遗传算法and多目标遗传算法
遗传算法原理步骤及发展状况和未来趋势
遗传算法原理步骤及发展状况和未来趋势遗传算法（Genetic Algorithm，GA）是一种受到生物学演化理论启发的优化算法，通过模拟自然界的生物进化过程，能逐步逼近最优解。
以下是遗传算法的原理步骤、发展状况和未来趋势的详细说明。
原理步骤：1.初始化种群：随机生成一组初始个体，称为种群。
2.适应度评估：根据问题的适应度函数，对种群中的每个个体进行评估，得到其适应度值。
3.选择：根据个体的适应度值，利用一定的策略选择出一部分个体作为父代。
4.交叉：对选出的父代个体进行交叉操作，生成新一代的子代个体。
5.变异：对新一代的子代个体进行变异操作，以增加种群的多样性。
6.替代：根据一定的策略，用新一代个体替代旧一代个体，生成下一代种群。
7.终止条件判断：根据问题设定的终止条件，判断是否满足停止进化的条件，若满足则结束，否则返回第2步。
发展状况：遗传算法最早由约翰·霍兰德（John Holland）于20世纪60年代提出，之后经过多位学者的改进和发展，得到了广泛应用。
随着计算机计算能力的提高，遗传算法在解决实际问题中的应用也逐渐增多。
目前，遗传算法已成为求解复杂优化问题的一种重要方法。
不仅在工程优化、组合优化、机器学习等领域得到广泛应用，还在解决传统算法难以解决的问题上显示出了很好的效果。
未来趋势：1.并行化：随着大数据和高性能计算的发展，遗传算法将更多地借助并行计算来提高效率，同时处理更复杂的问题。
2.启发式算法融合：遗传算法与其他启发式算法（如模拟退火、粒子群算法等）相结合，能够充分发挥各自的优势，进一步提高求解效果。
3.多目标优化：将遗传算法应用于多目标优化问题，在满足多个目标的约束条件下，寻找出一组最优解，将成为未来的研究热点。
4.自适应性：自适应遗传算法能够根据问题的特点，自动调节遗传算子的操作参数，使算法更加灵活有效，未来的发展将更加注重算法的自适应能力。
5.深度学习结合：将遗传算法与深度学习结合，可以进一步提高算法求解能力，例如通过遗传算法来优化深度神经网络的结构和超参数。
遗传算法遗传算法
（5）遗传算法在解空间进行高效启发式搜索，而非盲 目地穷举或完全随机搜索；
（6）遗传算法对于待寻优的函数基本无限制，它既不 要求函数连续，也不要求函数可微，既可以是数学解 析式所表示的显函数，又可以是映射矩阵甚至是神经 网络的隐函数，因而应用范围较广；
（7）遗传算法具有并行计算的特点，因而可通过大规 模并行计算来提高计算速度，适合大规模复杂问题的 优化。
26
（4）基本遗传算法的运行参数 有下述4个运行参数需要提前设定：
M：群体大小，即群体中所含个体的数量，一般取为 20~100； G：遗传算法的终止进化代数，一般取为100~500； Pc：交叉概率，一般取为0.4~0.99；
Pm：变异概率，一般取为0.0001~0.1。
27
10.4.2 遗传算法的应用步骤
遗传算法简称GA（Genetic Algorithms）是1962年 由美国Michigan大学的Holland教授提出的模拟自然 界遗传机制和生物进化论而成的一种并行随机搜索最 优化方法。
遗传算法是以达尔文的自然选择学说为基础发展起 来的。自然选择学说包括以下三个方面：
1
（1）遗传：这是生物的普遍特征，亲代把生物信息交 给子代，子代总是和亲代具有相同或相似的性状。生 物有了这个特征，物种才能稳定存在。
18
（3）生产调度问题 在很多情况下，采用建立数学模型的方法难以对生
产调度问题进行精确求解。在现实生产中多采用一些 经验进行调度。遗传算法是解决复杂调度问题的有效 工具，在单件生产车间调度、流水线生产车间调度、 生产规划、任务分配等方面遗传算法都得到了有效的 应用。
19
（4）自动控制。 在自动控制领域中有很多与优化相关的问题需要求
10
多目标遗传算法NSGA-II
在NSGA-II中，我们计算两个属性Sp 和np来帮助我们识别更好的个体。
快速非支配排序
假设种群大小为P，该算法需要计算每个个体p的被支配个数np和该个体支配的解的集合Sp 这两个参数。 遍历整个种群
该算法的伪代码如下：
拥挤度
• 为了使得到的解在目标空间中更加均匀，引入了拥挤度的概念
•为所有个体的拥挤距离初始化零。 •审视所有的个人和目标值。通过用Inf值分配绑定解决方案 来选择它们。 •计算每个目标的第m个最大值和最小值，得到归一化的分 母。 •对第i个个体的m个目标的拥挤距离求和
计算拥挤度是为了保存下来相似程度较低的解，保持解空间的多样性
精英保留策略
1 首先将父代种群Pt和子代种群Qt合成种群Rt 2 根据以下规则从种群Rt生成新的父代种群Rt+1
(1)根据Pareto等级从低到高的顺序，将整层种 群放入父代种群Rt+1中，真到某一层个体不能 全部放入父代种群Rt+1。 (2)将该层个体根据拥挤度从大到小排列，依次 放入父代种群Rt+1中，直到父代种群Rt+1f填满。
单目标优化——》多目标优化
NSGA-II 在常规遗传算法上的改进
• 1 快速非支配算子设计 • 多目标优化问题的设计关键在于求取Pareto最优解集。
• 2 通过优先选择拥挤距离较大的个体
• 3 精英策略选择算子
• NAS中的性能评估也可以是一个多目标问题 • 测试集上的准确率 • 参数数量
遗传算法解决多目标优化问题
多目标优化问题：
• 包含多个可能有冲突的目标函数
NSGA-Ⅱ算法，即带有精英保留策略的快 速非支配多目标优化算法，是一种基于 Pareto最优解的多目标优化算法。
多目标优化问题的解法概述
多目标优化问题的解法概述多目标优化问题是指在优化过程中需要同时考虑多个目标函数的情况。
在实际生活和工程领域中，很多问题都涉及到多个相互矛盾的目标，因此如何有效地解决多目标优化问题成为了一个重要的研究方向。
本文将对多目标优化问题的解法进行概述，介绍几种常见的解法方法。
**多目标优化问题的定义**在多目标优化问题中，通常会涉及到多个冲突的目标函数，这些目标函数之间可能存在相互制约或者矛盾。
多目标优化问题的目标是找到一组解，使得这些解在多个目标函数下都能取得较好的性能，而不是仅仅优化单个目标函数。
**多目标优化问题的解法**1. **加权和法**加权和法是一种简单而直观的多目标优化方法。
在加权和法中，将多个目标函数线性组合成一个单目标函数，通过调整各个目标函数的权重来平衡不同目标之间的重要性。
然后将这个单目标函数作为优化目标进行求解。
加权和法的优点是简单易实现，但缺点是需要事先确定好各个目标函数的权重，且对权重的选择比较敏感。
2. **Pareto最优解法**Pareto最优解法是一种经典的多目标优化方法。
在Pareto最优解法中，通过定义Pareto最优解的概念，即不存在其他解能同时优于该解的情况下，找到一组解集合，使得这组解集合中的任意解都无法被其他解所优于。
这组解集合被称为Pareto最优解集合，解集合中的解称为Pareto最优解。
Pareto最优解法的优点是能够找到一组在多个目标下都较优的解，但缺点是求解过程比较复杂，需要对解空间进行全面搜索。
3. **多目标遗传算法**多目标遗传算法是一种基于进化计算的多目标优化方法。
在多目标遗传算法中，通过模拟生物进化的过程，利用遗传算子对解空间进行搜索，逐步优化个体的适应度，从而得到Pareto最优解集合。
多目标遗传算法的优点是能够有效处理多目标优化问题，具有较好的全局搜索能力和收敛性，但缺点是算法参数的选择和调整比较困难。
4. **多目标粒子群优化算法**多目标粒子群优化算法是一种基于群体智能的多目标优化方法。
遗传算法原理及其应用
遗传算法原理及其应用
遗传算法（Genetic Algorithm，GA）是一种基于进化论和自然选择理论的优化算法，能够在搜索空间中找到最优解或接近最优解。
它模仿了生物的自然进化过程，在解空间中搜索并逐代演化产生最优解。
遗传算法通常用于解决优化问题，如生产规划、任务调度、路线规划等。
它的基本原理是将问题抽象成一个个的“染色体”，并用一些遗传操作来模拟生物的进化过程，如交叉、变异、选择等。
通过不断重复这些操作，最优解逐渐浮出水面。
遗传算法的优点在于可以在解空间中寻找全局最优解，能够处理高维度的复杂问题。
与其他优化算法相比，它的收敛速度较快，且不易陷入局部最优解。
但在算法的实现过程中，需要设置好参数、选择合适的编码方法等。
除了传统的遗传算法，还有一些变种的遗传算法，如多目标遗传算法（MOGA）、遗传规划算法（GPA）等。
这些算法都有各自的优点和适用范围。
总之，遗传算法是一种准确、高效、可靠的优化算法，在工程、科学等领域中广泛应用。
多目标规划遗传算法
%遗传算法解决多目标函数规划 clear clc syms x; %Function f1=f(x) f1=x(:,1).*x(:,1)/4+x(:,2).*x(:,2)/4; %function f2=f(x) f2=x(:,1).*(1-x(:,2))+10; NIND=100; MAXGEN=50; NVAR=2; PRECI=20; GGPA=0.9; trace1=[]; trace2=[]; trace3=[]; FielD=[rep([PRECI],[1,NVAR]);[1,1;4,2];rep([1;0;1;1],[NVAR])]; Chrom=crtbp(NIND,NVAR*PRECI); v=bs2rv(Chrom,FielD); gen=1; while gen<MAXGEN,
[NIND,N]=size(Chrom); M=fix(NIND/2); Objபைடு நூலகம்1=f1(v(1:M,:)); FitnV1=ranking(ObjV1); SelCh1=select('sus',Chrom((M+1):NIND,:),FintV2,GGAP); SelCh=[SelCh1;SelCh2]; SelCh=recombin('xovsp',SelCh,0.7); Chrom=mut(SelCh); v=bs2rv(Chrom,FielD); trace1(gen,1)=min(f1(v)); trace1(gen,2)=sum(f1(v))/length(f1(v)); trace2(gen,1)=min(f2(v)); trace2(gen,2)=sum(f2(v))/length(f2(v)); trace3(gen,1)=min(f1(v)+f2(v)); trace3(gen,2)=sum(f1(v))/length(f1(v))+sum(f2(v))/length(f2(v)); gen=gen+1; end figure(1); clf; plot(trace1(:,1)); hold on; plot(trace1(:,2),'-.'); plot(trace1(:,1),'.');
遗传算法在多目标优化的应用公式,讨论,概述总括
遗传算法在多目标优化的应用：公式，讨论，概述/总括概述本文主要以适合度函数为基础的分配方法来阐述多目标遗传算法。
传统的群落形成方法（niche formation method）在此也有适当的延伸,并提供了群落大小界定的理论根据。
适合度分配方法可将外部决策者直接纳入问题研究范围，最终通过多目标遗传算法进行进一步总结：遗传算法在多目标优化圈中为是最优的解决方法，而且它还将决策者纳入在问题讨论范围内。
适合度分配方法通过遗传算法和外部决策者的相互作用以找到问题最优的解决方案，并且详细解释遗传算法和外部决策者如何通过相互作用以得出最终结果。
1.简介求非劣解集是多目标决策的基本手段。
已有成熟的非劣解生成技术本质上都是以标量优化的手段通过多次计算得到非劣解集。
目前遗传算法在多目标问题中的应用方法多数是根据决策偏好信息，先将多目标问题标量化处理为单目标问题后再以遗传算法求解，仍然没有脱离传统的多目标问题分步解决的方式。
在没有偏好信息条件下直接使用遗传算法推求多目标非劣解的解集的研究尚不多见。
本文根据遗传算法每代均产生大量可行解和隐含的并行性这一特点，设计了一种基于排序的表现矩阵测度可行解对所有目标总体表现好坏的向量比较方法，并通过在个体适应度定标中引入该方法，控制优解替换和保持种群多样性，采用自适应变化的方式确定交叉和变异概率，设计了多目标遗传算法(Multi Objective Genetic Algorithm, MOGA)。
该算法通过一次计算就可以得到问题的非劣解集，简化了多目标问题的优化求解步骤。
多目标问题中在没有给出决策偏好信息的前提下，难以直接衡量解的优劣，这是遗传算法应用到多目标问题中的最大困难。
根据遗传算法中每一代都有大量的可行解产生这一特点，我们考虑通过可行解之间相互比较淘汰劣解的办法来达到最后对非劣解集的逼近。
考虑一个n维的多目标规划问题，且均为目标函数最大化，其劣解可以定义为： fi (x*)≤fi(xt) i=1，2，⋯⋯，n(1)且式(1)至少对一个i取“＜”。
《遗传算法》课件
达到预设迭代次数
详细描述
当遗传算法达到预设的最大迭代次数时，算法终止。此时 需要根据适应度值或其他指标判断是否找到了满意解或近 似最优解。
总结词
达到预设精度
详细描述
当遗传算法的解的精度达到预设值时，算法终止。此时可 以认为找到了近似最优解。
总结词
满足收敛条件
详细描述
当遗传算法的解满足收敛条件时，算法终止。常见的收敛 条件包括个体的适应度值不再发生变化、最优解连续多代 保持不变等。
多目标优化
传统的遗传算法主要用于单目标优化问题。然而 ，实际应用中经常需要解决多目标优化问题。因 此，发展能够处理多目标优化问题的遗传算法也 是未来的一个重要研究方向。
适应性遗传算法
适应性遗传算法是指根据问题的特性自适应地调 整遗传算法的参数和操作，以提高搜索效率和精 度。例如，可以根据问题的复杂度和解的质量动 态调整交叉概率、变异概率等参数。
自适应调整是指根据个体的适应度值动态调整 适应度函数，以更好地引导遗传算法向更优解 的方向进化。
选择操作
总结词
基于适应度选择
详细描述
选择操作是根据个体的适应 度值进行选择，通常采用轮 盘赌、锦标赛等选择策略， 以保留适应度较高的个体。
总结词
多样性保护
详细描述
为了保持种群的多样性，选择操作可以采 用一些多样性保护策略，如精英保留策略 、小生境技术等。
梯度下降法是一种基于函数梯度的优化算法，与遗传算法结合使用可以加快搜索速度， 提高解的质量。
遗传算法的基本思想
初始化
随机生成一组解作为初始种群。
适应度评估
根据问题的目标函数计算每个解 的适应度值。
选择操作
根据适应度值的大小，选择适应 度较高的解进行遗传操作。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
全称：Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ
快速非支配排序法—分级
拥挤度比较算子 --拥挤度的确定
拥挤度比较算子--拥挤度比较算子
精英策略
开始 进化代数Gen=1,初始化种群 i=i+1 i=1
N Y 交叉,变异
Y
N
Gen=Gen+1
N
Gen=最大代数 Y
输出
感谢聆听
不削弱至少一个其他目标函数。这
种解称作非支配解或Pareto最优解.
Pareto最优前沿
Pareto最优解的集合称为Pareto最优前沿
2
遗传算法
问题:
min g ( x) x
2
x [0,63]
1、产生初始种群
2、计算适应度
f ( x) g ( x) x
2
x [0,63]
f ( x)
x
选择：具有随机性和进化性。
进化性：选择适应度高的个体进入下一代。 随机性：按照概率选择适应度高的进入下一代。
交叉
单点交叉
rand pc
rand pc
双点交叉
rand pc
rand pc
变异
rand pc
rand pc
迭代优化
选择
变异
交叉
最优解
3
NSGA-Ⅱ
大连海事大学 交通运输管理学院
多目标遗传算法
BY：*****
CONTENTS
CONTENTS
1 2
基本概念
遗传算法 NSGA-Ⅱ
3
单目标和多目标
Pareto占优
F
Pareto最优解
对于多目标优化问题，通常存在一 个解集，这些解之间就全体目标函 数而言是无法比较优劣的，其特点 是:无法在改进任何目标函数的同时