多目标函数的优化设计方法71多目标最优化数学模型
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。
第七章多目标函数的优化设计
第七章多目标函数的优化设计在实际问题的解决过程中，往往会面临多个目标的优化设计。
传统的优化方法常常只关注单一目标的优化，无法同时兼顾多个目标的需求。
因此，多目标函数的优化设计成为了一个重要的研究领域。
多目标函数的优化设计涉及到多个目标函数的最优化问题，称为多目标优化问题。
多目标优化问题的解决方法有两类：一类是将多目标优化问题转化为单目标优化问题，另一类是直接解决多目标优化问题。
第一种方法是将多目标优化问题转化为单目标优化问题。
这种方法通常会使用一些合成目标函数或加权目标函数的方式来将多个目标函数合并为一个单目标函数。
常用的方法有加权和法、Tchebycheff法、罚函数法等。
但是这种方法不仅涉及到目标函数之间的比重问题，而且通常只能得到近似解，并不能完全解决多目标优化问题。
第二种方法是直接解决多目标优化问题。
这种方法通常会利用一些优化算法来求解多目标优化问题，如遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等。
这些算法通常是基于群体智能的思想，通过不断的迭代来寻找最优解的近似解。
这些算法通常会生成一组近似最优解，即所谓的帕累托解集。
帕累托解集是多目标优化问题的解集，其中的解称为帕累托解。
帕累托解的定义是指在解集中没有其他解能够改进一个解的一些目标函数值而不损害其他目标函数值的解。
帕累托解集的大小和分布会影响多目标优化问题的解决质量。
因此，如何有效地生成帕累托解集成为了多目标优化问题研究的一个重要方向。
除了解决多目标优化问题的方法外，还需要考虑如何对多目标优化问题的解进行评价。
常用的评价指标有全局评价指标和局部评价指标。
全局评价指标能够反映整个帕累托解集的性能，常用的指标有最小距离、全局适应度值、发散度等。
局部评价指标用于评价帕累托解集中的个体解的性能，常用的指标有支配关系、可行性等。
总结起来，多目标函数的优化设计是一个重要的研究领域，涉及到多个目标函数的最优化问题。
解决多目标函数的优化设计可以采用将多目标优化问题转化为单目标优化问题的方法或者直接解决多目标优化问题的方法。
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
1
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
多目标优化数学模型
多目标优化数学模型是指在优化问题中存在多个目标函数的情况下，通过数学建模来求解最优解。
多目标优化问题可以形式化为如下形式：
$$
\begin{align*}
\text{minimize} \quad f_1(x) \\
\text{subject to} \quad f_2(x) \leq 0 \\
\quad f_3(x) \leq 0 \\
\quad \vdots \\
\quad f_m(x) \leq 0 \\
\end{align*}
$$
其中，$x$是决策变量，$f_1(x), f_2(x), \ldots, f_m(x)$是目标函数，$m$是目标函数的个数。
在多目标优化中，通常存在多个不同的最优解，这些最优解构成了一个被称为Pareto前沿（Pareto front）的集合。
Pareto前沿是指在所有满足约束条件的解中，无法通过改变一个目标函数的值而使其他目标函数的值变得更好的解。
求解多目标优化问题的常用方法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退
火算法等。
这些算法通过在解空间中搜索，逐步逼近Pareto前沿，从而得到一组近似最优解。
多目标优化数学模型的应用非常广泛，例如在工程设计中，可以通过多目标优化来平衡不同的设计目标，如成本、性能、可靠性等；在金融投资中，可以通过多目标优化来平衡风险和收益等。
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。
多目标优化设计方法
多目标优化设计方法多目标优化（Multi-Objective Optimization，MOO）是指在考虑多个冲突目标的情况下，通过寻求一组最优解，并找到它们之间的权衡点来解决问题。
多目标优化设计方法是指为了解决多目标优化问题而采取的具体方法和策略。
本文将介绍几种常见的多目标优化设计方法。
1.加权和方法加权和方法是最简单直观的多目标优化设计方法之一、其基本思想是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。
具体来说，给定目标函数集合f(x)={f1(x),f2(x),...,fn(x)}和权重向量w={w1,w2,...,wn}，多目标优化问题可以表示为：minimize Σ(wi * fi(x))其中，wi表示各个目标函数的权重，fi(x)表示第i个目标函数的值。
通过调整权重向量w的取值可以改变优化问题的偏好方向，从而得到不同的最优解。
2. Pareto最优解法Pareto最优解法是一种基于Pareto最优原理的多目标优化设计方法。
Pareto最优解指的是在多个目标函数下，不存在一种改进解使得所有目标函数都得到改进。
换句话说，一个解x是Pareto最优解，当且仅当它不被其他解严格支配。
基于Pareto最优原理，可以通过比较各个解之间的支配关系，找到Pareto最优解集合。
3.遗传算法遗传算法是一种模仿自然界中遗传机制的优化算法。
在多目标优化问题中，遗传算法能够通过遗传操作（如选择、交叉和变异）进行，寻找较优的解集合。
遗传算法的基本流程包括：初始化种群、评估种群、选择操作、交叉操作、变异操作和更新种群。
通过不断迭代，遗传算法可以逐渐收敛到Pareto最优解。
4.支持向量机支持向量机（Support Vector Machine，SVM）是一种常用的机器学习方法。
在多目标优化问题中，SVM可以通过构建一个多目标分类模型，将多个目标函数转化为二进制分类问题。
具体来说，可以将目标函数的取值分为正例和负例，然后使用SVM算法进行分类训练，得到一个最优的分类器。
多目标优化设计方法讲解
多目标优化设计方法讲解多目标优化是指在一个优化问题中存在多个目标函数需要同时优化的情况。
多目标优化问题在实际应用中非常常见，例如在工程设计、金融投资和运筹学中等等。
与单目标优化问题不同的是，多目标优化问题需要找到一组解，满足所有目标函数的最优性要求。
本文将介绍多目标优化的相关概念和设计方法。
1.目标函数的定义方法：对于每个目标函数，我们需要明确定义其数学形式。
目标函数一般是一个关于决策变量的函数，用于衡量解的质量。
这些目标函数可以是线性的、非线性的、连续的或离散的。
2. Pareto优化：在多目标优化问题中，我们通常使用Pareto优化来解决。
Pareto优化是一种基于Pareto支配的解集划分方法。
Pareto支配是指解集中的解在至少一个目标上比另一个解更好，且在其它目标上至少一样好。
解集中不被任何其它解所支配的解被称为Pareto最优解。
Pareto最优解形成了一个称为Pareto前沿的非支配集合。
3. Pareto优化算法：常见的Pareto优化算法包括遗传算法（GA）、模拟退火算法（SA）、粒子群优化算法（PSO）和多目标蚁群算法等。
这些算法基于不同的策略和参数设置，通过多次迭代找到Pareto最优解。
4.解集的评价和选择：找到Pareto最优解后，需要根据具体应用的要求进行解集的评价和选择。
一种常见的方法是使用其中一种距离度量方法，如欧氏距离或海明顿距离，来度量解集中各个解之间的相似度。
另一种方法是基于问题的特定要求进行解集的选择。
5.偏好权重方法：在实际应用中，不同的目标函数可能具有不同的权重。
偏好权重方法可以对不同目标函数赋予不同的权重，从而根据具体需求得到更合理的解集。
常见的偏好权重方法有加权和法、电报求和法和最大化方法等。
6.可行性约束：在多目标优化问题中，可能存在一些约束条件，如可行性约束和偏好约束。
可行性约束是指解集中的解必须满足一些约束条件。
在算法设计中，需要考虑如何有效地处理这些约束，以充分利用已有信息，降低空间。
多目标优化设计方法
7.1 概述（续）
对于一个具有L个目标函数和若干个约束条件的多 目标优化问题，其数学模型的表达式可写为：
求： X [x1, x2,..., xn )T
n维欧氏空间的一个向量
min F( X ) [ f1( X ), f2 ( X ),..., fL ( X )]T s.t. gi ( X ) 0, (i 1, 2,..., m)
即：
minF (X ) minF ( f1(X ), f2(X ),..., fl (X ))
X D
X D
D为可行域，f1(X)，f2(X)，…，fl(X)为各个子目 标函数。
7.2 统一目标函数法（续）
二、统一目标函数的构造方法 1、线性加权和法（线性加权组合法）
根据各子目标的重要程度给予相应的权数，然后 用各子目标分别乘以他们各自的权数，再相加即构成 统一目标函数。
L
min f ( X ) i fi ( X ) i 1
s.t. gi ( X ) 0 (i 1, 2,..., m) hj ( X ) 0 ( j 1, 2,..., k)
注意：
1、建立这样的评价函数时，各子目标的单位已经脱 离了通常的概念。
2、权数（加权因子）的大小代表相应目标函数在优 化模型中的重要程度，目标越重要，权数越大。
7.4 功效系数法（续）
二、评价函数 用所有子目标的功效系数的几何平均值作为评价函数
f ( X ) L d1d2 dL
f(X)的值越大，设计方案越好；反之越差； 0 f (X ) 1
f(X)=1时，表示取得最满意的设计方案 f(X)=0时，表示此设计方案不能接受
该评价函数不会使某一个目标最不满意——功效 系数法的特点
多目标优化问题的求解方法
多目标优化问题的求解方法一、引言多目标优化问题常用于现实中的各种决策问题，旨在满足多个目标的需求。
比如，在物流配送问题中，我们需要平衡货物运输效率和成本，同时也需要满足货物运输的安全性等多个目标。
多目标优化问题求解难度大，需要综合考虑多个目标函数之间的相互影响和矛盾。
本文将从多个方面介绍多目标优化问题的解法和算法。
二、多目标优化问题的概念多目标优化问题可以定义为：在有限规定下，针对多个优化指标，找到最优的解答，使其能尽可能地满足各个指标的要求。
多目标优化问题的解决需要在考虑问题的最优解的情况下，同时平衡多个指标之间的优化目标。
换言之，多目标优化问题寻求的是各种参考结果中的最高综合价值。
三、多目标优化问题的特点多目标优化问题是一个复杂、多变的问题，具有以下特点：1.多目标：多目标优化问题在解决之前要考虑多个目的。
2.多维：多目标优化问题需要同时考虑多个指标，因而其可表达的变量和解空间维度更高。
3.非凸性：多目标优化问题在最优解中可能存在较多的局部最优解。
4. 非线性：多目标优化问题不仅涉及到多个目标，同时还需要考虑目标之间的复杂关系。
四、多目标优化问题的解法1.最优性方案法：最优性方案法的做法是：采用一个权重向量来描述优化问题的权重，然后使用这个权重向量计算出所有可能的目标函数的最小值，在计算过程中，只有在某个k值的情况下，目标函数的值达到了它的最小值，才能被认为是优化问题的最优解。
2. 约束规划法：约束规划法，经典的引导式求解方法，仅需要我们的关注变量是目标函数中相互矛盾的或者不可实现的特征。
使用约束规划方法，我们可以找出那些基于目标函数的情况下不可实现的方案，从而确定实现目标要求的最优方案。
3.遗传算法：遗传算法是一种模仿自然进化法的优化方法。
具有高度的鲁棒性、适应性和有效性。
通过模拟生物进化过程，从初始种群中寻找最适合目标的个体，并通过不断迭代优化算法的方式计算出最终的优化结果。
4. 粒子群算法：粒子群算法是一种模拟群体行为的优化算法。
多目标优化方法讲义
a1, a(2单, a3位:t);现要将这些物资运往四个销售
点 B1, B2 , B。3, 其B4 需要量分别为
b1, b2 , b3, b4
且
3
ai
，4 b已j 知
到
i
j
的A距i 离和B单j 位运价分别为
(km)和 (元di)j ,现要决定如cij何调运多少,才能使总的
吨,公里数和总运费都尽量少?
min F ( X ) f1( X ), f2 ( X ), , fm ( X )T
VOP
s.t. gu ( X ) 0 u 1, 2, , p
hv ( X ) 0 v 1, 2, , q
简记为
V- min F ( X ) X D Rn
多目标优化问题(Multi-Objective Optimization Problem)又称为向量优化问题(Vector Optimization Problem) 。
g(x) (g1(x) g p (x))
h(x) (h1(x) hq (x))
多目标优化设计几何描述
注意，这里以及 之后的所有讲述 同时适合于线性 和非线性的多目 标优化
为满足所有目标G
的
i
参数x组成的参数空间
为根据按照目标函数F映射的
y组成的目标函数空间
3. 多目标优化问题解的特点
在单目标优化问题中，任何两个解都可以比较出其优劣，这是 因为单目标优化问题是完全有序的；而在多目标优化设计中， 任何两个解不一定都可以比较出其优劣，这是因为多目标优化 问题是半有序的。
示例2
min F ( X ) f1( X ), f2 ( X )T
f1 (
X
)
4
x1(D22
数学建模多目标规划
虑利润，还需要考虑多个方面，因此增加下列因素(目标)：
• 力求使利润指标不低于1500元 • 考虑到市场需求,甲、乙两种产品的产量比应尽量保持1:2 • 设备A为贵重设备，严格禁止超时使用 • 设备C可以适当加班，但要控制；设备B既要求充分利用，又 尽可能不加班，在重要性上，设备B是设备C的3倍 从上述问题可以看出，仅用线性规划方法是不够的，需 要借助于目标规划的方法进行建模求解
4 5 6 7 8 9
∗ ∗ ∗
多目标规划
• 对学分数和课程数加权形成一个目标，如三七开。
Min Y = λ1Z − λ2W = 0.7 Z − 0.3W
课号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 课名 微积分 线性代数 最优化方法 数据结构 应用统计 计算机模拟 计算机编程 预测理论 数学实验 学分 5 4 4 3 4 3 2 2 3
u( f (x)) = ∑λi fi (x)
i =1
m
∑λ = 1
i =1 i
m
转化单目标法
3. 极大极小点法
1≤ i ≤ m
min u ( f ( x )) = min max{ f i ( x )}
x∈ X 1≤ i ≤ m
4. 范数理想点法
dp
(
p⎤ ⎡ f ( x ), f ;ω = ⎢ ∑ ω i f i ( x ) − f i ⎥ ⎣ i =1 ⎦ m
0-1规划模型
课号 课名 微积分 线性代数 最优化方法 数据结构 应用统计 计算机模拟 计算机编程 预测理论 数学实验 先修课要求
约束条件 先修课程要求 x3=1必有x1 = x2 =1
∗ 1 ∗ 2 ∗ 3 ∗ ∗ ∗
4 5 6 7 8 9
微积分；线性代数 计算机编程 微积分；线性代数 计算机编程 应用统计 微积分；线性代数
第7章 多目标优化和离散变量优化概述
[x2*] [x1*] X*周围的整型点群 [x1*]+1 X*周围的整型点群 均不在可行域内
离X*较远处整型点为 优化点
7.2.3 离散变量优化问题的网格解法
1、方法： 以一定的变量增量为间隔，把设计空间划分为若干个网格，计算 在域内的每个网格结点上的目标函数值，比较其大小，再以目标 函数值最小的节点为中心，在其附近空间划分更小的网格，在计 算在域内各节点上的目标函数值。重复进行下去，直到网格小到 满足精度为止。 2、特点： 此法对低维变量较有效，对多维变量因其要计算的网格节点数目 成指数幂增加，故很少使用。
7.1.2多目标优化问题解的特性
1.非劣解
是指若有m个目标fi(X0)(i=1,2,,m)，当要求(m-1)个目标值不变坏时， 找不到一个X，使得另一个目标函数值fi(X)比fi(X*)更好，则将此X*作 为非劣解，关键是要选择某种形式的折中。
2.例 V min F ( X ) min f1 ( X ), f 2 ( X )]T [
(ii)分目标函数值最优化法： j 1 / f j *
f j * minf j ( X) XD 目的：反映了各分目标函数离开各自最优值的程度。
7.1.5功效系数法——几何平均法
(1)适用条件：
各单目标要求不全相同，有的要求极小值，有的要求极大 值，有的则要求有一个合适的值。
(2)方法：
f2 ( X ) x f1 ( X ) x 2 2 x D { x | 0 x 2}
X R
n
a a’ 1
b
2
说明：
(1)当 D { x | 0 x 1} 时， X=[1，1]T，是绝对最优解； 其余点是劣解。 全区域中都能找到 (2)当 D { x | 0 x 2} 时， 全部分目标函数值 都比它小的点 X∈[1，2]中任何点都 是非劣解；
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 ⎩
17
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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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一种用于解决具有多个目标函数的优化问题的方法。
在传统的单目标优化中，目标函数只有一个，需要寻找一个解使得该目标函数最小化或最大化。
而在多目标优化中，有多个目标函数需要最小化或最大化，这些目标函数通常是相互冲突的，即改变一个目标函数的值会影响其他目标函数的值。
多目标最优化方法的目标是通过找到一组解，使得这组解在多个目标函数上都具有较好的性能。
因此，在多目标最优化中，我们不能再使用单一的度量来衡量一个解的优劣，而是需要使用一种综合度量来评估一个解相对于其他解的优劣。
在多目标最优化方法中，最常用的方法之一是帕累托前沿（Pareto Frontier）方法。
帕累托前沿是一条曲线，该曲线上的每个点都表示在多个目标函数上都达到最优的解，这些解被称为非支配解（Non-dominated Solutions）。
在帕累托前沿上，没有任何一个解可以在所有的目标函数上都比其他解更好。
求解多目标最优化问题的常用方法之一是使用进化算法。
进化算法是一类通过模拟自然进化过程来求解问题的优化算法。
其中最常用的进化算法是遗传算法。
遗传算法通过模拟自然界中基因的交叉、变异和选择过程，逐步改进当前的解，并且通过适应度函数来评估一个解的优劣。
除了遗传算法之外，粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization, PSO）、模拟退火算法（Simulated Annealing, SA）和蚁群算法（Ant Colony Optimization, ACO）等进化算法也可以应用于解决多目标最优化问题。
进化算法的基本思想是通过维护一组解的种群，并通过模拟自然进化过程来不断改进种群中的解。
具体来说，进化算法包括以下几个步骤：1.初始化种群：随机生成一组解作为初始种群。
2.选择操作：根据适应度函数，选择一部分解作为父代，用于产生下一代的解。
3.变异操作：对选中的解进行变异操作，引入一定的随机性，以增加种群的多样性。
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：
多目标优化方法简介
k s1
显然，求 min f (X) 可 得最优解。
（5）极大极小法
对于多目标函数最优化问题，考虑对各个目标 最不利情况下求出最有利的解。就是对多目标极小 化问题采用各个目标fi中的最大值作为评价函数。
即 m U f( X i) n m m i f i( X n a ) x 或 m U f ( X i ) n m m W i if i ( n X a ) x
那么，这种先在第一优先层次极大化总利润，然 后在此基础上再在第二优先层次同等地极小化工人加 班时间的问题就是分层多目标优化问题。
多目标约束优化问题的数学模型为
X { x1, x2 , , xn}T R n min f 1 ( X ) min f 2 ( X ) min f q ( X ) s .t. g u ( X ) 0 (u 1,2 , m )
mx in
f2 D1
x
x
f
* 2
f1x
f1* 1
3
min f3 x D2
x
x
f
* 3
fi x
f
* i
i
i 1,2
4
mxin
fl x
Dl 1
x fix
f
* i
i
i 1,2, , l 1
所以，解决多目标优化设计问题也是一个复杂 的问题。近年来国内外学者虽然作了许多研究， 也提出了一些解决的方法，但比起单目标优化设 计问题来，在理论上和计算方法，都还很不完善， 也不够系统。
从上述有关多目标优化问题的数学模型可见，
多目标优化方法概论
多目标优化方法概论多目标优化（multi-objective optimization）是指在优化问题中存在多个冲突的目标函数的情况下，如何找到一组最优解，使得这些解在各个目标上都具有最佳性能水平。
多目标优化方法是解决这类问题的重要工具，包括传统的数学规划方法和现代的演化算法方法。
一、传统的多目标优化方法主要包括以下几种：1.加权逼近法：加权逼近法是通过为各个目标函数赋予不同的权重，将多目标优化问题转化为单目标优化问题。
根据不同权重的选择，得到一系列最优解，形成一个近似的最优解集。
2.充分删减法：充分删减法是通过将多目标优化问题不断简化为仅考虑一个目标函数的优化问题来求解的。
通过逐渐删减剩余的目标函数，得到一系列最优解，再从中选择一个最优解集。
3.非支配排序法：非支配排序法是针对多目标优化问题的一个常用方法。
该方法通过将解空间中的各个解点进行非支配排序，得到一系列非支配解集。
根据不同的权重选择和参数设定，可以得到不同的非支配解集。
二、现代的多目标优化方法主要包括以下几种：1.遗传算法：遗传算法是一种通过模拟生物进化过程进行优化的方法。
它通过定义适应度函数、选择、交叉和变异等操作，对个体进行进化，逐渐寻找全局最优解。
对于多目标优化问题，遗传算法可以通过引入非支配排序和拥挤度距离等机制，实现对多个目标函数的优化。
2.粒子群优化算法：粒子群优化算法是一种通过模拟鸟群或鱼群的集体行为进行优化的方法。
每个粒子代表一个潜在的解，根据个体最优和全局最优的信息进行，逐渐收敛于最优解。
对于多目标优化问题，粒子群优化算法可以通过引入非支配排序和拥挤度距离等机制，实现对多个目标函数的优化。
3.免疫算法：免疫算法是一种模拟免疫系统的工作原理进行优化的方法。
通过定义抗体和抗原的概念，并引入免疫选择、克隆、突变和杂交等操作，对解空间进行和优化。
对于多目标优化问题，免疫算法可以通过引入非支配排序和免疫选择等机制，实现对多个目标函数的优化。
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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这就是在给定的权系数下问题的最优解。若权系数改变，结果也就随之而变化。
2. 理想点法
理想点法也有很多种，这里介绍其中的极大模理想点法。
基本思想是，首先求出分目标函数 F1,F2,…,Ft各自的极小值 F1*, F2*, Ft*，然后确定表示各目
V min F(X ) F1(X ), F2 (X ), , Ft (X )T
3. 目标规划模型
s.t. gu (X ) 0 u 1, 2, , m hv (X ) 0 v 1, 2, , p n
2.分层多目标最优化模型
这是另一类多目标最优化模型。与前面二种 模型不同的是，这类模型并不是考虑对各个 目标进行极小化或极大化，而是希望在约束 条件的限制下，每一个目标都尽可能地接近
V ( / 4)(D d )2 H 0 0.785 (x1x2 )2 (0.35 x3 x2 1.5x1 ) 10 5
r 2 [( x1 )2 ( x2 )2 ] min
约束条件 2 [ ]
强度约束
2
2
2d 65 d D 88
筒体内径约束
约束条件
x1 H 0 W x12 x2 0 x2 x1 0 x1 4x2 0
i 1
F11 ( X
),
,
F1 l1
(
X
); F12
(X
),
,
F2 l2
(X
);
,
F1l
(X
),
,
Fl lL
(X
)
一号品产量
a1x1 Y
l1 l2 lL t
目标规划模型为
V apprF( X ) F 0
s.t. gu (X ) 0 u 1, 2, , m
hv (X ) 0 v 1, 2, , p n
解：由问题可知，钢梁设计问题归结为下面评价函数(约束条件略)
V min (x1x2 , x12 x22 )
设决策者认为成本目标比重量目标重要。因此，给相应的权系数为W1 =0.3 ,W2=0.7,
2
评价函数为
Wi Fi 0.3x1x2 0.7(x12 x22 )
i 1
用单目标优化算法可以求得最优解为 X (x1, x2 )T (1.1511, 0.7547 )T
1. 多目标极小化模型
第一优先层——
F11(X ),
,
F1 l1
(
X
);
归纳其共性，可以得到如下数学模型
min F1 ( X )
第二优先层——, F12 (X
),
F2 l2
(
X
);
min F2 ( X ) min Ft ( X )
第L优先层——
F1l
(X
),
,
Fl lL
(X
)
在约束条件下的分层多目标优化问题பைடு நூலகம்作
1. 线性加权和法
这是一种最简单也是最基本的评价函数法。它根据各个目标在问题中的重要程度，分别赋
予一个系数，然后相加起来构造评价函数 对于一组目标函数F1,F2,…,Ft，分别赋予系数 W1,W2,…,Wt 例7-4 用例7-2来说明线性加权和法的求解过程。
t
评价函数为 Wi Fi min i 1
目标函数
S 0 0.751
疲劳安全系数
2
0 --弹簧材料的脉动疲劳极限 ；
目标为 (1) 重量最轻 x1x2 min
1 2 --最大、最小交变载荷F1,F2产生的切应力 W ( / 4)d 2 (D)ng 1.925 10 5 x12 x2 x3 重量最轻
(2)圆钢截面最小(成本最低)
特点是按不同的优先级分层次进行最优化。 于事先给定的各自对应的目标值。
例如上节例1中 第一优先层次——工厂获得最大利润；
例如在上节的例1中
第二优先层次——工人加班时间尽量地少；
生产总工时
n
(xi T ) T
i 1
第三优先层次——满足市场对一号品的需求。
总利润
n
ciai xi Q
一般对于t>1个目标函数
约束条件 ai xi bi i 2, ..., n 最大销售量限制
n
xi T
i 1
避免工厂开工不足
xi 0 i 1, 2, ..., n 生产时间非负
例7-2 钢梁的设计问题 把一根圆钢加 例7-3 圆柱螺旋弹簧的优化设计 设计这种弹簧
工成矩型截面的梁。为了使钢梁满足 时除选择材料及规定热处理要求外，主要根据最
其中 F(X ) F1(X ), F（2 X）, , Ft (X )T
F 0 F10 , F20 , , Ft0 T
符号v--appr表示逼近
7.2 多目标优化数学模型的解
多目标问题的解与单目标问题的解有根本不同的概念。 如图7.1所示的五个解1，2，3，4，5 1---绝对最优解； 2、3---非劣解； 4、5---劣解。
s.t. gu (X ) 0 u 1, 2, , m
L
min[P1 (F11 ( X
),
,
F1 l1
(
X
)),
,
PL
(F1l
(X
),
,
Fl lL
(X ))]
hv (X ) 0 v 1, 2, , p n
上式中，Ps(s=1,2,….L)是优先层次的记号，表
也可以用向量形式表示成
示后面括号中的目标函数属于第s优先层次。
H --工作变形；
4 C 8 (C D / d)
0.3H 0 H 0.7H 0
D t D , t d 1.2H
3
2
n
旋绕比约束 变形约束 节距t的限制
x1 0, x2 0 H0—自由高度；
S s S
max
静强度约束
❖ 7.1.2 多目标最优化数学模型 按其重要性分成如下的L>1个优先层次
一定的规格、应力及强度条件，要求 大工作载荷、最大变形以及结构要求等来确定弹
其高度不超过H，截面惯性矩不小于W， 簧的钢丝直径d, 弹簧中径D以及工作圈数n。
横截面的高度介于其宽度及4倍宽度的 之间。问如何确定钢梁的尺寸，可使 它的重量最轻，并且成本最低。
设 所设计的梁横截面的高为x1,宽为x2
解 设计变量 X d D nT x1 x2 x3 T
图7.1两目标最优解的解集
因为能得到象1点这样理想解的情况极少，非劣解就成为有效解了。然而，非劣解往往不 止一个，多目标最优化的解一般需从满足条件的多个非劣解中产生。
7.3 多目标优化问题的求解方法
7.3.1 评价函数法
评价函数法的主要思想是根据优化问题的特点和决策者的意图，构造一个把m个目标 转化为一个总目标的评价函数。通过对m个目标的“评价”，把求解多目标极小化问题归 结为求解与之相关的单目标极小化问题。