动态多目标优化进化算法及其应用(刘淳安著)思维导图
多目标进化算法总结
MOGAi x 是第t 代种群中个体，其rank 值定义为：()(,)1t i i rank x t p =+()t i p 为第t 代种群中所有支配i x 的个体数目适应值（fitness value ）分配算法：1、 将所有个体依照rank 值大小排序分类；2、 利用插值函数给所有个体分配适应值（从rank1到rank *n N ≤），一般采用线性函数3、 适应值共享：rank 值相同的个体拥有相同的适应值，保证后期选择时同一rank 值的个体概率相同最后采用共享适应值随机选取的方法选择个体进入下一代一种改进的排序机制（ranking scheme ）： 向量,1,(,,)a a a q y y y =⋅⋅⋅和,1,(,,)b b b q y y y =⋅⋅⋅比较 goal vector ：()1,,q g g g =⋅⋅⋅ 分为以下三种情况： 1、()(),,1,,1; 1,,;1,,; a i i a j j k q i k j k q y g y g ∃=⋅⋅⋅-∀=⋅⋅⋅∀=+⋅⋅⋅>∧≤2、(),1,,; a i i i q y g ∀=⋅⋅⋅>当a y 支配b y 时，选择a y 3、(),1,,; a j j j q y g ∀=⋅⋅⋅≤ 当b y 支配a y 时，选择b y优点：算法思想容易，效率优良 缺点：算法容易受到小生境的大小影响 理论上给出了参数share σ的计算方法NPGA基本思想： 1、初始化种群Pop2、锦标赛选择机制：随机选取两个个体1x 和2x 和一个Pop 的 子集CS(Comparison Set)做参照系。
若1x 被CS 中不少于一 个个体支配，而2x 没有被CS 中任一个体支配，则选择2x 。
3、其他情况一律称为死结（Tie ），采用适应度共享机制选择。
个体适应度：i f小生境计数（Niche Count ）：(),i j Popm Sh d i j ∈=⎡⎤⎣⎦∑共享函数：1-,()0,share shareshare d d Sh d d σσσ⎧≤⎪=⎨⎪>⎩共享适应度（the shared fitness ）：iif m选择共享适应度较大的个体进入下一代优点：能够快速找到一些好的非支配最优解域 能够维持一个较长的种群更新期 缺点：需要设置共享参数需要选择一个适当的锦标赛机制限制了该算法的实际应用效果NPGA II基本思想： 1、初始化种群Pop2、Pareto 排序：非支配个体rank=0；其余个体 rank=支配该个体的个体数目3、锦标赛选择机制：种群中任选两个个体1x 和2x ， 若()()12rank x rank x <，则选择1x ； 若是()()12rank x rank x =，称为死结（Tie ）， 采用适应度共享机制选择。
多目标优化PPT课件
约束一维多目标优 化设计解的情况。 在可行域[0，1]中， 绝对最优解发生在 x*=1处。 存在绝对最优解 （x*，F*）
n=2 m=2约束多目标 优化设计解的情 况，点x*为最优 点。
12
2有效解（非裂解）与劣解 定义二：对于一般表达式，若有设计点x∈D，不存在任意 的x∈D，使F(x) ≤F(x*)成立，或fj(x) ≥fj(x*)，对于所有的 j=1，2，……m成立。则称x*为有效解或非劣解。 例7.1 一个二维分目标（n=1，m=2）的多目标优化问题为
3
设计变量愈多,维数愈高，设计的自由度越大，容易得到 较理想的优化结果；但维数越高，会使目标函数，约束函 数所包含的变量增多，导致计算量增大，并使优化过程更 为复杂及降低解题的效率。所以，在建立目标函数时，确 定设计变量的原则是在满足设计要求得前提下，将尽可能减 少设计变量的个数，即降低维数。
按设计问题维数的大小，通常把优化设计问题规模分为 三类：
在许多实际设计中，一个设计方案又企望有几项设计指 标同时都达到最优值，这种在优化设计中同时要求两项极其 以上设计指标达到最优值得问题，成为多目标优化设计，目 标函数称为多目标函数。
8
7.3.1多目标优化设计数学模型
优化设计中，若有m个设计指标表达的目标函数要求同时 达到最优，则表示为
上式称为向量目标函数，是多目标函数； 式中的f1(x),f2(x),……，fm(x)称为目标函数中的各分目标函数。
第七章 关于机械优化设计当中的 几个问题
➢建立优化数学模型的有关问题 ➢数学模型中的尺度变换 ➢多目标函数优化设计 ➢关于离散变量的优化设计问题 ➢优化方法的选择及评价准则
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7.1建立优化数学模型的有关问题
优化数学模型总体包含：设计变量，目标函数，约束条件
6多目标、动态优化
第1步：构造P1 级目标构成的单目标线性
minZ= P1d1++P2(2d2-+d2+)+P3(d3-)
2X1+X2 11
X1 -X2 +d1- -d1+=0 X1 +2X2 +d2- -d2+=10
绝对约束
minZ1=d1+
2X1+X2 11
X1 -X2 +d1- -d1+=0
X* =(50,100) Z* =13000
（2）从目标规划角度考虑——理想值
理想值（期望值）：去年总收益9000，
期望增长11.1%，即希望今年总收益达
到10000
❖ 理想值已经确定 ❖ 允许计算值（决策值）小于或大于理想值 ❖ 希望计算值与理想值之间的（负）差别尽
可能小
（2）从目标规划角度考虑——正、负偏差
X1 , X2 , di- , di+ 0
小结
目标规划的基本思想是，给定若干目标以及实现 这些目标的优先顺序，在有限的资源条件下，使 总的偏离目标值的偏差最小
1）约束条件 ❖ 硬约束(绝对约束) ❖ 软约束 (目标约束)，引入d -, d + 2）目标优先级与权因子
❖ P1 P2 … PL
❖ 同一级中可以有若干个目标：P21 , P22 ,P23 … ❖ 其重要程度用权重系数W21 ,W22 ,W23 …表示
2X1+4X2 500 4X1+2X2 400 X1 , X2 0
GP： Min Z= d100X1+80X2 -d++d- =10000
4X1+2X2 400 2X1+4X2 500 X1 , X2 , d- , d+ 0
3多目标进化算法
开始 产生初始种群P 用EA进化P得新群体R 构造P∪R的非支配集Nset 调整Nset的规模并使之满足分布性要求
是
满足终止条件
否
输出结果，结束
P<=Nset
• 在MOEA中，保留上一代非支配集，并使之 参入新一代的多目标进化操作是非常重要 的，这类似于进化算法中保留上一代的最 优个体，从而使新一代的非支配集不比上 一代差，这也是算法收敛的必要条件。这 样，一代一代的进化下去，进化群体的非 支配集不断地逼近真正的最优边界(true pareto optimal front)，最终得到满意的解集 (不一定是最优解集)。
MOEA分类
• 按选择机制的不同(Coello Coello et al. 2004)，可以将MOEA 分为： • 聚集函数(aggregating functions) • 基于群体的方法(population-based approaches) • 基于Pareto的方法(pareto-based approaches)
• 按决策方式的不同，Coello Coello等将多目 标进化算法分为三大类(Coello Coello et al. 2002)： • 前决策技术(priori technique) • 交互决策技术(progressive technique) • 后决策技术(posteriori technique)
f1
A B
G
H K I J L D E F f2
C
个体之间的支配关系
• 对两个变量(个体)x和y进行比较时，可能存在三 种关系：x大于y，x等于y，x小于y。在多目标情 况下，由于每个个体有多个属性，比较两个个体 之间的关系不能使用简单的大小关系。如两个目 标的个体(2, 6)和(3, 5)，在第一个目标上有2小于 3，而在第二个目标上又有6大于5，这种情况下 个体(2, 6)和(3, 5)之间的关系是什么呢？另一种 情况，如个体(2, 6)和(3, 8)，它们之间的关系又 是什么呢？当目标数大于2时，又如何比较不同个 体之间的关系呢？
多目标优化问题及其算法的研究
多目标优化问题及其算法的研究摘要：多目标优化问题(MOP)由于目标函数有两个或两个以上，其解通常是一组Pareto最优解。
传统的优化算法在处理多目标优化问题时不能满足工业实践应用的需要。
随着计算机科学与生命信息科学的发展，智能优化算法在处理多目标优化问题时更加满足工程实践的需要。
本文首先研究了典型多目标优化问题的数学描述，并且分析了多目标优化问题的Pareto 最优解以及解的评价体系。
简要介绍了传统优化算法中的加权法、约束法以及线性规划法。
并且研究了智能优化算法中进化算法(EA)、粒子群算法(PSO)和蚁群优化算法(ACO)。
关键词：多目标优化问题；传统优化算法；进化算法；粒子群算法；蚁群优化算法中图分类号：TP391 文献标识码：AResearch of Multi-objective Optimization Problem andAlgorithmAbstract: The objective function of Multi-objective Optimization Problem is more than two, so the solutions are made of a term called best Pareto result. Traditional Optimization Algorithm cannot meet the need of advancing in the actual industry in the field of the Multi-objective Optimization Problem. With the development in computer technology and life sciences, Intelligent Optimization Algorithm is used to solve the Multi-objective Optimization Problem in the industry. Firstly, the typical mathematic form of the Multi-objective Optimization Problem, and the best Pareto result of Multi-objective Optimization Problem with it’s evaluate system were showed in this paper. It’s take a brief reveal of Traditional Optimization Algorithm, such as weighting method, constraint and linear programming. Intelligent Optimization Algorithm, including Evolutionary Algorithm, Particle Swarm Optimization and Ant Colony Optimization, is researched too.Keyword:Multi-objective Optimization Problem; Traditional Optimization Algorithm; Evolutionary Algorithm; Particle Swarm Optimization; Ant Colony Optimization.1引言所谓的目标优化问题一般地就是指通过一定的优化算法获得目标函数的最优化解。
多目标优化方法及实例解析ppt课件
s.t. (X )G（2）
是与各目标函数相关的效用函数的和函数。
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
maxii
i1
i ( x 1 , x 2 , x n ) g i ( i 1 , 2 , , m )
1(X)
g1
s .t.
( X)
2(X)
G
g2
m(X)
gm
式中： X [x 1 ,x 2 , ,x n ] T为决策变量向量。
缩写形式：
max(Zm Fi(n X)) （1） s.t. (X )G （2）
有n个决策变量，k个目标函数， m个约束方程， 则：
Z=F(X) 是k维函数向量， (X)是m维函数向量； G是m维常数向量；
在图1中，max(f1, f2) .就 方案①和②来说，①的 f2 目标值比②大，但其目 标值 f1 比②小，因此无 法确定这两个方案的优 与劣。
在各个方案之间， 显然：④比①好，⑤比 ④好, ⑥比②好, ⑦比 ③好……。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
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二 多目标规划求解技术简介
为了求得多目标规划问题的非劣解，常常需要将 多目标规划问题转化为单目标规划问题去处理。实现 这种转化，有如下几种建模方法。
✓ 效用最优化模型 ✓ 罚款模型 ✓ 约束模型 ✓ 目标达到法 ✓ 目标规划模型
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：
多目标进化算法性能评价指标综述
多目标进化算法性能评价指标综述多目标进化算法（Multi-objective Evolutionary Algorithms，MOEAs）是一类优化算法，用于解决具有多个目标函数的多目标优化问题。
MOEAs在解决多目标优化问题上具有很强的适应性和鲁棒性，并在许多领域有着广泛的应用。
为了评价MOEAs的性能，人们提出了许多指标。
这些指标可以分为两类：一类是针对解集的评价指标，另一类是针对算法的评价指标。
首先，针对解集的评价指标主要用于从集合的角度评价解集的性能。
常见的解集评价指标有：1. Pareto前沿指标：衡量解集的覆盖度和质量。
Pareto前沿是指在多目标优化问题中不可被改进的解的集合。
Pareto前沿指标包括Hypervolume、Generational Distance、Inverted Generational Distance等。
2. 支配关系指标：衡量解集中解之间支配关系的分布情况。
例如，Nondominated Sorting和Crowding Distance。
3. 散度指标：衡量解集中解的多样性。
例子有Entropy和Spacing 等。
4.非支配解比例：衡量解集中非支配解的比例。
非支配解是指在解集中不被其他解支配的解。
除了解集评价指标，人们还提出了一些用于评价MOEAs性能的算法评价指标，例如：1.收敛性：衡量算法是否能找到接近最优解集的解集。
2.多样性：衡量算法是否能提供多样性的解。
3.计算效率：衡量算法是否能在较少的计算代价下找到高质量的解集。
除了上述指标，还有一些用于评价MOEAs性能的进阶指标，例如：1.可行性：衡量解集中的解是否满足的问题的约束条件。
2.动态性：衡量算法在动态环境中的适应性。
3.可解释性：衡量算法生成的解是否易于被解释和理解。
以上只是一些常用的指标，根据具体的问题和应用场景，还可以针对性地定义其他指标来评价MOEAs性能。
综上所述，MOEAs性能的评价是一个多方面的任务，需要综合考虑解集的质量、表示多样性以及算法的计算效率等方面。
多目标优化方法讲义(PPT64张)
决策空间 可行域
目标空间 可行域
示例2
m i n( F X ) f ( Xf ) ,2 ( X ) 1
T
3 6 4 1 1 L 3 f ( X ) x ( ) 2 1 4 4 4 4 4 4 3 E Dx Dx Dx 2 2 61 2 1 2 9.78 10 x1 s.t. g1 ( X ) 180 0 7 4 4.096 10 x2
4
2 1 2
2 2
1
2 1
2 2
3 6 4 1 1 L 3 f ( X ) x (4 4 4 4 ) 4 4 2 1 3 E Dx Dx Dx 2 2 1 2 1 2
9.78 106 x1 s.t. g1 ( X ) 180 0 7 4 4.096 10 x2 g2 ( X ) 75.2 x2 0 g3 ( X ) x2 40 0 g4 ( X ) x1 0
(1) (1) (1)
(1)
( 2)
, fm ( X )
(1) (2)
T
F(X
(2)
) f1 ( X
(2)
), f2 ( X
(2)
),
, fm ( X ) , m) X (2)
T
若对于每一个分量，都有 fl ( X (1) ) fl ( X (1) ) (l 1, 2, 则显然，X (1)优于X (2)，记为X (1)
向量不等式的含义为
p p f ( X ) f ( X ) j 1 , 2 , , m , 但 至 少 有 一 个 f ( X ) f ( X ) j j l l
决策空间 非劣解集
如何一文读懂「进化策略」？这里有几组动图！
如何⼀⽂读懂「进化策略」？这⾥有⼏组动图！原⽂来源：「雷克世界」编译：嗯~阿童⽊呀本⽂将借助于⼀些视觉实例，阐述进化策略（Evolution Strategies，ES）是如何进⾏⼯作的。
为了能够让读者更为容易地了解更多详细信息，将尽量保持⽂中所涉及的等式简明易懂，同时附加原始⽂章的链接。
这是⼀系列⽂章中的第⼀篇⽂章，计划展⽰该如何将这些算法应⽤于MNIST、OpenAI Gym、RobSchool以及PyBullet环境的⼀系列任务中。
介绍神经⽹络模型具有很强的表达性和灵活性，如果我们能够找到合适的模型参数的话，那么就可以使⽤神经⽹络，解决许多具有挑战性的问题。
深度学习的成功很⼤程度上来⾃于使⽤反向传播算法有效地计算⽬标函数在每个模型参数上的梯度的能⼒。
有了这些梯度，我们就可以有效对参数空间进⾏搜索，以找到⼀个解，⽽这个解通常⾜够让我们的神经⽹络完成困难的任务。
不过，有许多问题是反向传播算法⽆法解决的。
例如，在强化学习（RL）问题中，我们也可以训练⼀个神经⽹络做出决策，以执⾏⼀系列动作来完成环境中的某些任务。
然⽽，当智能体在当前执⾏了⼀个动作之后，对未来给予智能体的奖励信号的梯度进⾏评估是⾮常重要的，特别是在未来，奖励是跨越了许多时间步长之后实现的情况下。
另外，即使我们能够计算出精确的梯度，但也存在被困于局部最优解的问题，⽽这个问题在强化学习任务中是极其常见的。
困于局部最优解可以这样说，强化学习的整个领域都是致⼒于研究这⼀信⽤分配问题的，并且近年来也取得了很⼤的进步。
但是，当奖励信号稀疏时，信⽤分配仍然是个难题。
在实际中，奖励可以是稀疏和嘈杂的。
有时候，我们可能只得到⼀份奖励，这就像是年终的奖⾦⽀票，主要是取决于雇主，我们很难弄清楚为什么会这么低。
对于这些问题，与其依赖于对策略进⾏未来的⾮常嘈杂且可能毫⽆意义的梯度评估，还不如忽略任何梯度信息，并尝试使⽤诸如遗传算法（GA）或ES这样的⿊盒优化技术。
《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
多目标优化 方法
多目标优化方法
多目标优化是指在优化问题中存在多个相互冲突的目标函数时，寻找最优的解决方案，使得多个目标函数能够同时得到最优解或接近最优解的方法。
以下是常用的多目标优化方法：
1. Pareto优化：该方法基于帕累托前沿理论，目标是找到一组解，使得没有其他可行解能够改进任意一目标函数而不损害其他目标函数。
2. 加权线性和方法：将多个目标函数进行加权求和，将多目标优化问题转化为单目标优化问题。
通过调整权重可以平衡各个目标函数之间的重要性。
3. 参考点方法：首先定义一个参考点，然后将多目标优化问题转化为在参考点上的单目标优化问题，通过迭代调整参考点来寻找最优解。
4. 遗传算法：通过模拟生物进化的过程，通过选择、交叉、变异等操作来不断迭代生成解的种群，通过适应度函数来评估解的适应度，最终得到一组较好的解。
5. 粒子群优化算法：通过模拟鸟群或鱼群的行为，通过更新速度和位置来搜索最优解。
每个粒子代表一个解，通过比较每个粒子的适应度函数来更新个体最优解和全局最优解。
以上是一些常见的多目标优化方法，选择合适的方法取决于具体的问题和需求。
数据结构与算法学习思维导图完整版
数据结构与算法学习思维导图完整版数据结构与算法是计算机科学的基础，对于软件开发人员来说，掌握良好的数据结构与算法知识可以提高编程效率，优化代码性能。
为了更好地理解和掌握数据结构与算法，以下是一个完整版的思维导图，涵盖了常见的数据结构和算法的概念与示例。
1. 数据结构1.1 线性数据结构1.1.1 数组- 定义：一组连续的内存空间，用于存储相同类型的数据。
- 示例：int[] array = new int[5];1.1.2 链表- 定义：由节点组成的数据结构，每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。
- 示例：LinkedList linkedList = new LinkedList();1.1.3 栈- 定义：一种特殊的线性数据结构，遵循"后进先出"的原则。
- 示例：Stack stack = new Stack();1.1.4 队列- 定义：一种特殊的线性数据结构，遵循"先进先出"的原则。
- 示例：Queue queue = new Queue();1.2 非线性数据结构1.2.1 树- 定义：由节点组成的层次性数据结构，每个节点最多有两个子节点。
- 示例：BinaryTree binaryTree = new BinaryTree();1.2.2 图- 定义：由节点和边组成的非线性数据结构，用于表示多个对象之间的关系。
- 示例：Graph graph = new Graph();1.2.3 堆- 定义：一种特殊的树结构，满足"完全二叉树"和"堆序性"的要求。
- 示例：Heap heap = new Heap();2. 算法2.1 查找算法2.1.1 顺序查找- 定义：从头到尾依次遍历查找待查元素。
- 示例：int result = sequentialSearch(array, target);2.1.2 二分查找- 定义：将待查元素与中间元素进行比较，根据比较结果缩小查找范围。