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。
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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：