遗传算法的优化计算-建模自变量降维

遗传算法的优化计算-建模自变量降维
遗传算法的优化计算-建模自变量降维

%% 清空环境变量

clear all

clc

warning off

%% 声明全局变量

global P_train T_train P_test T_test mint maxt S s1

S=30;

s1=50;

%% 导入数据

load data.mat

a=randperm(569);

Train=data(a(1:500),:);

Test=data(a(501:end),:);

% 训练数据

P_train=Train(:,3:end)';

T_train=Train(:,2)';

% 测试数据

P_test=Test(:,3:end)';

T_test=Test(:,2)';

% 显示实验条件

total_B=length(find(data(:,2)==1));

total_M=length(find(data(:,2)==2));

count_B=length(find(T_train==1));

count_M=length(find(T_train==2));

number_B=length(find(T_test==1));

number_M=length(find(T_test==2));

disp('实验条件为:');

disp(['病例总数:' num2str(569)...

' 良性:' num2str(total_B)...

' 恶性:' num2str(total_M)]);

disp(['训练集病例总数:' num2str(500)...

' 良性:' num2str(count_B)...

' 恶性:' num2str(count_M)]);

disp(['测试集病例总数:' num2str(69)...

' 良性:' num2str(number_B)...

' 恶性:' num2str(number_M)]);

%% 数据归一化

[P_train,minp,maxp,T_train,mint,maxt]=premnmx(P_train,T_train); P_test=tramnmx(P_test,minp,maxp);

%% 创建单BP网络

t=cputime;

net_bp=newff(minmax(P_train),[s1,1],{'tansig','purelin'},'trainlm'); % 设置训练参数

net_bp.trainParam.epochs=1000;

net_bp.trainParam.show=10;

net_bp.trainParam.goal=0.1;

net_bp.trainParam.lr=0.1;

net_bp.trainParam.showwindow=0;

%% 训练单BP网络

net_bp=train(net_bp,P_train,T_train);

%% 仿真测试单BP网络

tn_bp_sim=sim(net_bp,P_test);

% 反归一化

T_bp_sim=postmnmx(tn_bp_sim,mint,maxt);

e=cputime-t;

T_bp_sim(T_bp_sim>1.5)=2;

T_bp_sim(T_bp_sim<1.5)=1;

result_bp=[T_bp_sim' T_test'];

%% 结果显示(单BP网络)

number_B_sim=length(find(T_bp_sim==1 & T_test==1));

number_M_sim=length(find(T_bp_sim==2 &T_test==2));

disp('(1)BP网络的测试结果为:');

disp(['良性乳腺肿瘤确诊:' num2str(number_B_sim)...

' 误诊:' num2str(number_B-number_B_sim)...

' 确诊率p1=' num2str(number_B_sim/number_B*100) '%']);

disp(['恶性乳腺肿瘤确诊:' num2str(number_M_sim)...

' 误诊:' num2str(number_M-number_M_sim)...

' 确诊率p2=' num2str(number_M_sim/number_M*100) '%']);

disp(['建模时间为:' num2str(e) 's'] );

%% 遗传算法优化

popu=20;

bounds=ones(S,1)*[0,1];

% 产生初始种群

% initPop=crtbp(popu,S);

initPop=randint(popu,S,[0 1]);

% 计算初始种群适应度

initFit=zeros(popu,1);

for i=1:size(initPop,1)

initFit(i)=de_code(initPop(i,:));

end

initPop=[initPop initFit];

gen=100;

% 优化计算

[X,EndPop,BPop,Trace]=ga(bounds,'fitness',[],initPop,[1e-6 1 0],'maxGenTerm',...

gen,'normGeomSelect',0.09,'simpleXover',2,'boundaryMutation',[2 gen 3]); [m,n]=find(X==1);

disp(['优化筛选后的输入自变量编号为:' num2str(n)]);

% 绘制适应度函数进化曲线

figure

plot(Trace(:,1),Trace(:,3),'r:')

hold on

plot(Trace(:,1),Trace(:,2),'b')

xlabel('进化代数')

ylabel('适应度函数')

title('适应度函数进化曲线')

legend('平均适应度函数','最佳适应度函数')

xlim([1 gen])

%% 新训练集/测试集数据提取

p_train=zeros(size(n,2),size(T_train,2));

p_test=zeros(size(n,2),size(T_test,2));

for i=1:length(n)

p_train(i,:)=P_train(n(i),:);

p_test(i,:)=P_test(n(i),:);

end

t_train=T_train;

%% 创建优化BP网络

t=cputime;

net_ga=newff(minmax(p_train),[s1,1],{'tansig','purelin'},'trainlm');

% 训练参数设置

net_ga.trainParam.epochs=1000;

net_ga.trainParam.show=10;

net_ga.trainParam.goal=0.1;

net_ga.trainParam.lr=0.1;

net_ga.trainParam.showwindow=0;

%% 训练优化BP网络

net_ga=train(net_ga,p_train,t_train);

%% 仿真测试优化BP网络

tn_ga_sim=sim(net_ga,p_test);

% 反归一化

T_ga_sim=postmnmx(tn_ga_sim,mint,maxt);

e=cputime-t;

T_ga_sim(T_ga_sim>1.5)=2;

T_ga_sim(T_ga_sim<1.5)=1;

result_ga=[T_ga_sim' T_test'];

%% 结果显示(优化BP网络)

number_b_sim=length(find(T_ga_sim==1 & T_test==1));

number_m_sim=length(find(T_ga_sim==2 &T_test==2));

disp('(2)优化BP网络的测试结果为:');

disp(['良性乳腺肿瘤确诊:' num2str(number_b_sim)...

' 误诊:' num2str(number_B-number_b_sim)...

' 确诊率p1=' num2str(number_b_sim/number_B*100) '%']); disp(['恶性乳腺肿瘤确诊:' num2str(number_m_sim)...

' 误诊:' num2str(number_M-number_m_sim)...

' 确诊率p2=' num2str(number_m_sim/number_M*100) '%']); disp(['建模时间为:' num2str(e) 's'] );

function[W1,B1,W2,B2,val]=gadecod(x)

global p t r s1 s2

W1=zeros(s1,r);

W2=zeros(s2,s1);

B1=zeros(s1,1);

B2=zeros(s2,1);

% 前r*s1个编码为W1

for i=1:s1

for k=1:r

W1(i,k)=x(r*(i-1)+k);

end

end

% 接着的s1*s2个编码(即第r*s1个后的编码)为W2

for i=1:s2

for k=1:s1

W2(i,k)=x(s1*(i-1)+k+r*s1);

end

end

% 接着的s1个编码(即第r*s1+s1*s2个后的编码)为B1

for i=1:s1

B1(i,1)=x((r*s1+s1*s2)+i);

end

% 接着的s2个编码(即第r*s1+s1*s2+s1个后的编码)为B2

for i=1:s2

B2(i,1)=x((r*s1+s1*s2+s1)+i);

end

% 计算S1与S2层的输出

A1=tansig(W1*p,B1);

A2=purelin(W2*A1,B2);

% 计算误差平方和

SE=sumsqr(t-A2);

% 遗传算法的适应值

val=1/SE;

function[sol,val]=gabpEval(sol,options)

global s

for i=1:s

x(i)=sol(i);

end;

[W1,B1,W2,B2,val]=gadecod(x);

function [sol,Val]=fitness(sol,options)

global S

for i=1:S

x(i)=sol(i);

end

Val=de_code(x);

end

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MATLAB实验遗传算法和优化设计

实验六 遗传算法与优化设计 一、实验目的 1. 了解遗传算法的基本原理和基本操作(选择、交叉、变异); 2. 学习使用Matlab 中的遗传算法工具箱(gatool)来解决优化设计问题; 二、实验原理及遗传算法工具箱介绍 1. 一个优化设计例子 图1所示是用于传输微波信号的微带线(电极)的横截面结构示意图,上下两根黑条分别代表上电极和下电极,一般下电极接地,上电极接输入信号,电极之间是介质(如空气,陶瓷等)。微带电极的结构参数如图所示,W 、t 分别是上电极的宽度和厚度,D 是上下电极间距。当微波信号在微带线中传输时,由于趋肤效应,微带线中的电流集中在电极的表面,会产生较大的欧姆损耗。根据微带传输线理论,高频工作状态下(假定信号频率1GHz ),电极的欧姆损耗可以写成(简单起见,不考虑电极厚度造成电极宽度的增加): 图1 微带线横截面结构以及场分布示意图 {} 28.6821ln 5020.942ln 20.942S W R W D D D t D W D D W W t D W W D e D D παπππ=+++-+++?????? ? ??? ??????????? ??????? (1) 其中πρμ0=S R 为金属的表面电阻率, ρ为电阻率。可见电极的结构参数影响着电极损耗,通过合理设计这些参数可以使电极的欧姆损耗做到最小,这就是所谓的最优化问题或者称为规划设计问题。此处设计变量有3个:W 、D 、t ,它们组成决策向量[W, D ,t ] T ,待优化函数(,,)W D t α称为目标函数。 上述优化设计问题可以抽象为数学描述: ()()min .. 0,1,2,...,j f X s t g X j p ????≤=? (2)

遗传算法与组合优化.

第四章 遗传算法与组合优化 4.1 背包问题(knapsack problem ) 4.1.1 问题描述 0/1背包问题:给出几个尺寸为S 1,S 2,…,S n 的物体和容量为C 的背包,此处S 1,S 2,…,S n 和C 都是正整数;要求找出n 个物件的一个子集使其尽可能多地填满容量为C 的背包。 数学形式: 最大化 ∑=n i i i X S 1 满足 ,1C X S n i i i ≤∑= n i X i ≤≤∈1},1,0{ 广义背包问题:输入由C 和两个向量C =(S 1,S 2,…,S n )和P =(P 1,P 2,…,P n )组成。设X 为一整数集合,即X =1,2,3,…,n ,T 为X 的子集,则问题就是找出满足约束条件∑∈≤T i i C X ,而使∑∈T i i P 获得最大的子集T ,即求S i 和P i 的下标子集。 在应用问题中,设S 的元素是n 项经营活动各自所需的资源消耗,C 是所能提供的资源总量,P 的元素是人们从每项经营活动中得到的利润或收益,则背包问题就是在资源有限的条件下,追求总的最大收益的资源有效分配问题。 广义背包问题可以数学形式更精确地描述如下: 最大化 ∑=n i i i X P 1 满足 ,1C X S n i i i ≤∑= n i X i ≤≤∈1},1,0{ 背包问题在计算理论中属于NP —完全问题,其计算复杂度为O (2n ),若允许物件可以部分地装入背包,即允许X ,可取从0.00到1.00闭区间上的实数,则背包问题就简化为极简单的P 类问题,此时计算复杂度为O (n )。

4.1.2 遗传编码 采用下标子集T 的二进制编码方案是常用的遗传编码方法。串T 的长度等于n(问题规模),T i (1≤i ≤n )=1表示该物件装入背包,T i =0表示不装入背包。基于背包问题有近似求解知识,以及考虑到遗传算法的特点(适合短定义距的、低阶的、高适应度的模式构成的积木块结构类问题),通常将P i ,S i 按P i /S i 值的大小依次排列,即P 1/S 1≥P 2/S 2≥…≥P n /S n 。 4.1.3 适应度函数 在上述编码情况下,背包问题的目标函数和约束条件可表示如下。 目标函数:∑==n i i i P T T J 1 )( 约束条件:C S T n i i i ≤∑=1 按照利用惩罚函数处理约束条件的方法,我们可构造背包问题的适应度函数f (T )如下式: f (T ) = J (T ) + g (T ) 式中g (T )为对T 超越约束条件的惩罚函数,惩罚函数可构造如下: 式中E m 为P i /S (1≤i ≤n )i 的最大值,β为合适的惩罚系数。 4.2 货郎担问题(Traveling Salesman Problem ——TSP ) 在遗传其法研究中,TSP 问题已被广泛地用于评价不同的遗传操作及选择机制的性能。之所以如此,主要有以下几个方面的原因: (1) TSP 问题是一个典型的、易于描述却难以处理的NP 完全(NP-complete )问题。有效地 解决TSP 问题在可计算理论上有着重要的理论价值。 (2) TSP 问题是诸多领域内出现的多种复杂问题的集中概括和简化形式。因此,快速、有效 地解决TSP 问题有着极高的实际应用价值。 (3) TSP 问题因其典型性已成为各种启发式的搜索、优化算法的间接比较标准,而遗传算法 就其本质来说,主要是处理复杂问题的一种鲁棒性强的启发式随机搜索算法。因此遗传算法在TSP 问题求解方面的应用研究,对于构造合适的遗传算法框架、建立有效的遗传操作以及有效地解决TSP 问题等有着多方面的重要意义。

遗传算法优化相关MATLAB算法实现

遗传算法 1、案例背景 遗传算法(Genetic Algorithm,GA)是一种进化算法,其基本原理是仿效生物界中的“物竞天择、适者生存”的演化法则。遗传算法的做法是把问题参数编码为染色体,再利用迭代的方式进行选择、交叉以及变异等运算来交换种群中染色体的信息,最终生成符合优化目标的染色体。 在遗传算法中,染色体对应的是数据或数组,通常是由一维的串结构数据来表示,串上各个位置对应基因的取值。基因组成的串就是染色体,或者叫基因型个体( Individuals) 。一定数量的个体组成了群体(Population)。群体中个体的数目称为群体大小(Population Size),也叫群体规模。而各个个体对环境的适应程度叫做适应度( Fitness) 。 2、遗传算法中常用函数 1)创建种群函数—crtbp 2)适应度计算函数—ranking 3)选择函数—select 4)交叉算子函数—recombin 5)变异算子函数—mut 6)选择函数—reins 7)实用函数—bs2rv 8)实用函数—rep 3、主程序: 1. 简单一元函数优化: clc clear all close all %% 画出函数图 figure(1); hold on; lb=1;ub=2; %函数自变量范围【1,2】 ezplot('sin(10*pi*X)/X',[lb,ub]); %画出函数曲线 xlabel('自变量/X') ylabel('函数值/Y') %% 定义遗传算法参数 NIND=40; %个体数目 MAXGEN=20; %最大遗传代数 PRECI=20; %变量的二进制位数 GGAP=0.95; %代沟 px=0.7; %交叉概率 pm=0.01; %变异概率

遗传算法与优化问题(重要,有代码)

实验十遗传算法与优化问题 一、问题背景与实验目的 遗传算法(Genetic Algorithm—GA),是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型,它是由美国Michigan大学的J.Holland教授于1975年首先提出的.遗传算法作为一种新的全局优化搜索算法,以其简单通用、鲁棒性强、适于并行处理及应用范围广等显著特点,奠定了它作为21世纪关键智能计算之一的地位. 本实验将首先介绍一下遗传算法的基本理论,然后用其解决几个简单的函数最值问题,使读者能够学会利用遗传算法进行初步的优化计算.1.遗传算法的基本原理 遗传算法的基本思想正是基于模仿生物界遗传学的遗传过程.它把问题的参数用基因代表,把问题的解用染色体代表(在计算机里用二进制码表示),从而得到一个由具有不同染色体的个体组成的群体.这个群体在问题特定的环境里生存竞争,适者有最好的机会生存和产生后代.后代随机化地继承了父代的最好特征,并也在生存环境的控制支配下继续这一过程.群体的染色体都将逐渐适应环境,不断进化,最后收敛到一族最适应环境的类似个体,即得到问题最优的解.值得注意的一点是,现在的遗传算法是受生物进化论学说的启发提出的,这种学说对我们用计算机解决复杂问题很有用,而它本身是否完全正确并不重要(目前生物界对此学说尚有争议). (1)遗传算法中的生物遗传学概念 由于遗传算法是由进化论和遗传学机理而产生的直接搜索优化方法;故而在这个算法中要用到各种进化和遗传学的概念. 首先给出遗传学概念、遗传算法概念和相应的数学概念三者之间的对应关系.这些概念如下: 序号遗传学概念遗传算法概念数学概念 1 个体要处理的基本对象、结构也就是可行解 2 群体个体的集合被选定的一组可行解 3 染色体个体的表现形式可行解的编码 4 基因染色体中的元素编码中的元素 5 基因位某一基因在染色体中的位置元素在编码中的位置 6 适应值个体对于环境的适应程度, 或在环境压力下的生存能力可行解所对应的适应函数值 7 种群被选定的一组染色体或个体根据入选概率定出的一组 可行解 8 选择从群体中选择优胜的个体, 淘汰劣质个体的操作保留或复制适应值大的可行解,去掉小的可行解 9 交叉一组染色体上对应基因段的 交换根据交叉原则产生的一组新解 10 交叉概率染色体对应基因段交换的概 率(可能性大小)闭区间[0,1]上的一个值,一般为0.65~0.90 11 变异染色体水平上基因变化编码的某些元素被改变

基于遗传算法的多式联运组合优化

第四章基于遗传算法的集装箱多式联运运输组合优化模型 的求解 4.1 遗传算法简介 4.1.1 遗传算法 遗传算法(Genetic Algorithm,GA)是在20世纪六七十年代由美国密歇根大学的Holland J.H.教授及其学生和同事在研究人工自适应系统中发展起来的一种随机搜索方法,通过进一步的研究逐渐形成了一个完整的理论和方法体系取名为基本遗传算法(Simple Genetic Algorithm)。在接下来几年的研究过程中Holland在研究自然和人工系统的自适应行为的过程中采用了这个算法,并在他的著作《自然系统和人工系统的适配》中对基本遗传算法的理论和方法进行了系统的阐述与描写,同时提出了在遗传算法的理论研究和发展中具有极为重要的作用的模式理论,它的编码技术和遗传操作成为了遗传算法被广泛并成功的应用的基础,经过许多学者多年来的研究,遗传算法逐渐成熟起来,到现在已经成为了一个非常大的体系,广泛的应用于组合优化、系统优化、过程控制、经济预测、模式识别以及智能控制等多个领域。De Jong于1975年在他的博士论文中设计了一系列针对于各种函数优化问题的遗传算法的执行策略,详细分析了各项性能的评价指标。在此基础上,美国伊利诺大学的Goldberg于1989年系统全面的阐述了遗传算法理论,并通过例证对遗传算法的多领域应用进行了分析,为现代遗传算法的研究和发展奠定了基础。 遗传算法是一种模仿基于自然选择的生物进化过程的随机方法,它以类似于基因的编码作为种群的个体,首先,随机的产生初始种群的个体,从这个群体开始进行搜索,根据类似于生物适应能力的适应度函数值的大小,按照不同问题各自的特点,在当前的种群中运用适当的选择策略选择适应能力大的个体,其中所选择出来的个体经过遗传操作、交叉操作以及变异操作产生下一代种群个体。如此反复,像生物的进化过程一样逐代进化,直到满足期望的终止条件为止。

4遗传算法与函数优化

第四章遗传算法与函数优化 4.1 研究函数优化的必要性: 首先,对很多实际问题进行数学建模后,可将其抽象为一个数值函数的优化问题。由于问题种类的繁多,影响因素的复杂,这些数学函数会呈现出不同的数学特征。除了在函数是连续、可求导、低阶的简单情况下可解析地求出其最优解外,大部分情况下需要通过数值计算的方法来进行近似优化计算。 其次,如何评价一个遗传算法的性能优劣程度一直是一个比较难的问题。这主要是因为现实问题种类繁多,影响因素复杂,若对各种情况都加以考虑进行试算,其计算工作量势必太大。由于纯数值函数优化问题不包含有某一具体应用领域中的专门知识,它们便于不同应用领域中的研究人员能够进行相互理解和相互交流,并且能够较好地反映算法本身所具有的本质特征和实际应用能力。所以人们专门设计了一些具有复杂数学特征的纯数学函数,通过遗传算法对这些函数的优化计算情况来测试各种遗传算法的性能。 4.2 评价遗传算法性能的常用测试函数 在设计用于评价遗传算法性能的测试函数时,必须考虑实际应用问题的数学模型中所可能呈现出的各种数学特性,以及可能遇到的各种情况和影响因素。这里所说的数学特性主要包括: ●连续函数或离散函数; ●凹函数或凸函数; ●二次函数或非二次函数; ●低维函数或高维函数; ●确定性函数或随机性函数; ●单峰值函数或多峰值函数,等等。 下面是一些在评价遗传算法性能时经常用到的测试函数: (1)De Jong函数F1: 这是一个简单的平方和函数,只有一个极小点f1(0, 0, 0)=0。

(2)De Jong 函数F2: 这是一个二维函数,它具有一个全局极小点f 2(1,1) = 0。该函数虽然是单峰值的函数,但它却是病态的,难以进行全局极小化。 (3)De Jong 函数F3: 这是一个不连续函数,对于]0.5,12.5[--∈i x 区域内的每一个点,它都取全局极小值 30),,,,(543213-=x x x x x f 。

TSP问题的遗传算法求解 优化设计小论文

TSP问题的遗传算法求解 摘要:遗传算法是模拟生物进化过程的一种新的全局优化搜索算法,本文简单介绍了遗传算法,并应用标准遗传算法对旅行包问题进行求解。 关键词:遗传算法、旅行包问题 一、旅行包问题描述: 旅行商问题,即TSP问题(Traveling Saleman Problem)是数学领域的一个著名问题,也称作货郎担问题,简单描述为:一个旅行商需要拜访n个城市(1,2,…,n),他必须选择所走的路径,每个城市只能拜访一次,最后回到原来出发的城市,使得所走的路径最短。其最早的描述是1759年欧拉研究的骑士周游问题,对于国际象棋棋盘中的64个方格,走访64个方格一次且最终返回起始点。 用图论解释为有一个图G=(V,E),其中V是顶点集,E是边集,设D=(d ij)是有顶点i和顶点j之间的距离所组成的距离矩阵,旅行商问题就是求出一条通过所有顶点且每个顶点只能通过一次的具有最短距离的回路。若对于城市V={v1,v2,v3,...,vn}的一个访问顺序为T=(t1,t2,t3,…,ti,…,tn),其中ti∈V(i=1,2,3,…,n),且记tn+1= t1,则旅行商问题的数学模型为:min L=Σd(t(i),t(i+1)) (i=1,…,n) 旅行商问题是一个典型组合优化的问题,是一个NP难问题,其可能的路径数为(n-1)!,随着城市数目的增加,路径数急剧增加,对与小规模的旅行商问题,可以采取穷举法得到最优路径,但对于大型旅行商问题,则很难采用穷举法进行计算。 在生活中TSP有着广泛的应用,在交通方面,如何规划合理高效的道路交通,以减少拥堵;在物流方面,更好的规划物流,减少运营成本;在互联网中,如何设置节点,更好的让信息流动。许多实际工程问题属于大规模TSP,Korte于1988年提出的VLSI芯片加工问题可以对应于1.2e6的城市TSP,Bland于1989年提出X-ray衍射问题对应于14000城市TSP,Litke于1984年提出电路板设计中钻孔问题对应于17000城市TSP,以及Grotschel1991年提出的对应于442城市TSP的PCB442问题。

遗传算法优化的BP神经网络建模[精选.]

遗传算法优化的BP神经网络建模 十一月匆匆过去,每天依然在忙碌着与文档相关的东西,在寒假前一个多月里,努力做好手头上的事的前提下多学习专业知识,依然是坚持学习与素质提高并重,依然是坚持锻炼身体,为明年找工作打下基础。 遗传算法优化的BP神经网络建模借鉴别人的程序做出的仿真,最近才有时间整理。 目标: 对y=x1^2+x2^2非线性系统进行建模,用1500组数据对网络进行构建网络,500组数据测试网络。由于BP神经网络初始神经元之间的权值和阈值一般随机选择,因此容易陷入局部最小值。本方法使用遗传算法优化初始神经元之间的权值和阈值,并对比使用遗传算法前后的效果。 步骤: 未经遗传算法优化的BP神经网络建模 1、随机生成2000组两维随机数(x1,x2),并计算对应的输出y=x1^2+x2^2,前1500组数据作为训练数据input_train,后500组数据作为测试数据input_test。并将数据存储在data中待遗传算法中使用相同的数据。 2、数据预处理:归一化处理。 3、构建BP神经网络的隐层数,次数,步长,目标。 4、使用训练数据input_train训练BP神经网络net。 5、用测试数据input_test测试神经网络,并将预测的数据反归一化处理。 6、分析预测数据与期望数据之间的误差。 遗传算法优化的BP神经网络建模 1、读取前面步骤中保存的数据data; 2、对数据进行归一化处理; 3、设置隐层数目; 4、初始化进化次数,种群规模,交叉概率,变异概率 5、对种群进行实数编码,并将预测数据与期望数据之间的误差作为适应度函数; 6、循环进行选择、交叉、变异、计算适应度操作,直到达到进化次数,得到最优的初始权值和阈值; 7、将得到最佳初始权值和阈值来构建BP神经网络; 8、使用训练数据input_train训练BP神经网络net; 9、用测试数据input_test测试神经网络,并将预测的数据反归一化处理; 10、分析预测数据与期望数据之间的误差。 算法流程图如下:

基于遗传算法的齿轮减速器优化设计

煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.30No.12 Dec.2009 第30卷第12期2009年12月 0引言 工程机械中所用电动机的转速较高,为了满足工作机低转速的需要,一般在电动机和工作机之间安装减速器,用来降低电机的转速或增大转矩,减速器是一种机械传动装置,广泛地应用于运输机械、矿山机械和建筑机械等重型机械中。因此,减速器的设计非常重要。 遗传算法(GA)是模拟生物在自然界中优胜劣汰的自然进化过程而形成的一种具有全局范围内优化的启发式搜索算法。这种方法已在很多学科得到广泛的应用,为减速器的优化设计提供有力的保证。因此,本文采用遗传算法对两级齿轮减速器进行优化设计,并通过与惩罚函数法和模拟退火算法等优化方法计算结果进行比较,来探讨适合于减速器的优化设计方法。 1建立数学模型 两级齿轮传动减速器结构如图1所示。该减速器的总中心距 a∑=[m n1z1(1+i1)+m n2z3(1+i2)]/2cosβ(1)式中m n1、m n2—— —高速级与低速级的齿轮法面模 数; i1、i2—— —高速级与低速级传动比; z1、z3—— —高速级与低速级的小齿轮齿数: β—— —2组齿轮组的螺旋角。 1.1设计变量的确定 在进行两级齿轮传动减速器设计时,一般选择齿轮传动独立的基本参数或性能参数,如齿轮的齿数、模数、传动比、螺旋角等为设计变量。两级齿轮传动由4个齿轮组成,分别用z1、z2、z3、z4表示,高速级的传动比由i1表示,低速级传动比由i2表示,两组齿轮组的法面模数分别由m n1和m n2表示,2组齿轮的螺旋角用β表示,由于两级齿轮传动减速器的总传动比i0,在设计时会给出具体数据,并且满足i0=i1i2,可以得出i2=i0/i1,可以确定独立的参数有z1、z3、m n1、m n2、i1和β。因此,可以确定该设计变量X=[z1,z3,m n1,m n2,i1,β]T=[x1,x2,x3,x4,x5,x6]T。 图1减速器结构简图 1.2目标函数的建立 在对减速器进行优化设计时,首先要确定目标函数。确定目标函数的原则是在满足各种性能要求的前提下,使减速器的体积最小,这样设计的减速器既经济又实用,从而达到了优化的目的。要使减速器的体积最小,必须使减速器的总中心距最小。因此,以减速器的中心距最小建立目标函数为 a∑=[x3x1(1+x5)+x4x2(1+i0/x5)] 6 (2)1.3约束条件的确定 为使两级齿轮传动减速器满足强度、设计变量 基于遗传算法的齿轮减速器优化设计* 吴婷,张礼兵,黄磊 (安徽建筑工业学院机电学院,合肥230601) 摘要:对两级齿轮减速器优化设计进行了分析,建立了其优化设计的数学模型,确定了优化设计的约束条件,采用遗传算法对两级齿轮减速器进行优化设计,并通过实例说明,采用遗传算法对减速器进行优化,可以得到更加优化的设计结果。 关键词:减速器;遗传算法;优化设计 中图分类号:TH132文献标志码:A文章编号:1003-0794(2009)12-0009-03 Gear Reducer Optimal Design Based on Genetic Algorithm WU Ting,ZHANG Li-bing,HUANG Lei (School of Mechanical and Electrical Engineering,Anhui University of Architecture,Hefei230601,China)Abstract:T he optimal design of a gear reducer was analyzed,the mathematic model was established, and the restriction condition was confirmed.Design of the gear reducer was optimized with genetic algorithm and the examples showed that design of the gear reducer based on genetic algorithm can gain more optimized result. Key words:reducer;genetic algorithm;optimal design *安徽省教育厅自然基金项目(2006KJ015C) 轴1轴2轴3 z1z2 z3z4 9

基于遗传算法的参数优化估算模型

基于遗传算法的参数优化估算模型 【摘要】支持向量机中参数的设置是模型是否精确和稳定的关键。固定的参数设置往往不能满足优化模型的要求,同时使得学习算法过于死板,不能体现出来算法的智能化优点,因此利用遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)对估算模型的参数进行优化,使得估算模型灵活、智能,更加符合实际工程建模的需求。 【关键词】遗传算法;参数优化;估算模型 1.引言 随着支持向量机估算模型在工程应用的不断深入。研究发现,支持向量机算法(包括LS-SVM算法)存在着一些本身不可避免的缺陷,最为突出的是参数的选取和优化问题,以往在参数选取方面,一般依靠专家系统或者设定初始值盲目搜寻等等,在实际应用必然会影响模型的精准度,造成一定影响。如何选取合理的参数成为支持向量机算法应用过程中应用中关注的问题,同时也是目前应用研究的重点。而常用的交叉验证试算的方法,不仅耗时,且搜索目的不清,使得资源浪费,耗时耗力。不能有效的对参数进行优化。 针对参选取的问题,本文使用GA算法对模型中的参数设置进行优化。 2.遗传算法 2.1 遗传算法的实施过程 遗传算法的实施过程中包括了编码、产生群体、计算适应度、复制、交换、变异等操作。图1详细的描述了遗传算法的流程。 其中,变量GEN是当前进化代数;N是群体规模;M是算法执行的最大次数。 遗传算法在参数寻优过程中,基于生物遗传学的基本原理,模拟自然界生物种群的“物竞天则,适者生存”的自然规律。把自变量看作生物体,把它转化成由基因构成的染色体(个体),把寻优的目标函数定义为适应度,未知函数视为生存环境,通过基因操作(如复制、交换和变异等),最终求出全局最优解。 2.2 GA算法的基本步骤 遗传算法操作的实施过程就是对群体的个体按照自然进化原则(适应度评估)施加一定的操作,从而实现模型中数据的优胜劣汰,使得进化过程趋于完美。从优化搜索角度出发,遗传算法可使问题的解,一代一代地进行优化,并逼近最优解。 通常采用的遗传算法的工作流程和结果形式有Goldberg提出的,常用的GA 算法基本步骤如下: ①选择编码策略,把参数集合X和域转换为位串结构空间S。常用的编码方法有二进制编码和浮点数编码。 ②定义合适的适应度函数,保证适应度函数非负。 ③确定遗传策略,包括选择群体大小,选择、交叉、变异方法,以及确定交叉概率、变异概率等其它参数。 ④随机初始化生成群体N,常用的群体规模:N=20~200。 ⑤计算群体中个体位串解码后的适应值。 ⑥按照遗传策略,运用选择、交叉和变异算子作用于群体,形成下一代群体。 ⑦判断群体性能是否满足某一个指标,或者以完成预订迭代次数,若满足则

遗传算法电机优化设计简介

收稿日期:20001225 综 述 遗传算法电机优化设计简介 李鲲鹏,胡虔生 (东南大学,南京210096) B rief I ntroduction of Motor Optimizing Design B ased on G enetic Algorithms L I Kun -peng ,HU Qian -sheng (S outheast University ,Nanjing 210096,China ) 摘 要:介绍了遗传算法的基本思想及其特点,实现了基于遗传算法的电机优化设计,讨论了保证其全局收敛性的方法,最后给出了基于遗传算法的电机优化设计实例。 关键词:电机优化设计;遗传算法;全局收敛性中图分类号:T M302 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2001)04-0032-02 Abstract :In this paper ,the essence and a pplications of genetic alg orithms are friendly introduced.Based on com paris ons between ge 2netic alg orithms and conventional methods ,the a pplication of genetic alg orithm to motor design is im plemented.In this process ,the meth 2ods to improve the global convergence of genetic alg orithm are dis 2cussed.Finally ,the results of the optimization of three -phase electri 2cal machine design based on genetic alg orithms are presented. K eyw ords :motor optimal design ;genetic alg orithms (G A );glob 2al convergence 1遗传算法的基本思想及其特点 遗传算法是模拟生物进化机制的一种现代优化计算方法。其基本思想是:首先通过编码操作将问题空间映射到编码空间(如[0,1]L ),然后在编码空间内进行选择、交叉、变异三种遗传操作及其循环迭代操作,模拟生物遗传进化机制,搜索编码空间的最优解,最后逆映射到原问题空间,从而得到原问题的最优解。选择操作模拟了个体之间和个体与环境之间的生存竞争,优良个体有更多的生存繁殖机会。在这种选择压力作用下,个体之间通过交叉、变异遗传操作进行基因重组,期望得到更优秀的后代个体,在这场竞争中胜出。选择、交叉、变异遗传操作都是以概率值进行的。这些概率值与当时生存环境和个体适应能力密切相关。从这里可以看出遗传算法是一种随机性搜索算法,但是它不同于传统的随机搜索算法。遗传算法通过交叉算子(Cross over operator )和变异算子(Mutation Operator )的协同作用确保状态空间([0,1]L )各点的概 率可达性,在选择算子(Selection Operator )的作用下保证迭代进程的方向性。 2电机优化设计的数学模型和一般优化方法 电机优化设计的一般数学模型: min/max :f (x ) g i (X )≤0,i =1,2,3,…,m X j ∈[a j ,b j ],j =1,2,3,…,n (1) 其中:X =[x 1,x 2,x 3,…,x n ]为设计参量即电磁系统的参数,如冲片尺寸、绕组参量等。g i (X )(i =1,2,3,…,m )为约束条件,如性能约束和一般约束。由于目标函数f (X )和约束条件g i (X )都是X 的高度非线性函数,因此电机优化设计问题是求解约束非线性最优化问题。 由于电机设计的目标函数f (X )不是一个单纯的数学表达式,而是一段电机设计分析计算程序,在计算目标函数值的同时还计算各个性能指标值,即约束条件函数值,因此利用目标函数的梯度确定搜索方向的优化方法在电机优化设计中是相当繁琐,直接利用目标函数值的优化方法在电机优化设计中具有优势,遗传算法通过选择、交叉、变异算子的协同作用,既保证了搜索的方向性,又满足了状态空间各点的概率可达性,具有概率意义下的全局收敛性。遗传算法继承了传统确定性算法和一般随机算法的优点,是一种新的启发式随机搜索算法。 遗传算法对约束的处理有两种思路:增加修正算子将约束条件反映在遗传算子的设计中;利用惩罚函数法将有约束优化问题转化为无约束优化问题。在电机优化设计中常采取后者。基于遗传算法的惩罚函数主要分为静态惩罚函数、动态惩罚函数和自适应惩罚函数三种[4]。自适应惩罚函数法效果较好,但较复杂; 静态、动态惩罚函数相对较简单,经常使用。约束条件 23 微特电机 2001年第4期

遗传算法及其在TSP问题中的应用

遗传算法及其在TSP问题中的应用 摘要:本文首先介绍了遗传算法的基本理论与方法,从应用的角度对遗传算法做了认真的分析和研究,总结了用遗传算法提出求解组合优化问题中的典型问题——TSP问题的最优近似解的算法。其次,本文在深入分析和研究了遗传算法基本理论与方法的基础上,针对旅行商问题的具体问题,设计了基于TSP的遗传算法的选择、交叉和变异算子等遗传算子,提出了求解旅行商问题的一种遗传算法,并用Matlab语言编程实现其算法,最后绘出算法的仿真结果,并对不同结果作出相应的分析。然后,本文还针对遗传算法求解TSP时存在的一些问题对该算法进行了适当的改进。如针对初始群体、遗传算子作出适当改进,或者将遗传算法与其他方法相结合,以及在编程过程中对算法流程的改进。本人在用计算机模拟遗传算法求解TSP问题时,首先分析了用Matlab语言设计遗传算法程序的优越性,接着以遗传算法求解TSP问题为例,深入讨论了各个遗传算子的程序实现,并通过分析实验数据,得到各个遗传算子在搜索寻优过程中所起的作用,最后指出了用Matlab语言编程同用其它高级程序语言编程的差异所在,以及运用Matlab编写遗传算法程序的一些注意事项。最后,本文提出将遗传算法与其它算法相结合来求解一般问题的想法;并将遗传算法的应用范围扩展,提出可以运用遗传算法求解由TSP衍生出的各类TSP扩展问题,如求解配送/收集旅行商问题的遗传算法(TSPD)、遗传算法在货物配送问题中的应用(ST-TSP)、多旅行商问题(MTSP)等。 引言:优化问题可以自然地分为两类:一类是连续变量的优化问题;另一类是离散变量的优化问题,即所谓组合优化问题。对于连续变量的优化问题,一般是求一组实数或一个函数;而在组合优化问题中,一般是从一个无限集或有限的几个无限集中寻找一个对象——它可以是一个整数,一个集合,一个排列或者一个图,也即是从可行解中求出最优解的问题。TSP问题就是其中的典型例子,就本质上而言它可抽象为数学上的组合优化,它描述的是旅行商经N个城市的最短路径问题,因而对TSP问题的求解是数学上,同时也是优化问题中普遍关注的。旅行商问题(Traveling Salesman Problem,简称TSP)也称为货担郎问题,是一个较古的问题,最早可以追溯到1759年Euler提出的骑士旅行问题[9]。旅行商问题可以解释为,一位推销员从自己所在城市出发,必须邀访所有城市且每个城市只能访问一次之后又返回到原来的城市,求使其旅行费用最小(和旅行距离最短)的路径。 TSP是一个典型的组合优化问题,并且是一个NP难题,所以一般很难精确地求出其最优解,因而寻找出其有效的近似求解算法就具有重要的理论意义。另一方面,很多实际应用问题,如公安执勤人员的最优巡回路线、流水作业生产线的顺序问题、车辆调度问题、网络问题、切割问题以至机组人员的轮班安排、教师任课班级负荷分配等问题,经过简化处理后,都可建模为TSP问题,因而对旅行商问题求解方法的研究也具有重要的应用价值。再者,在各种遗传算法应用实例中,其个体编码方法大多都是采用二进制编码方法或浮点数编码方法,而TSP问题是一种典型的需要使用符号编码方法的实际问题,所以,研究求解TSP问题的遗传算法,对促进遗传算法本身的发展也具有重要意义。在过去的20年里,在求解旅行商问题的最优解方面取得了极大的进展。尽管有这些成就,但旅行商问题还远未解决,问题的许多方面还要研究,很多问题还在期待满意的回答。 另外,遗传算法就其本质来说,主要是解决复杂问题的一种鲁棒性强的启发式随机

遗传算法的优化计算——建模自变量降维

%% 清空环境变量 clear all clc warning off %% 声明全局变量 global P_train T_train P_test T_test mint maxt S s1 S=30; s1=50; %% 导入数据 load data.mat a=randperm(569); Train=data(a(1:500),:); Test=data(a(501:end),:); % 训练数据 P_train=Train(:,3:end)'; T_train=Train(:,2)'; % 测试数据 P_test=Test(:,3:end)'; T_test=Test(:,2)'; % 显示实验条件 total_B=length(find(data(:,2)==1)); total_M=length(find(data(:,2)==2)); count_B=length(find(T_train==1)); count_M=length(find(T_train==2)); number_B=length(find(T_test==1)); number_M=length(find(T_test==2)); disp('实验条件为:'); disp(['病例总数:' num2str(569)... ' 良性:' num2str(total_B)... ' 恶性:' num2str(total_M)]); disp(['训练集病例总数:' num2str(500)... ' 良性:' num2str(count_B)... ' 恶性:' num2str(count_M)]); disp(['测试集病例总数:' num2str(69)... ' 良性:' num2str(number_B)... ' 恶性:' num2str(number_M)]); %% 数据归一化 [P_train,minp,maxp,T_train,mint,maxt]=premnmx(P_train,T_train); P_test=tramnmx(P_test,minp,maxp); %% 创建单BP网络 t=cputime; net_bp=newff(minmax(P_train),[s1,1],{'tansig','purelin'},'trainlm'); % 设置训练参数 net_bp.trainParam.epochs=1000;

遗传算法的优化计算

function Val=de_code(x) % 全局变量声明 global S P_train T_train P_test T_test mint maxt global p t r s s1 s2 % 数据提取 x=x(:,1:S); [m,n]=find(x==1); p_train=zeros(size(n,2),size(T_train,2)); p_test=zeros(size(n,2),size(T_test,2)); for i=1:length(n) p_train(i,:)=P_train(n(i),:); p_test(i,:)=P_test(n(i),:); end t_train=T_train; p=p_train; t=t_train; % 遗传算法优化BP网络权值和阈值 r=size(p,1); s2=size(t,1); s=r*s1+s1*s2+s1+s2; aa=ones(s,1)*[-1,1]; popu=20; % 种群规模 initPpp=initializega(popu,aa,'gabpEval'); % 初始化种群 gen=100; % 遗传代数 % 调用GAOT工具箱,其中目标函数定义为gabpEval x=ga(aa,'gabpEval',[],initPpp,[1e-6 1 0],'maxGenTerm',gen,... 'normGeomSelect',0.09,'arithXover',2,'nonUnifMutation',[2 gen 3]); % 创建BP网络 net=newff(minmax(p_train),[s1,1],{'tansig','purelin'},'trainlm'); % 将优化得到的权值和阈值赋值给BP网络 [W1,B1,W2,B2]=gadecod(x); net.IW{1,1}=W1; net.LW{2,1}=W2; net.b{1}=B1; net.b{2}=B2; % 设置训练参数 net.trainParam.epochs=1000; net.trainParam.show=10; net.trainParam.goal=0.1; net.trainParam.lr=0.1; net.trainParam.showwindow=0;

遗传算法

遗传算法 开放分类:编程、程序、数学、计算机、算法 目录 ? 遗传算法定义 ? 遗传算法特点 ? 遗传算法的应用 ? 遗传算法的现状 ? 遗传算法的一般算法 ? 遗传算法实例 遗传算法定义 [编辑本段] 遗传算法(Genetic Algorithm)是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型,是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法,它是有美国Michigan大学J.Holland教授于1975年首先提出来的,并出版了颇有影响的专著《Adaptation in Natural and Artificial Systems》,GA这个名称才逐渐为人所知,J.Hilland教授所提出的GA通常为简单遗传算法(SGA)。 遗传算法是从代表问题可能潜在的解集的一个种群(population)开始的,而一个种群则由经过基因(gene)编码的一定数目的个体(individual)组成。每个个体实际上是染色体(chromosome)带有特征的实体。染色体作为遗传物质的主要载体,即多个基因的集合,其内部表现(即基因型)是某种基因组合,它决定了个体的形状的外部表现,如黑头发的特征是由染色体中控制这一特征的某种基因组合决定的。因此,在一开始需要实现从表现型到基因型的映射即编码工作。由于仿照基因编码的工作很复杂,我们往往进行简化,如二进制编码,初代种群产生之后,按照适者生存和优胜劣汰的原理,逐代(generation)演化产生出越来越好的近似解,在每一代,根据问题域中个体的适应度(fitness)大小挑选(selection)个体,并借助于自然遗传学的遗传算子(genetic operators)进行组合交叉(crossover)和变异(mutation),产生出代表新的解集的种群。这个过程将导致种群像自然进化一样的后生代种群比前代更加适应于环境,末代种群中的最优个体经过解码(decoding),可以作为问题近似最优解。 遗传算法特点 [编辑本段] 遗传算法是一类可用于复杂系统优化的具有鲁棒性的搜索算法,与传统的优化算法相比,主要有以下特点:1、遗传算法以决策变量的编码作为运算对象。传统的优化算法往往直接决策变量的实际植本身,而遗传算法处理决策变量的某种编码形式,使得我们可以借鉴生物学中的染色体和基因的概念,可以模仿自然界生物的遗传和进化机理,也使得我们能够方便的应用遗传操作算子。 2、遗传算法直接以适应度作为搜索信息,无需导数等其它辅助信息。 3、遗传算法使用多个点的搜索信息,具有隐含并行性。 4、遗传算法使用概率搜索技术,而非确定性规则。 遗传算法的应用 [编辑本段] 由于遗传算法的整体搜索策略和优化搜索方法在计算是不依赖于梯度信息或其它辅助知识,而只需要影响

遗传算法与优化问题

遗传算法与优化问题 (摘自:华东师范大学数学系;https://www.360docs.net/doc/6114677019.html,/) 一、问题背景与实验目的 二、相关函数(命令)及简介 三、实验内容 四、自己动手 一、问题背景与实验目的 遗传算法(Genetic Algorithm—GA),是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型,它是由美国Michigan大学的J.Holland教授于1975年首先提出的.遗传算法作为一种新的全局优化搜索算法,以其简单通用、鲁棒性强、适于并行处理及应用范围广等显著特点,奠定了它作为21世纪关键智能计算之一的地位. 本实验将首先介绍一下遗传算法的基本理论,然后用其解决几个简单的函数最值问题,使读者能够学会利用遗传算法进行初步的优化计算. 1.遗传算法的基本原理 遗传算法的基本思想正是基于模仿生物界遗传学的遗传过程.它把问题的参数用基因代表,把问题的解用染色体代表(在计算机里用二进制码表示),从而得到一个由具有不同染色体的个体组成的群体.这个群体在问题特定的环境里生存竞争,适者有最好的机会生存和产生后代.后代随机化地继承了父代的最好特征,并也在生存环境的控制支配下继续这一过程.群体的染色体都将逐渐适应环境,不断进化,最后收敛到一族最适应环境的类似个体,即得到问题最优的解.值得注意的一点是,现在的遗传算法是受生物进化论学说的启发提出的,这种学说对我们用计算机解决复杂问题很有用,而它本身是否完全正确并不重要(目前生物界对此学说尚有争议).

(1)遗传算法中的生物遗传学概念 由于遗传算法是由进化论和遗传学机理而产生的直接搜索优化方法;故而在这个算法中要用到各种进化和遗传学的概念. 首先给出遗传学概念、遗传算法概念和相应的数学概念三者之间的对应关系.这些概念如下: (2)遗传算法的步骤 遗传算法计算优化的操作过程就如同生物学上生物遗传进化的过程,主要有三个基本操作(或称为算子):选择(Selection)、交叉(Crossover)、变异(Mutation). 遗传算法基本步骤主要是:先把问题的解表示成“染色体”,在算法中也就是以二进制编码的串,在执行遗传算法之前,给出一群“染色体”,也就是假设的可行解.然后,把这些假设的可行解置于问题的“环境”中,并按适者生存的原则,从中选择出较适应环境的“染色体”进行复制,再通过交叉、变异过

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