003-2多目标优化的是实现
多目标优化 通俗易懂解释
多目标优化通俗易懂解释多目标优化（Multi-Objective Optimization，简称MOO）是指在优化问题中需要同时考虑多个冲突的目标，并通过优化算法寻找一组最优解，使得所有目标尽可能得到满足。
与传统的单目标优化问题不同，多目标优化问题关注的是多个相互矛盾的目标之间的平衡与权衡。
为了更好地理解多目标优化，我们可以以购物为例。
假设你希望购买一台新的手机，但你关心的不仅仅是价格，还有手机的性能、摄像头质量、电池寿命等多个指标。
在这个情境下，我们面临的是一个多目标优化问题：如何在有限的预算内找到一款价格合适且在其他方面也达到自己期望的手机，使得多个目标得到最大程度的满足。
多目标优化的核心是找到一组最优解，这组解被称为“非劣解集”或“帕累托前沿”。
这些解在多个目标上都无法再有改进，并且它们之间没有明确的优先级关系，只有在具体问题和决策者的需求下，才能确定最终选择哪个解。
多目标优化可以应用于各种领域，如工程设计、金融投资、资源调度等。
在工程设计中，多目标优化可以帮助设计师在满足多个需求的前提下，找到最佳设计方案。
在金融投资中，多目标优化可以帮助投资者在追求高收益的同时，降低风险。
在资源调度中，多目标优化可以帮助管理者在有限的资源条件下，实现多个目标的平衡。
为了解决多目标优化问题，研究者和工程师们普遍采用了各种优化算法，如遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
这些算法能够搜索整个解空间，并找到一组非劣解集。
在实际应用中，多目标优化需要考虑问题的复杂性、目标之间的权衡以及决策者的偏好。
因此，在进行多目标优化时，建议以下几点指导原则：1.明确目标：确定所有需要优化的目标，并理解它们之间的关系和权重。
2.寻找可行解方案：确定问题的可行解空间，并列举一些可能的解决方案。
3.选择适当的优化算法：根据问题的特征和要求，选择适合的优化算法进行求解。
4.评估与选择非劣解：通过对候选解进行评估和比较，选择一组最优解，即非劣解集。
《多目标优化方法》PPT课件
cij
b1, b2 , b3, b4
解: 设变量 xij ,i 1,2,3; j 1表,2,3示,4 由 运Ai往
总吨公里数为
,总d运ij xi费j 为
求解
i1 j1
的B j货物数,于是
,问题ci优j xij化为
i1 j1
34
min
dij * xij
i1 j1
34
min
cij * xij
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ci何j 调运多少,才能使总的
吨,公里数和总运费都尽量少?
解: 设变量 xij , i 1,2,3; 表j 示1由,2,3,4运往 的货物Ai数,于是总
可以看到：
当P=1时,(VP)就是非线性规划, 称为单目标规划。
对于单目标问题Min f (x,) x1, x2 总D可比较
与 f (x2的) 大小.
f (x1)
对于多目标规划(VP),对于 x1, x2 D， f (x1与) f (都x2 ) 是P 维向量,如何比较两个向量的大小?
多目标优化的非劣解集 Noninferior solution for the model
积为
,它x决1 *定x2重量,而梁的强度取决于截面
形
。
1 6
x1
*
x22
因此,容易列出 梁的数学模型:
min
x1 * x2
max
1 6
*
x1
*
多目标优化算法与求解策略
多目标优化算法与求解策略2多目标优化综述2.1多目标优化的基本概念多目标优化问题(Multi-objective Optimization Problem，MOP)起源于许多实际复杂系统的设计、建模和规划问题，这些系统所在的领域包括工业制造、城市运输、资本预算、森林管理、水库管理、新城市的布局和美化、能量分配等等。
几乎每个重要的现实生活中的决策问题都要在考虑不同的约束的同时处理若干相互冲突的目标，这些问题都涉及多个目标的优化，这些目标并不是独立存在的，它们往往是祸合在一起的互相竞争的目标，每个目标具有不同的物理意义和量纲。
它们的竞争性和复杂性使得对其优化变得困难。
多目标最优化是近20多年来迅速发展起来的应用数学的一门新兴学科。
它研究向量目标函数满足一定约束条件时在某种意义下的最优化问题。
由于现实世界的大量问题，都可归结为含有多个目标的最优化问题，自70年代以来，对于多目标最优化的研究，在国内和国际上都引起了人们极大的关注和重视。
特别是近10多年来，理论探索不断深入，应用范围日益广泛，研究队伍迅速壮大，显示出勃勃生机。
同时，随着对社会经济和工程设计中大型复杂系统研究的深入，多目标最优化的理论和方法也不断地受到严峻挑战并得到快速发展。
近几年来，将遗传算法(Genetic Algorithm，GA)应用于多目标优化问题成为研究热点，这种算法通常称作多目标优化进化算法或多目标优化遗传算法。
由于遗传算法的基本特点是多方向和全局搜索，这使得带有潜在解的种群能够一代一代地维持下来。
从种群到种群的方法对于搜索Pareto解来说是十分有益的。
一般说来，科学研究与工程实践中许多优化问题大都是多目标优化问题。
多目标优化问题中各目标之间通过决策变量相互制约，对其中一个目标优化必须以其它目标作为代价，而且各目标的单位又往往不一致，因此很难客观地评价多目标问题解的优劣性。
与单目标优化问题的本质区别在于，多目标优化问题的解不是唯一的，而是存在一个最优解集合，集合中元素称为Pareto最优或非劣最优。
多目标优化模型
多目标优化模型多目标优化模型是指在优化问题中存在多个目标函数的情况下，同时优化这些目标函数的模型。
多目标优化模型的出现是为了解决现实问题中存在的多因素、多目标的情况，通过将多个目标函数综合考虑，寻求最优的方案。
多目标优化模型的基本特点是：1. 多目标函数：多目标优化模型中存在多个目标函数，每个目标函数反映了不同的优化目标。
2. 目标函数之间的相互制约：目标函数之间往往存在相互制约的关系，即对某一个目标函数的优化可能会对其他目标函数产生不利影响。
3. 非单一最优解：多目标优化模型往往存在多个最优解，而不是唯一的最优解。
这是因为不同的最优解往往对应了不同的权衡方案，选择最终解需要根据决策者的偏好进行。
解决多目标优化模型的常用方法有：1. 加权法：将多个目标函数进行线性加权求和的方式，转化为单一目标函数的优化问题。
通过调整目标函数的权重系数，可以实现对不同目标函数的调节。
2. 约束优化法：将多目标优化问题转化为带有约束条件的优化问题。
通过引入约束条件来限制不同目标函数之间的关系，使得在满足约束条件的情况下，尽可能地优化各个目标函数。
3. Pareto最优解法：Pareto最优解是指在多目标优化问题中，不存在能够同时优化所有目标函数的方案。
Pareto最优解的特点是，在不牺牲任何一个目标函数的前提下，无法再进一步优化其他目标函数。
通过构建Pareto最优解集合，可以提供决策者在权衡不同目标函数时的参考。
多目标优化模型在现实生活中有着广泛的应用，比如在工程设计中，不仅需要考虑成本和效率，还需要考虑安全性和可持续性等因素。
通过引入多目标优化模型，可以使得决策者能够综合考虑多个因素，选择出最优的方案。
同时，多目标优化模型还能在制定政策和规划城市发展等方面提供决策支持。
多目标优化基本概念
多目标优化基本概念多目标优化（Multi-objective Optimization，简称MOO）是一种在优化问题中同时考虑多个冲突的目标并找到它们之间的最佳平衡点的方法。
在很多实际问题中，单一目标优化方法无法解决问题的多样性和复杂性，因此需要多目标优化方法来解决这些问题。
1.目标函数：多目标优化问题通常涉及到多个冲突的目标函数。
这些目标函数通常是需要最小化或最大化的。
例如，在生产计划问题中，需要最小化成本和最大化生产效率。
在路线规划问题中，需要最小化行驶距离和最小化行驶时间。
2. Pareto最优解：多目标优化问题的解集通常由一组候选解组成，这些解在目标空间中构成了一个前沿（Frontier）或Pareto前沿。
Pareto最优解是指在目标空间中，不存在其他解能够同步减小或增大所有目标函数值而不减小或增大一些目标函数值的解。
也就是说，Pareto最优解是一种无法在同时满足所有目标的情况下进一步优化的解。
3.帕累托支配关系：在多目标优化问题中，解的优劣之间通常通过帕累托支配关系进行比较。
如果一个解A在目标空间中支配解B，则称解A支配解B。
一个解A支配解B，意味着解A在至少一个目标函数上优于解B，并且在其他目标函数上与解B相等。
如果一个解A不能被任何其他解支配，则称解A为非支配解。
4. 优化算法：多目标优化问题的解集通常非常复杂，无法通过常规的单目标优化算法来解决。
因此，需要专门的多目标优化算法。
常见的多目标优化算法包括进化算法（如遗传算法、粒子群算法）、多目标精英蚁群算法、多目标遗传规划算法等。
这些算法在空间中同时考虑多个目标函数，并通过不同的策略来寻找Pareto最优解。
例如，在进化算法中，通过使用非支配排序和拥挤度距离来保持种群的多样性，并在进化过程中进行解集的更新和进化。
5. 解集选择和决策：多目标优化算法通常会生成一组非支配解，这些解构成了整个Pareto前沿。
解集选择是指从这个解集中选择一个或多个解作为最终的优化结果。
多目标优化问题
多目标优化方法基本概述几个概念优化方法一、多目标优化基本概述现今，多目标优化问题应用越来越广，涉及诸多领域。
在日常生活和工程中，经常要求不只一项指标达到最优，往往要求多项指标同时达到最优，大量的问题都可以归结为一类在某种约束条件下使多个目标同时达到最优的多目标优化问题。
例如：在机械加工时，在进给切削中，为选择合适的切削速度和进给量，提出目标：1）机械加工成本最低2）生产率低3）刀具寿命最长；同时还要满足进给量小于加工余量、刀具强度等约束条件。
多目标优化的数学模型可以表示为：X=[x1,x2,…,x n ]T----------n维向量min F(X)=[f1(X),f2(X),…,f n(X)]T----------向量形式的目标函数s.t. g i(X)≤0,(i=1,2,…,m)h j(X)=0,(j=1,2,…,k)--------设计变量应满足的约束条件多目标优化问题是一个比较复杂的问题，相比于单目标优化问题，在多目标优化问题中，约束要求是各自独立的，所以无法直接比较任意两个解的优劣。
二、多目标优化中几个概念：最优解，劣解，非劣解。
最优解X*：就是在X*所在的区间D中其函数值比其他任何点的函数值要小即f(X*)≤f(X)，则X*为优化问题的最优解。
劣解X*：在D中存在X使其函数值小于解的函数值，即f(x)≤f(X*), 即存在比解更优的点。
非劣解X*：在区间D中不存在X使f(X)全部小于解的函数值f(X*).如图：在[0,1]中X*=1为最优解在[0,2]中X*=a为劣解在[1,2]中X*=b为非劣解多目标优化问题中绝对最优解存在可能性一般很小，而劣解没有意义，所以通常去求其非劣解来解决问题。
三、多目标优化方法多目标优化方法主要有两大类：1)直接法：直接求出非劣解，然后再选择较好的解将多目标优化问题转化为单目标优化问题。
2)间接法如：主要目标法、统一目标法、功效系数法等。
将多目标优化问题转化为一系列单目标优化问题。
多目标优化的基本概念与求解方法
多目标优化的基本概念与求解方法目录：1. 引言2. 多目标优化的基本概念3. 多目标优化的求解方法3.1 Pareto优化3.2 加权和法3.3 基因算法3.4 粒子群算法3.5 支配排序遗传算法3.6 其他求解方法4. 多目标优化在实际问题中的应用5. 结论6. 参考文献1. 引言多目标优化是数学和工程领域的一个重要研究方向，它涉及同时优化多个目标函数的问题。
在实际应用中，往往存在着多个相互冲突的目标，而单目标优化方法往往无法有效地解决这种情况。
因此，多目标优化的研究和应用具有重要的意义。
本文将介绍多目标优化的基本概念和求解方法，并探讨其在实际问题中的应用。
2. 多目标优化的基本概念多目标优化的基本概念是在已知多个决策变量的条件下，同时优化多个目标函数。
通过寻找一组决策变量的取值，使得目标函数能够达到最优值或者尽可能接近最优值。
目标函数通常包括多个目标指标，如最大化效益、最小化成本等。
在多目标优化中，存在着一个重要的概念——帕累托最优解。
帕累托最优解是指在多目标优化问题中，不存在其他解能够同时优化所有目标函数的解。
换句话说，帕累托最优解是一组最优解的集合，其中任意解的改善都会导致其他目标函数的恶化。
帕累托最优解的求解是多目标优化的核心目标。
3. 多目标优化的求解方法为了寻找多目标优化问题的最优解，研究者们提出了各种求解方法。
以下将介绍几种常见的多目标优化求解方法。
3.1 Pareto优化Pareto优化是一种经典的多目标优化方法，它通过Pareto支配关系来定义帕累托最优解。
如果一个解支配另一个解，即在所有目标函数上至少有一个指标优于另一个解，并且其余指标至少和另一个解相等，那么称前者支配后者。
通过判断支配关系，可以得到帕累托最优解。
3.2 加权和法加权和法是一种简单而直观的多目标优化方法。
它通过引入权重系数，将多个目标函数线性组合成一个目标函数。
然后使用单目标优化方法求解此组合目标函数。
通过调整权重系数，可以得到不同的解，即帕累托最优解的集合。
多目标优化基本概念
多目标优化基本概念
多目标优化是指在优化问题中存在多个目标函数的情况下，寻找一组最优解，使得每个目标函数都达到最优或尽可能接近最优。
多目标优化问题也常称为多目标优化问题、多目标决策问题或多目标设计问题。
在多目标优化中，我们通常会面临多个相互矛盾的目标，例如最大化利润和最小化成本，最大化生产效率和最小化资源消耗等。
这些目标之间往往存在着一定的冲突，改善一个目标可能会对其他目标产生负面影响。
因此，多目标优化的目标是找到一组解，使得这些解在各个目标上都能达到一个平衡点，称为帕累托最优解或非支配解。
为了描述多目标优化问题，我们通常使用目标向量的概念。
目标向量是由多个目标函数的值组成的向量，表示了问题的多个优化目标。
帕累托最优解可以被理解为在目标向量空间中的一个极端点或极限解，没有其他解能够在所有目标上都优于它。
帕累托最优解通常构成了问题的帕累托前沿或非支配解集。
多目标优化问题的解决方法包括传统的单目标优化方法的扩展，如通过引入权重法、目标规划法等将多目标问题转化为单目标问题进行求解。
同时，也有一些专门针对多目标优化问题设计的算法，如遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
这些算法通常通过维护一组解的集合，并在解的搜索空间中进行迭代搜索，逐步逼近帕累托前沿。
总之，多目标优化是一类重要的优化问题，对于涉及到多个相
互矛盾的目标的实际问题具有广泛的应用，需要专门的算法和方法进行求解。
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多目标和多约束的优化问题都称为多目标优化问题。
在实际应用中，常常需要使多个目标在给定的区域范围都尽可能达到最优，但多个目标之间往往都是相互冲突的。
[24]为了使多目标优化能够顺利实现人们提出了很多方法这类方法主要有：(1)评价函数法。
常用的方法有“线性加权和法”、“极大极小法”、“理想点法”。
评价函数法的实质，是通过构造评价函数式把多目标转化为单目标。
对即有极小化模型又有极大化模型的混合优化问题，可把极大化问题转化为极小化处理，也可用分目标乘除法、功效函数法、选择法等方法解决。
但不同的评价函数，表达了不同的评价意义。
因此，评价函数法只可保证所求得的最优解为多目标优化的有效解，而很难准确地获取设计者认可的满意有效解，这使得评价函数法的应用，局限于要求不高或对多目标优化方法把握不深的应用者。
(2)交互规划法。
不直接使用评价函数的表达式，而是使决策者参与到求解过程，控制优化的进行过程，使分析和决策交替进行，这种方法称为交互规划法。
由于有决策者的参与，所得的结果易于趋近决策者主观要求，因此其解只能达到主观最优，尚缺客观性的评价，且不易于操作。
常用的方法有：逐步宽容法、权衡比替代法，逐次线性加权和法等。
(3)分层求解法。
按目标函数的重要程度进行排序，然后按这个排序依次进行单目标的优化求解，以最终得到的解作为多目标优化的最优解。
在要求获取的解是有效解的前提下，此种解法存在的问题为：1)各目标的优先层次的不同选择，就得到具有不同优性的解，目标优性的差异与重要度的差异这两者的一致性难以调控与把握；2)对于非线性多目标优化，每个目标不可能在最优解上都存在等值线(面)，因此往往难以优化到最后一层，从而失去了多目标优化的意义。
早期的多目标问题实质上都是将多目标优化问题转化成单目标优化问题，然后采用比较成熟的单目标优化技术来进一步地解决。
传统的多目标优化方法存在以下几个缺点：①只能得到一个最优解，然而，在实际决策中决策者通常需要多种可供选择的方案；②各目标之间没有共同的度量标准：各自具有不同的量纲、不同的物理意义，无法进行定量比较；③加权值的分配带有较强的经验性：由于是人为规定各个目标函数的权值，因此带有很大的主观性；④加权的目标函数之间通过决策变量相互制约，拓扑结构十分复杂；⑤最终优化目标仅为各目标加权，各目标的优化进度不可调节。
随着计算机技术和基础优化理论的发展，现在已经有了比较方便的优化工具可以轻松解决多目标的优化问题。
在理论发展方面，提出了遗传算法、模糊理论、人工神经网络等优化思想，对于我们即将面对的优化问题主要用到的是遗传算法的相关思想。
遗传算法的核心思想是进行整个搜索空间的大量可行解同时并行搜索这样就克服了传统方法可能陷入收敛于局部最优的困境。
从思想上遗传算法是十分简单的，只是在计算机出现之前这一思想是很难实现的。
在计算机出现之后，遗传算法得到了大量的应用，常用的基于遗传算法的求解方法有：(1)权重系数法，此方法在实质上与线性加权和法并无本质区别，只是采用了遗传算法的搜索方法。
(2)并列选择法，先将群体中的全部个体按子目标函数的数目均等地划分为一些子群体，再把目标函数分配到这些子群体，各子目标函数在相应的子群体中独立进行选择运算以形成新的子群体，然后子群体合并为一个完整的群体，在这个完整的群体内进行交义、变异运算，生成下一代完整群体，如此执行“分割一选择一合并”过程，最终可求出最优解。
但易陷入单个目标函数的局部最优解，可考虑改变适应度的计算方法，使满意度高的个体得以保存。
(3)排序选择法，在此法中选择运算是依据“有效解最优个体”的概念来对群体中的各个个体进行排序，使排在前面的个体有更多机会遗传到下一代中，这样经过一定代数后，可求出多目标的有效解。
[25]可以看到除去遗传算法的核心思想，在多目标优化中加权、约束等基本条件还是一直存在的。
matlab中的fgoalattain是解决多目标数学规划的一种方法，这种方法的基本思想是：对每一个目标函数，预先给定一个期望值，在现有的约束条件下，这组期望值也许能够达到，也许达不到。
通过对不同目标的权重大小（weight），求出尽可能接近这组预定期望值的解。
Matlab简介：MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
Matlab的操作界面与编程软件很像，但其实际上是一种很高级的优化软件，功能十分强大。
Matlab中的很多功能都是依托matlab工具箱中的工具函数来实现，在Matlab的优化工具箱中，fgoalattain函数就是根据基于遗传算法的权重系数法，用于解决此类问题的函数。
由于多目标优化方法的名称不是很统一，也可以认为我们用的方法为有约束的评价函数法。
fgoalattain函数使用方法：[x,fval,attainfactor,exitflag]=fgoalattain(fun,x0,goal,...,weight,a,b,aeq,beq,lb,ub). fun是目标函数，x0是初始值，goal是目标函数希望达到的值，weight是目标权重。
（1）当目标权重为正时，指令fgoalattain试图使对象小于目标值。
为了使目标函数大于目标值，可使权重设置为负。
（2）一般设置为weight=goal或weight=abs(goal)a,b给出线性不等式约束;aeq,beq给出线性等式约束；lb，ub为x的上界和下界。
如无某类约束，可用[]代替。
通过fgoalattain函数我们可以只输入由spss回归出的非线性方程、在浆液优化实验中需要注意的约束条件、回归目标（goal）与权重，这几项数据就可以得到最终的优化结果。
作为实验我们先对初始稠度、初始流动度、凝结时间和泌水率四个因变量分别利用fgoalattain函数进行优化分析，得到的结果均为绝对最优解。
以初始稠度的分析结果为例：fun='[-0.340*x(1)^2+0.370*x(2)*x(4)-0.124*x(2)^2+236.306*x(5)-38.688*x(4)*x(5)+8 .877]';goal=[12.5];weight=goal;x0=[0,0,0,0,0];lb=[1.5,4.5,0,2,0];[x,fval,attainfactor,exitflag]=fgoalattain(fun,x0,goal,weight,[],[],[],[],lb,[5.1,12,1,8 ,0.06])Optimization terminated: magnitude of search direction less than 2*options.TolXand maximum constraint violation is less than options.TolCon.Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-006):lower upper ineqlin ineqnonlin3 1 14 25x =5.1000 12.0000 0.0000 2.0000 -0.0000fval = -8.9424然后我们先对初始稠度、初始流动度、凝结时间和泌水率四个因变量为目标进行优化分析，输入的matlab程序和计算结果如下：fun='[23.677-26.59*x(3)-0.48*x(1)*x(2)+4.255*x(4)+2.714*x(2)*x(3),-23.677+26 .59*x(3)+0.48*x(1)*x(2)-4.255*x(4)-2.714*x(2)*x(3),-0.340*x(1)^2+0.370*x(2)*x(4)-0 .124*x(2)^2+236.306*x(5)-38.688*x(4)*x(5)+8.877,0.340*x(1)^2-0.370*x(2)*x(4)+0. 124*x(2)^2-236.306*x(5)+38.688*x(4)*x(5)-8.877,7.938-0.028*x(2)^2+1.322*x(3)*x( 4)-0.63*x(2)*x(3)-5.402*x(4)*x(5),-7.938+0.028*x(2)^2-1.322*x(3)*x(4)+0.63*x(2)*x( 3)+5.402*x(4)*x(5),61.293-84.913*x(3)+10.065*x(3)*x(4)+2.708*x(2)-408.991*x(3)* x(5),-61.293+84.913*x(3)-10.065*x(3)*x(4)-2.708*x(2)+408.991*x(3)*x(5)]';goal=[25,-24,12.5,-10,8,-6,15,0];weight=[5,5,5,5,5,5,5,0.1];x0=[0,0,0,0,0];lb=[1.5,4.5,0,2,0];ub=[5.1,12,1,8,0.06];[x,fval,attainfactor,exitflag]=fgoalattain(fun,x0,goal,weight,[],[],[],[],lb,ub)Optimization terminated: magnitude of directional derivative in searchdirection less than 2*options.TolFun and maximum constraint violationis less than options.TolCon.Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-006):lower upper ineqlin ineqnonlin1 3 2367x =1.5000 6.9812 1.00002.9896 0.0247fval =23.7285 -23.7285 12.7715 -12.7715 5.7285 -5.7285 15.2715 -15.2715得到的结果已经不是绝对最优解，而是有效解。
结果的意义为：根据之前我们对四个因变量的要求的到的有效解即为在这一条件下的可硬性浆也最优配比。
（单位：kg）水泥粉煤灰砂膨润土水减水剂按照此配比预计浆液性能指标为：初始稠度初始流动度凝结时间泌水率通过前一段时间的试验结果和我们的经验，经过初步判断这一结果符合实际，回归结果属于较优的配比。