：目标规划所特有的约束，约束右端项看作 目标约束 要追求的目标值，在达到目标值时，允许发生正或负 的偏差 软约束 例如，原材料的价格不断上涨，增加供应会使成 本提高。故不考虑再购买原材料 从而 2 x1 + x2 ≤11 是硬约束
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Isight-10-多目标优化
多目标遗传算法（MOGA）
• 多目标遗传算法(Multi-Objective Genetic Alorithm，以下记为 MOGA），不需要归一化可以直接处理多目标最优化问题。
多目标遗传算法（MOGA ）
NSGA-II方法
• NSGA-II，作为1994年发布 的NSGA(Non-Dominated SortingGenetic Algorithm)的 改良版，由K. Deb，S. Agrawal等在2000年提出。
父代探索种群是从archive中根据拥挤度进行淘汰选择生成新的父代探索种群ncga算法ncga方法是由最早的gageneticalgorithm算法发展而来它视各目标同等重要通过排序后分组进行交叉的方法实现相邻繁殖机制从而使接近于pareto前沿的解进行交叉繁殖的概率增大加速了计算收敛过程
Isight课件（10）多目标优化
Pareto解
多目标优化算法
• 主要算法
– 线性加权法——归一化 – 多目标遗传算法——NCGA – 多目标遗传算法——NSGA II
归一化方法计算机制：确定方向
归一化方法计算机制：Pareto解的计算（续）
• 进一步思考的话，我们可以得知，如果变化根据w导入的等值面（线） 的倾斜度，就可以在图中Pareto前沿上显示出全部的Pareto解。这与 变化权重 w相对应。
Isight 多目标遗传算法求解悬臂梁3 目标优化 ——重量、强度 、变形
\lab_第10章_多目标优化\beam.zmf
回顾：悬臂梁减重优化——单目标、 两变量版
演示：悬臂梁减重优化——三目标、四变量版
NSGAII
NSGAII 20x25→99 Pareto Points
NCGA
最优化_第7章 多目标及离散变量优化方法
四. 常用的求选好解的方法： 1、主要目标法 2、统一目标函数法：线性加权因子法、极大极小… 3、功效系数法 4、分层序列法
§7.2 多目标优化方法
一．主要目标法
思想:抓住主要目标，兼顾其他要求。（选择一个目标作 为主要目标，将其他目标转化成约束条件）
原模型: 转变后模型:
f
2 max
当x=b,
f2(X)取得最差值
f
2 min
f
f
1 max
f
2 max
f1
f
1 min
f
2 min
0 a x1 x2
f2 bx
随着设计变量X的值不断增大，目标函数 f1(X)的值越来越好，目标函数 f2(X)的值越来越差
§7.1 多目标优化问题
一. 多目标问题的数学模型：
设 X =[x1, x2 , …,xn]T
6
f1(X)
4．分层序列法及宽容分层序列法
分层序列法：将多目标优化问题中的l个目标函数分清主次， 按重要程度排序，然后依次对各个目标函数 求最优解。后一目标应在前一目标最优解的 集合域内寻优。
假设f1(X)最重要， f2(X)其次， f3(X)再其次, … 首先对第一个目标函数f1(X)求解
miXn f1D(X ) 求出最优解域 f1 *
min f1(X), f2 (X), …fq (X), X∈Rn
s.t. gu(X) ≤ 0
u = 1,2,…,m
hv(X) = 0
v = 1,2,…, p
min fk(X)
X∈Rn
s.t. fi(X) ≤ fi0
i = 1,2,,…,k-1,k+1,…q
多目标最优化的粒子群算法
多目标最优化的粒子群算法多目标最优化问题是指在一个问题中同时优化多个目标函数，这些目标函数通常是相互冲突的，无法通过改变一个目标而不影响其他目标。
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，它受到鸟群觅食行为的启发，通过模拟鸟群中的个体在解空间中的和信息交流来寻找问题的最优解。
在多目标最优化问题中，粒子群优化算法也可以被扩展为多目标优化版本，即多目标粒子群优化算法（Multi-Objective Particle Swarm Optimization, MOPSO）。
多目标粒子群优化算法的核心思想是利用非支配排序将种群中的个体划分为多个不同的前沿（Pareto Front），每个前沿上的解都是最优解的候选。
根据个体之间的支配关系和拥挤度，确定前沿上的个体，并通过粒子群算法进行和优化。
为了保持种群的多样性，采用了一个外部存档来存储过去迭代中的非支配解，以避免陷入局部最优。
多目标粒子群优化算法的步骤如下：1.初始化种群：设定种群规模、粒子的初始位置和速度，以及其他算法参数。
2.非支配排序：根据个体之间的支配关系对种群中的解进行排序。
3.拥挤度计算：计算种群中个体的拥挤度，通过衡量个体周围解的密度来保持前沿上的均匀分布。
4.外部存档更新：根据非支配排序和拥挤度计算结果，更新外部存档中的非支配解。
5.速度和位置更新：根据粒子群算法的速度和位置更新规则，更新每个粒子的速度和位置。
6.达到停止条件：判断是否满足停止条件，如达到最大迭代次数或找到满意的近似解。
7.重复步骤2至6，直到满足停止条件。
多目标粒子群优化算法相比单目标版本有以下几个特点：1.非支配排序：非支配排序用于划分种群中的解为多个前沿。
支配关系的判断通常使用帕累托支配方法。
2.拥挤度计算：拥挤度计算用于保持前沿上的均匀分布，避免解集中在其中一区域。
3.外部存档更新：外部存档用于存储过去迭代中的非支配解，保证多样性。
数据驱动的多目标最优化算法
数据驱动的多目标最优化算法随着大数据时代的到来，数据驱动的算法成为了各个领域研究的热点之一。
在优化问题中，多目标最优化是一个重要的领域，它涉及到在多个目标之间寻找最好的平衡点。
本文将介绍数据驱动的多目标最优化算法，探讨其应用和优势。
数据驱动的多目标最优化算法是一种基于数据分析和学习的方法，旨在通过有效地利用已有数据来解决多目标最优化问题。
传统的多目标最优化算法通常基于数学模型和优化策略，需要对问题进行抽象和建模，并依靠先验知识和经验来指导求解过程。
然而，在真实场景中，问题往往很复杂，目标之间存在相互制约和冲突，难以通过传统的手工建模方法来求解。
而数据驱动的多目标最优化算法则可通过分析数据中的模式和规律，直接从数据中学习优化策略，从而有效地解决这类问题。
数据驱动的多目标最优化算法的核心思想是从数据中学习到的知识来指导决策，从而实现最优化。
在开始求解之前，首先需要收集和准备相关的数据。
数据可以包括历史数据、实验数据以及领域专家的经验知识。
接下来，通过数据分析和挖掘算法，对数据进行处理和分析，从中提取出隐藏的模式和规律。
然后，将学习到的知识应用到具体的优化问题中，在多个目标之间找到最佳的平衡点。
最后，通过迭代和优化算法，不断优化并改进求解结果，达到多目标最优化的目标。
数据驱动的多目标最优化算法具有以下优势。
首先，它能够充分利用已有的数据资源，避免了传统方法中需要大量的手工建模和参数调整工作，降低了人力成本和时间成本。
其次，由于从数据中学习到的知识是基于大量实例的统计特征，因此具有较好的泛化能力，能够适应不同的问题场景和数据分布。
此外，数据驱动的算法还具有较强的自适应性，能够根据新的数据和问题动态调整优化策略，提高求解的效果和效率。
数据驱动的多目标最优化算法在实际应用中有着广泛的应用。
以供应链管理为例，传统的供应链优化问题通常涉及多个冲突的目标，如成本最小化和库存最小化。
而通过收集供应链各个环节的相关数据，并应用数据驱动的多目标最优化算法，可以有效地实现供应链优化，减少成本并提高效率。
多目标优化方法及实例解析
方法一 效用最优化模型（线性加权法）
思想：规划问题的各个目标函数可以通过一定的方式 进行求和运算。这种方法将一系列的目标函数与效用 函数建立相关关系，各目标之间通过效用函数协调， 使多目标规划问题转化为传统的单目标规划问题：
max Z ( X )
（1）
s.t. ( X ) G （2）
是与各目标函数相关的效用函数的和函数。
X
)
0
(
X
)
2
(X
)
0
m ( X ) 0
在求解之前，先设计与目标函数相应的一组目标值理想
化的期望目标 fi* ( i=1,2,…,k ) ,
每一个目标对应的权重系数为 i* ( i=1,2,…,k ) ， 再设 为一松弛因子。
那么，多目标规划问题就转化为：
f1( X )
min
在用效用函数作为规划目标时，需要确定一组权值 i
来反映原问题中各目标函数在总体目标中的权重，即：
k
max i i
i1
i ( x1, x2,xn ) gi (i 1,2,, m)
式中， i 应满足：
k
i 1
i 1
向量形式： max T
s.t. ( X ) G
方法二 罚款模型（理想点法）
1( X )
g1
s.t.
(
X
)
2(X
)
G
g2
m ( X )
gm
式中： X [ x1, x2 ,, xn ]T 为决策变量向量。
缩写形式： max(min)Z F ( X ) s.t. ( X ) G
（1） （2）
有n个决策变量，k个目标函数， m个约束方程， 则：
《多目标优化》课件
多目标优化算法分类
01
基于排序的方法
通过将多目标问题转化为单目标问题，寻求一个排序方案，以解决多目
标优化问题。常见的算法包括非支配排序遗传算法（NSGA-II）和快速
非支配排序遗传算法（FAST-NSGA-II）等。
02
基于分解的方法
将多目标问题分解为多个单目标子问题，分别求解子问题，再通过聚合
子问题的解得到原问题的解。常见的算法包括优先级规则法、权重和法
降温系数
降温系数决定了算法的降温速度，较 大的降温系数可能导致算法早熟，而 较小的降温系数则可能导致算法收敛 速度慢。
随机游走策略
随机游走策略决定了新解的产生方式 ，对于多目标优化问题，需要采用合 适的Pareto占优关系和支配关系来指 导新解的产生。
05
多目标优化应用案例
案例一：电力系统的多目标优化
多目标优化
同时考虑多个目标函数，寻求在各目标之间取得 平衡的最优解。
算法流程
非支配排序
对种群中的个体进行非支配排 序，形成一系列的层级。
交叉和变异操作
通过交叉和变异产生新的个体 ，丰富种群的多样性。
初始化种群
随机生成一定数量的初始解作 为种群。
选择操作
根据个体的非支配层级和拥挤 度等信息，选择优秀的个体进 行交叉和变异操作。
等。
03
基于群智能的方法
利用群智能算法的并行性和全局搜索能力，寻找多目标优化问题的满意
解集。常见的算法包括粒子群优化算法、蚁群优化算法等。
02
非支配排序遗传算法（NSGA-II）
算法原理
遗传算法
基于生物进化原理，通过选择、交叉、变异等操 作，不断优化解的适应度。
非支配排序
多目标最优化问题常用求解方法
多目标最优化问题常用求解方法在这个快节奏的时代，我们每个人都像个多面手，试图在工作、生活、家庭和个人兴趣之间找到一个平衡点。
你有没有想过，科学界也面临着类似的挑战？没错，今天我们要聊的就是“多目标最优化问题”，这听起来像个高深的数学问题，但其实和我们日常生活息息相关。
说白了，就是如何在多个目标中找到最佳方案，简直就像你在选择晚餐时，想吃披萨、汉堡又不想胖，这可咋办？1. 什么是多目标最优化？多目标最优化，顾名思义，就是在一个问题中，有多个需要优化的目标。
就好比你想在考试中既考得高分，又希望能留点时间玩游戏。
很显然，两个目标是有点冲突的。
在数学中，这就需要我们找到一个折中的方案，尽可能让两个目标都满意。
这个过程听起来简单，但实际上可没那么容易，尤其是在目标彼此矛盾时。
1.1 多目标的复杂性想象一下，如果你是个商家，想要最大化利润的同时，又想减少生产成本。
这就像在沙滩上走路，两只脚却在不同的方向移动，走起来可真费劲！所以，优化的过程中，我们常常会遇到“帕累托前沿”这个概念，听起来高大上，其实就是找一个折衷的方案，让各个目标都尽量满意。
1.2 常见的求解方法说到求解方法，我们可就要聊聊那些“招数”了。
首先是“权重法”，这就像做菜时加盐，你需要决定到底放多少，才能让整道菜刚刚好。
把各个目标赋予不同的权重，然后统一成一个目标进行优化，简单有效。
但问题是，权重的设置就像量体裁衣，得小心翼翼，稍不留神就可能“翻车”。
2. 经典算法那么，还有哪些经典的算法可以解决这些麻烦呢？来，接着往下看。
2.1 进化算法进化算法就像自然选择，你总是能看到那些更强壮的个体存活下来。
这种方法通过模拟自然选择的过程，逐步逼近最优解。
听起来很神奇吧？而且这一方法还挺受欢迎，特别是在复杂的多目标问题中，它能在短时间内找到不错的解，真是个“快枪手”！2.2 粒子群优化再说说粒子群优化，这就像一群小鸟在空中飞舞，每只鸟都有自己的目标，同时也受到其他鸟的影响。
巴班斯基最优化理论
巴班斯基最优化理论巴班斯基最优化理论的核心思想是在多目标最优化问题中引入额外的响应函数。
传统的多目标最优化问题通常会有多个冲突的目标函数，而巴班斯基最优化理论则通过添加额外的响应函数将多个目标函数转化为一个单目标函数。
这个响应函数的作用是综合各个目标函数之间的权重关系，将多个目标之间的冲突问题转化为一个单目标的最优化问题。
F(x)=∑(f_i(x)-q_i)^2其中，x为决策变量向量，f_i(x)为第i个目标函数，q_i为该目标函数的期望值。
通过最小化目标函数与期望值之间的差距，可以得到一个最优解。
巴班斯基最优化理论的核心优势在于充分考虑了决策者的预期值和目标函数之间的冲突关系。
通过引入期望值的概念，可以更好地反映决策者对不同目标的重要性和优先级。
通过设置不同的期望值，可以得到不同的解，并帮助决策者更好地理解和分析问题。
此外，巴班斯基最优化理论还可以应用于帕累托最优解的求解。
帕累托最优解是指在多目标最优化问题中，任何一个目标函数的改进都将导致其他目标函数的恶化。
通过引入额外的响应函数，可以找到使得多个目标函数都达到最优的解，从而得到帕累托最优解。
然而，巴班斯基最优化理论也存在一些不足之处。
首先，在实际应用中，需要明确设置目标函数的期望值。
这需要大量的主观判断和领域知识，有时会给决策者带来困扰。
其次，巴班斯基最优化理论对于非线性多目标最优化问题的求解不够高效。
在这种情况下，需要采用其他更复杂的算法和技术来求解。
综上所述，巴班斯基最优化理论是一种十分重要的多目标最优化方法。
通过引入额外的响应函数，它成功地将多个目标函数之间的冲突问题转化为一个单目标的最优化问题，并帮助决策者更好地理解和分析问题。
然而，巴班斯基最优化理论依然存在一些局限性，需要在实际应用中谨慎使用。
多目标最优化问题
§8.1多目标最优化问题的基本原理一、多目标最优化问题的实例例1 梁的设计问题设用直径为1的圆木加工成截面积为矩形的梁，为使强度最大而成本最低，问应如何设计梁的尺寸？解： 设梁的截面积宽和高分别为和1x 2x 强度最大=惯性矩最大22161x x =成本最低=截面积最小=21x x 故数学模型为： min 1x 2xmax 22161x x.st 22121x x += ，10x ≥20x ≥例2 买糖问题已知食品店有,, 三种糖果单价分别为4元∕公斤，2.8元∕公斤， 1A 2A 3A2.4元∕公斤，今要筹办一次茶话会，要求用于买买糖的钱不超于20元，糖的总量不少于6公斤，，两种糖的总和不少于3公斤，问应如何确1A 2A 定买糖的最佳方案？ 解：设购买,, 三种糖公斤数为，， 1A 2A 3A 1x 2x 3x1A 2A 3A重量1x 2x 3x单价 4元∕公斤 2.8元∕公斤 2.4元∕公斤++ （用钱最省）min 14x 22.8x 32.4x ++（糖的总量最多）max 1x 2x 3x++ (用钱总数的限制).st 14x 22.8x 32.4x 20≤ ++ （用糖总量的要求）1x 2x 3x 6≥ +（糖品种的要求）1x 2x 3≥， ， 1x 2x 3x 0≥是一个线性多目标规划。
二、 多目标最优化的模型12min ()((),(),.....())Tm V F x f x f x f x -= .st ()0g x ≥()0h x ≥多目标规划最优化问题实际上是一个向量函数的优化问题，当m=1,多目标优化就是前面讲的单目标优化问题三、解的概念1.序的概念12,.....()Tm a a a a =12,.....()Tmb b b b = （1） b a =⇔a iib =1,2....i m = （2） 称小于等于a b ≤⇔a i ib ≤1,2....i m =a b （3） 且，使，则小于向量a b <=⇔a i ib ≤∃1≤j ≤m a j j b ≠a b （4） 称严格小于a <b ⇔a i ib <1,2....i m =a b 绝对最优解：设多目标最优化问题的可行域为，,如果对D *x ∈D x∀,都有,则称为多目标最优化的绝对最优解，称绝对最优D ∈*()()F F x x <*x解的全体为绝对最优解集，记 ，absolute —绝对ab R 有效解：可行域为，,如果不存在,使，则称D *x ∈D x D ∈*()()F F x x <=为有效解，也称pareto 最优解，称有效解的全体为有效解集，记是*x pa R 由1951年T.C.Koopmans 提出的。
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1
【例1】某工厂在计划期内要安排生产甲、乙两种产品。 已知制造甲产品需要A型配件5个，B型配件3个； 制 造乙产品需要A型配件2个，B型配件4个。 而在计划 期内该工厂只能提供A型配件180个，B型配件135个。 又知道该工厂每生产一件甲产品可获利润20元，一件乙 产品可获利润15元。问在计划期内甲、乙产品应该各安 排生产多少件，才能使总利润最大? 将该例所述情况列成表格: A B 利润（元）
（2）原材料的价格不断上涨，增加供应会使成本提高。 故不考虑再购买原材料。 （3）为提高效率，应充分利用设备，但不希望加班。 （4）市场虽发生变化，但利润应尽可能达到或超过56 元。 此时的决策是多目标决策问题——目标规划方 法是解决这类决策问题的方法之一。
14
与建立目标规划模型有关的概念
1. 正、负偏差变量d+,dd+ : 决策值超过目标值的部分
9
缺点：难处在于如何寻到合理的权系数。 例如建设高速公路时，既希望减少开支又希望降低 交通伤亡事故，此时能否用金钱来衡量一个人的生命 价值呢？ 2. 序列或优先级法： 序列或优先级法不是对每个目标加权，而是按照目标 的轻重缓急，将其分为不同等级再求解。 优点：避免了权系数的困扰，绝大多数决策者都能采 用，事实上他们在许多决策中也正是这样做的。 例如决定人员的提升时，许多单位是按其工作态度、 工作能力及对单位的有效价值等这样一个先后顺序来 进行评定的。
10
x1 + 2x2 ≤ 10
约束条件 2x1 + x2 ≤11 x1 + 2x2 ≤ 10 x1 , x2 ≥ 0
8x1+10x2=c
8
6
4
2
1
2
34Βιβλιοθήκη 56可用图解法求得最优决策方案为： x1*=4, x2*=3, z*=62
2x1 + x2 ≤11
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在实际决策时，还应考虑市场等一系列其他条件，如： （1）市场调查发现：Ⅰ的销量有下降趋势，故应考虑 适当减少Ⅰ的产量增加Ⅱ的产量，使Ⅰ＜ Ⅱ
安排生产：产品批量尽可能大
4
一个计划问题实际上是一个多目标决策问题。只 是由于需要用线性规划来处理，计划人员才不得不 从众多目标要求中硬性选择其一，作为线性规划的 目标函数 。 但这样做的结果可能严重违背了某些部门的愿望， 因而使生产计划的实施受到影响；或者在一开始就 由于多方面的矛盾而无法从多个目标中选出一个目 标来。
8
求解多目标决策常用的三种方法（或思想）：
1. 加权或效用系数法 2. 序列或优先级法 3. 有效解（非劣解）法
1. 加权法：
加权法把问题中的所有目标用统一的单位来度量（例 如用钱或效用系数） 这种方法的核心是把多目标模型化成单目标模型。 优点：适于计算机求解 （例如模型是线性的时候可用一般的单纯形法求解）
7
1961年，查恩斯(A.Charnes)和库柏(W.w.CooPer)提 出目标规划(goal programming)，得到广泛重视和较快 发展。 目标规划在处理实际决策问题时，承认各项决策要求 (即使是冲突的)的存在有其合理性；在作最终决策时， 不强调其绝对意义上的最优性。 因此，目标规划被认为是一种较之线性规划更接近于 实际决策过程的决策工具 。
11
目标规划引例： 利润最大化问题
某工厂在计划期内要安排生产Ⅰ、 Ⅱ两种产品，已知 有关数据如下表所示： Ⅰ Ⅱ 拥有量 2 1 11 原材料 kg 1 2 10 设备台时 hr 8 10 利润 元/件 试求获利最大的方案。
解：这是一个单目标规划问题，可用线性规划模型表 述为：
12
目标函数
max z = 8x1+10x2
甲 5 3 20
乙 2 4 15
现有配件 180 135
2
设x1、x2分别表示生产甲、乙产品的件数，Z表示 总利润，当用线性规划来描述和解决这个问题时， 其数学模型为
max Z 20 x1 15 x2 s.t. 5 x1 2 x2 180 3x1 4 x2 135 x 0, x 0 1 2 x1 , x2为整数
d-
：决策值未达到目标值的部分
恒有 d+×d-=0
例如目标 z = 8x1+10x2 ≥56 可以变化为目标约束： 8x1+10x2+d1--d1+＝56 当d1 - ＝0时，目标约束与目标等价 绝对约束 2x1 + x2 ≤11 可以变换为目标约束： 2x1 + x2 +d2--d2+＝11 当d2+＝0时，目标约束与绝对约束等价
最优值：775 x1: 32
x2: 9
3
但是，如果站在工厂计划人员的立场上对此进行评 价的话，问题就不是这么简单了。
第一，这是一个单目标最优化问题。但是，一般来 说，一个计划问题要满足多方面的要求。例如 财务部门 利润目标：利润尽可能大
物资部门
销售部门
节约资金：消耗尽可能小
适销对路：产品品种多样
计划部门
5
第二，线性规划有最优解的必要条件是其可行解集 非空，即各约束条件彼此相容。但是，实际问题 有时不能满足这样的要求 。 例如，由于设备维修、能源供应、其它产品生产需 要等原因，计划期内可以提供的设备工时不能满足 计划产量工时需要 。 或由于储备资金的限制，原材料的最大供应量不 能满足计划产量的需要 。
10
缺点：难处在于如何确切地定出各个目标的优先顺序 以获得满意的求解结果。 即没有任何其他方案 能在各个方面完全胜 出这个解
3. 有效解（或非劣解）法：
有效解（或非劣解）法“不会产生”象加权法或优先 级法所具有的局限性，它将找出全部有效解集（即非 劣解）以供决策者从中挑选。 缺点：难处在于实际问题中非劣解太多，难于一一推 荐给决策者。
6
第三，线性规划解的可行性和最优性具有十分明确 的意义，但那都是针对特定数学模型而言的。 在实际问题中，决策者在作决策时，往往还会对 它作某种调整和修改，其原因可能是由于数学模 型相对于实际问题的近似性 建模时对实际问题的抽象 近似性
建模时未考虑到的新情况 决策者需要计划人员提供的不是严格的数学上的最 优解，而是可以帮助做出最优决策的参考性的计划， 或是提供多种计划方案。