粒子群优化算法的改进

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改进的二进制粒子群优化算法

改进的二进制粒子群优化算法一、二进制粒子群优化算法的基本原理BPSO算法是一种群体智能算法，其基本原理是模拟鸟群中鸟类的群体行为，通过群体协作来寻找最优解。

在BPSO算法中，每个粒子表示一个解，通过不断更新粒子的速度和位置来搜索最优解。

在二进制问题中，每个粒子的位置和速度被表示为一个二进制序列，其中0表示某个特定位置的解中的元素不被选择，1表示被选择。

BPSO算法的基本流程如下：1. 初始化种群：随机生成一组初始解作为种群的粒子位置；2. 计算适应度值：根据粒子的位置计算适应度值；3. 更新个体最优解和全局最优解：根据适应度值更新每个粒子的个体最优解和全局最优解；4. 更新速度和位置：根据个体最优解和全局最优解更新粒子的速度和位置；5. 终止条件：当满足终止条件时，停止搜索并输出最优解。

二、改进的BPSO算法为了提高BPSO算法的收敛速度和精度，本文提出了一种改进的BPSO算法。

该算法在传统BPSO算法的基础上引入了多种改进措施，包括加速位置更新、引入惯性权重、采用动态调整策略等。

下面分别对这些改进措施进行详细介绍。

1. 加速位置更新传统的BPSO算法在更新粒子位置时只考虑了个体最优解和全局最优解，导致搜索速度较慢。

为了加速收敛速度，改进的BPSO算法引入了局部邻域搜索，即在更新位置时考虑邻域内的粒子。

具体而言，对于每个粒子，选择其邻域内适应度值最好的粒子的位置作为参考点，然后根据参考点更新粒子的位置。

2. 引入惯性权重传统的BPSO算法在更新粒子速度时采用了恒定的权重因子，可能导致算法陷入局部最优解。

为了提高搜索性能，改进的BPSO算法引入了惯性权重，用于平衡全局搜索和局部搜索之间的权衡。

惯性权重可以根据粒子的速度和位置进行动态调整，使得粒子在搜索空间中均衡探索。

3. 采用动态调整策略传统的BPSO算法中，参数设置较为固定，无法适应不同问题的特性。

为了提高算法的灵活性和鲁棒性，改进的BPSO算法采用了动态调整策略，根据问题的特性实时调整参数。

多目标粒子群算法的改进

多目标粒子群算法的改进多目标粒子群算法（Multi-Objective Particle Swarm Optimization, MOPSO）是对传统粒子群算法的改进和扩展，用于解决多目标优化问题。

在多目标优化问题中，存在多个冲突的目标函数，传统的单目标优化算法无法直接应用于解决这类问题。

因此，多目标粒子群算法应运而生。

多目标粒子群算法的改进主要体现在两个方面：多目标适应度函数的定义和多目标解的维护策略。

多目标适应度函数的定义是多目标粒子群算法的核心。

在传统的粒子群算法中，适应度函数一般为单个目标函数，通过最小化或最大化目标函数的值来寻找最优解。

而在多目标粒子群算法中，需要定义多个目标函数，并将其结合起来构成一个多目标适应度函数。

多目标适应度函数的定义需要考虑目标之间的冲突和权重分配问题，以便在搜索过程中对不同目标进行平衡和权衡。

多目标解的维护策略是多目标粒子群算法的另一个关键点。

传统的粒子群算法通过更新粒子的位置和速度来搜索解空间，但在多目标优化问题中，需要维护一组解集合，即粒子群的帕累托最优解集合。

多目标解的维护策略需要考虑解集合的多样性和收敛性，以便在搜索过程中保持一组较好的非劣解。

多目标粒子群算法的改进可以从多个方面展开。

一方面，可以改进目标函数的定义，采用更加合理和准确的目标函数来描述实际问题。

另一方面，可以改进粒子的更新策略，引入更加灵活和高效的更新算子，以提高搜索的效率和性能。

此外，还可以改进多目标解的维护策略，设计更加有效的解集合更新算法，以保证解集合的多样性和收敛性。

近年来，研究者们在多目标粒子群算法的改进方面做出了许多有益的尝试和探索。

例如，有研究者提出了基于领域知识的多目标粒子群算法，通过利用问题的领域知识来引导搜索过程，提高算法的搜索性能。

还有研究者提出了基于自适应权重的多目标粒子群算法，通过自适应调整目标函数的权重，实现对不同目标的平衡和权衡。

此外，还有研究者提出了基于机器学习的多目标粒子群算法，通过利用机器学习方法来提高算法的搜索性能和学习能力。

改进的粒子群优化算法

改进的粒子群优化算法背景介绍：一、改进策略之多目标优化传统粒子群优化算法主要应用于单目标优化问题，而在现实世界中，很多问题往往涉及到多个冲突的目标。

为了解决多目标优化问题，研究者们提出了多目标粒子群优化算法 (Multi-Objective Particle Swarm Optimization，简称MOPSO)。

MOPSO通过引入非劣解集合来存储多个个体的最优解，并利用粒子速度更新策略进行优化。

同时还可以利用进化算法中的支配关系和拥挤度等概念来评估和选择个体，从而实现多目标优化。

二、改进策略之自适应权重传统粒子群优化算法中，个体和全局最优解对于粒子速度更新的权重是固定的。

然而，在问题的不同阶段，个体和全局最优解的重要程度可能会发生变化。

为了提高算法的性能，研究者们提出了自适应权重粒子群优化算法 (Adaptive Weight Particle Swarm Optimization，简称AWPSO)。

AWPSO通过学习因子和自适应因子来调整个体和全局最优解的权重，以实现针对问题不同阶段的自适应调整。

通过自适应权重，能够更好地平衡全局和局部能力，提高算法收敛速度。

三、改进策略之混合算法为了提高算法的收敛速度和性能，研究者们提出了将粒子群优化算法与其他优化算法进行混合的方法。

常见的混合算法有粒子群优化算法与遗传算法、模拟退火算法等的组合。

混合算法的思想是通过不同算法的优势互补，形成一种新的优化策略。

例如，将粒子群优化算法的全局能力与遗传算法的局部能力结合，能够更好地解决高维复杂问题。

四、改进策略之应用领域改进的粒子群优化算法在各个领域都有广泛的应用。

例如，在工程领域中，可以应用于电力系统优化、网络规划、图像处理等问题的求解。

在经济领域中，可以应用于股票预测、组合优化等问题的求解。

在机器学习领域中，可以应用于特征选择、模型参数优化等问题的求解。

总结：改进的粒子群优化算法通过引入多目标优化、自适应权重、混合算法以及在各个领域的应用等策略，提高了传统粒子群优化算法的性能和收敛速度。

改进的粒子群算法

改进的粒子群算法粒子群算法(PSO)是一种优化算法，通过模拟鸟群觅食的行为寻找最优解。

传统的PSO 算法存在着易陷入局部最优解、收敛速度慢等问题，为了解决这些问题，研究人员不断对PSO算法进行改进。

本文将介绍几种改进的PSO算法。

1.变异粒子群算法(MPSO)传统的PSO算法只考虑粒子的速度和位置，而MPSO算法在此基础上增加了变异操作，使得算法更具有全局搜索能力。

MPSO算法中，每一次迭代时，一部分粒子会发生变异，变异的粒子会向当前最优解和随机位置进行搜索。

2.改进型自适应粒子群算法(IAPSO)IAPSO算法采用了逐步缩小的惯性权重和动态变化的学习因子，可以加速算法的收敛速度。

另外，IAPSO算法还引入了多角度策略，加强了算法的搜索能力。

3.带有惩罚项的粒子群算法(IPSO)IPSO算法在传统的PSO算法中加入了惩罚项，使得算法可以更好地处理约束优化问题。

在更新粒子的位置时，IPSO算法会检测当前位置是否违背了约束条件，如果违背了，则对该粒子进行惩罚处理，使得算法能够快速收敛到满足约束条件的最优解。

4.细粒度粒子群算法(GPSO)GPSO算法并不像其他改进的PSO算法那样在算法运行流程中引入新的因素，而是仅仅在初始化时对算法进行改进。

GPSO算法将一部分粒子划分为近似最优的种子粒子，其他粒子从相近的种子粒子出发，从而加速算法的收敛速度。

5.基于熵权的粒子群算法(EPSO)EPSO算法在传统的PSO算法中引入了熵权理论，并在更新速度和位置时利用熵权确定权重系数，达到了优化多目标问题的目的。

EPSO算法的权重系数的确定基于熵权理论，具有客观性和系统性。

此外，EPSO算法还增加了距离度量操作，用于处理问题中的约束条件。

综上所述，改进的PSO算法不仅有助于解决算法收敛速度慢、易陷入局部最优解的问题，更可以应用到具体的优化实际问题中。

因此，选择合适的改进的PSO算法，对于实际问题的解决具有重要的现实意义。

一种改进的粒子群遗传算法

一种改进的粒子群遗传算法改进粒子群遗传算法简介改进粒子群遗传算法(Improved Particle Swarm Optimization，IPSO)是一种基于遗传算法理论的新型混合优化算法。

它结合了粒子群算法和最优化原理，有效地解决了复杂的非凸优化问题。

该算法通过将粒子群,pbest,gbest等元素进行综合，实现了全局优化效果。

算法原理IPSO算法结合了粒子群和遗传算法，充分发挥其高效率和平衡能力。

首先，将群体中的所有粒子看作是多个变量的n维向量，将所有粒子的维度构建成一颗搜索树。

随后，采用以下两种基本过程进行优化：(1)粒子群进化。

将群体中的每个粒子看作是遗传算法的一对父母，根据粒子内在的适应度函数迭代调整其位置；(2)最佳位置进化。

根据所有粒子的最佳适应度，采用染色体交叉、变异及筛选等操作，改变父母粒子最优位置的变量，以达到全局优化效果的目的。

算法的优势IPSO算法有效地结合了粒子群算法和遗传算法耦合优化处理和组合优化方法，在局部优化以及全局优化能力上都有很强大的收敛能力和搜索能力。

它不仅可以有效解决复杂的优化问题，而且可以实现更快的收敛速度以及更高的精度。

此外，该算法简单易行，实现成本低廉，能够较好地在复杂的环境中获得有效的搜索结果，具有比较强的优化能力和智能化能力。

应用领域IPSO算法可以广泛应用于智能控制、系统实时优化等领域，特别是能够实现多约束优化问题的求解，具有重要的应用价值。

例如，可以用它实现模糊逻辑控制，用它来解决下面的这类问题：最大化成功次数/最小化失败次数，最小化服务时间/最大化服务质量等。

此外，还可以用它来解决机器学习、网络带宽优化等问题。

结论改进粒子群遗传算法是一种非常有效且智能的优化算法，它可以实现自适应的优化函数的搜索、实现全局优化效果和提高计算效率。

它的优势在于充分发挥粒子群和遗传算法的优势，可以实现快速搜索和自适应解决复杂优化问题。

粒子群算法的改进及其在求解约束优化问题中的应用

第43卷　第4期吉林大学学报(理学版)Vol.43　No.4　2005年7月JOURNAL OF J I L I N UN I V ERSI TY(SC I E NCE E D I TI O N)July　2005粒子群算法的改进及其在求解约束优化问题中的应用刘华蓥1,林玉娥1,王淑云2(1.大庆石油学院计算机与信息技术学院,黑龙江省大庆163318;2.吉林大学数学学院,长春130012)摘要:在用粒子群算法求解约束优化问题时,处理好约束条件是取得好的优化效果的关键.通过对约束问题特征和粒子群算法结构的研究,提出求解约束优化问题一种改进的粒子群算法,该算法让每个粒子都具有双适应值,通过双适应值决定粒子优劣,并提出了自适应保留不可行粒子的策略.实验证明,改进的算法是可行的,且在精度与稳定性上明显优于采用罚函数的粒子群算法和遗传算法等算法.关键词:粒子群优化算法;双适应值;自适应中图分类号:TP301 文献标识码:A 文章编号:167125489(2005)0420472205A M odi fi ed Parti cle Swar m Opti m i zati on forSolvi n g Constra i n ed Opti m i zati on Proble m sL I U Hua2ying1,L I N Yu2e1,WANG Shu2yun2(1.College of Co m puter and Infor m ation Technology,D aqing Petroleum Institute,D aqing163318,Heilongjiang Province,China;2.College of M athe m atics,J ilin U niversity,Changchun130012,China)Ab s trac t:I n trying t o s olve constrained op ti m izati on p r oble m s by particle s war m op ti m izati on,the way t o han2 dle the constrained conditi ons is the key fact or f or success.Some features of particle s war m op ti m izati on and a large number of constrained op ti m izati on p r oble m s are taken int o account and then a ne w method is p r oposed, which means t o separate the objective functi ons fr om its constrained functi ons.Therefore,every particle of particle s war m op ti m izati on has double fitness values whether the particle is better or not will be decided by its t w o fitness values.The strategy t o keep a fixed p r oporti on of infeasible individuals is used in this ne w method. Numerical results show that the i m p r oved PS O is feasible and can get more p recise results than particle s war m op ti m izati on by using penalty functi ons and genetic alg orith m and other op ti m izati on algorithm s.Key wo rd s:particle s war m op ti m izati on;double fitness value;adap tive对于约束优化问题,大多数算法都基于梯度的概念,要求目标函数和约束条件可微,而且一般只能求得局部最优解.粒子群优化算法(Particle S war m Op ti m azit on,简称PS O)[1,2],由于其具有容易理解、易于实现、不要求目标函数和约束条件可微,并能以较大概率求得全局最优解的特点,目前已在许多优化问题中得到成功应用[3～5].当用PS O算法求解约束优化问题时,如何处理约束条件是得到好的优化结果的关键.惩罚函数法是处理约束条件最常用的方法,通过在适应值函数上添加一个惩罚项,即将原来的约束问题变成无约束问题.惩罚函数法简单易行,但选择适当的惩罚因子却不是一件容易的事,若选的过小,则惩罚项在目标函数中所占比例较小,较难产生可行解;若选的过大,则将会较早地收敛于某个局部最优点.收稿日期:2004211220.作者简介:刘华蓥(1969～),女,汉族,硕士,副教授,从事智能计算的研究,E2mail:liuhuaying2000@.本文结合PS O 算法及约束优化问题的特点,提出了比较个体优劣的一个新准则将约束条件与目标函数分离,并引入自适应保持群体中不可行解比例的策略,二者相结合得到了处理约束条件的一种新方法,将这种方法和基本的PS O 算法相结合,得到了求解约束优化问题的一种改进的PS O 算法.1　粒子群优化算法PS O 算法与其他进化类算法相似,也采用“群体”与“进化”的概念,同样也依据个体(粒子)的适应值大小进行操作.不同的是,粒子群算法不像其他进化算法那样对于个体使用进化算子,而是将每个个体看作是在n 维搜索空间中的一个没有重量和体积的粒子,并在搜索空间中以一定的速度飞行.每个粒子的飞行速度由其本身的飞行经验和群体的飞行经验调整.假设在一个n 维的目标搜索空间中,有m 个粒子组成一个群落,其中第i 个粒子表示为一个n 维向量x i =(x i 1,x i 2,…,x in )(i =1,2,…,m ),即第i 个粒子在n 维搜索空间中的位置是x i ,每个粒子的位置代表一个潜在的解.将x i 带入一个目标函数就可以计算其适应值,根据适应值的大小衡量x i 的优劣.第i 个粒子的“飞翔”速度也是一个n 维向量,记为v i =(v i 1,v i 2,…,v in ).记第i 个粒子最终搜索到的最优位置为p i =(p i 1,p i 2,…,p in ),整个粒子群最终搜索到的最优位置为p g =(p g 1,p g 2,…,p gn ).每个粒子的位置和速度按下述方程迭代:v ij (t +1)=w v ij (t )+c 1r 1j (t )(p ij (t )-x ij (t ))+c 2r 2j (t )(p g j (t )-x ij (t )),(1.1)x ij (t +1)=x ij (t )+v ij (t +1),(1.2)其中,j 表示粒子维数(i =1,2,…,n ),i 表示第i 个粒子(i =1,2,…,m ),t 表示第t 代,c 1和c 2为加速度常数,通常取值于0～2,c 1调节粒子向自身最优位置飞行的步长,c 2调节粒子向全局最优位置飞行的步长.r 1j ～U (0,1),r 2j ～U (0,1)为两个相互独立的随机函数.为了减小在进化过程中粒子离开搜索空间的可能性,v ij 通常限定于一定范围内,即v ij ∈[-v max ,v max ].如果问题的搜索空间限定在[-x max ,x max ]内,则可设定v max =kx max (0.1≤k ≤1).迭代中若粒子的位置和速度超出了对其限定的范围,则取边界值.p ij (t )-x ij (t )表示粒子i 目前位置到其最终搜索到最优位置的距离,p g j (t )-x ij (t )表示粒子i 目前位置到整个粒子群最终搜索到最优位置的距离.方程(1.1)用于计算粒子速度,如当前是t 时刻,则粒子在t +1时刻速度是由当前时刻的速度、位置与该粒子的局部最优位置距离、当前位置与全局最优位置距离三部分共同决定.方程(1.2)用于计算粒子速度更新后的位置,它由粒子当前位置和粒子更新后的速度两部分决定.所有粒子的初始位置和速度随机产生,然后根据式(1.1),(1.2)进行迭代,不断变化它们的速度和位置,直至找到满意解为止(粒子的位置即是要寻找的解).2　处理约束条件的分离比较方法求解带有约束条件的极值问题称为约束优化问题,一般形式表示为m in f (x ),s .t .g j (x )≥0,j =1,…,q ;h p (x )=0,p =1,…,m;x l i ≤x i ≤x u i ,i =1,…,n,(2.1)这里x =(x 1,…,x n )∈R n 是n 维实向量,f (x )为目标(适应值)函数,g j 表示第j 个不等式约束,h p 表示第p 个等式约束,变量x i 在区间[x l i ,x u i ]中取值.S =∏n i =1[x l i ,x u i ]表示搜索空间,S 中所有满足约束条件的可行解构成的可行域记为F ΑS.当对带有约束条件的问题进行优化处理时,无论采用何种优化算法,约束条件的处理方法都是一个非常重要的环节.目前,使用最广泛处理约束条件的方法是惩罚函数法,但对于要解决的约束优化问题,事先确定适当的罚因子很困难,往往需要通过多次实验不断进行调整.文献[6]将分离方法的思想与遗传算法中广泛使用的竞争选择方法相结合,引入了不需要罚因子而直接比较个体优劣的分离374　第4期刘华蓥,等:粒子群算法的改进及其在求解约束优化问题中的应用个给定的解个体,当两个解个体都可行时,通过比较它们的适应值f (x )来判断优劣;当二者之中有一个可行而另一个不可行时,则无条件地认为可行解的个体为优;当这两个解个体都不可行时,则根据它们所对应的作为违反约束的度量函数值直接判定它们的优劣,违反约束越小的个体越好.这种分离比较方法既可以避免选择罚因子,同时也达到了使任一可行解个体优于任一不可行解个体的目的.3　采用双适应值比较法与自适应保留不可行解改进的PS O 算法3.1　PS O 算法中的双适应值比较法考虑到PS O 算法与遗传算法都是根据适应值大小确定其个体优劣的,把处理约束条件的分离比较方法引入到PS O 算法中.PS O 算法中每个粒子均有一个适应值,其适应值可由目标函数来度量.对于最小化问题,适应值小者为优.对于约束优化问题(2.1),采用分离目标函数与约束条件的方法,于是,原来的问题可转化为fitness (i )=f (x ),vo ilation (i )=∑q j =1m ax (0,g j (x ))+∑mp =1h p (x ),i =1,2,…,n,(3.1)其中,i 指第i 个粒子,fitness (i )对应于所求问题的目标函数值;voilati on (i )对应于所求问题约束条件,由所有的约束条件共同构成,该值反映了每个粒子与约束边界的接近程度.这两个函数一起作为粒子的适应函数,每个粒子的优劣将由这两个函数值按一定规则共同决定,因此每个粒子均具有双适应值,这种方法称为双适应值比较法.3.2　PS O 算法中粒子的比较准则考虑到存在一大类约束优化问题,其最优解位于约束边界上或附近,即在最优点处不等式约束的全部或大部分取为等号,对于这类问题,当目标函数f (x )连续时,在最优解附近的不可行解的适应值很可能优于位于可行域F 内部的一个可行解的适应值,而这样的不可行解对找到最优解都是很有帮助的.鉴于PS O 算法是一种群体搜索策略,从提高优化效率的角度考虑,让一部分接近边界的不可行解与可行解按照它们的适应值进行比较,以便在群体中保留一定比例的不可行解个体.因此,我们采用下列比较准则:首先给定一个常数ε>0.(1)当两个粒子i 和j 都可行时,比较它们之间的适应值finess (i )和fitness (j ),适应值小的个体为优(对最小化问题);(2)当两个粒子i 和j 都不可行时,比较voilati on (i )和voilati on (j ),voilati on 小的个体为优(最大化和最小化问题都采用该规则);(3)当i 粒子可行而j 粒子不可行时,如果voilati on (j )<ε,则比较它们的适应值fitness (i )和fitness (j ),适应值小的个体为优(对最小化问题);否则,i 粒子为优.3.3　保持不可行解粒子的自适应策略如果让所有可行解粒子无条件地优于不可行解粒子,则在群体中很难保持一定比例的不可行解粒子,从而无法发挥不可行解的作用.我们的最终目的是求得可行解,在群体中保持不可行解是为了更好地搜索可行的最优解,因此,将不可行解的比例控制在一个适当水平是必要的.由于PS O 算法的进化过程是一个动态的自适应过程,相应的控制策略也应当设计成自适应的.由上述比较准则可知:ε越大,群体中不可行解的比例就可能越高,为了将不可行解的比例保持在一个固定的水平p >0,可引入如下自适应调整ε的策略:ε=1.2ε,当不可行解所占比例小于p 时;0.8ε,当不可行解所占比例大于p 时;ε,当不可行解所占比例等于p 时.(3.2) 在PS O 算法中,每隔10代将根据式(3.2)对ε进行一次更新,从而保证了不可行解所占的比例.4　参数设定与数值实验为了测试改进的PS O 算法对约束优化问题的求解性能,下面选择3个例子进行仿真实验.例4.1　非凸可行域的非线性约束优化问题[7]:m in f (x )=(x 21+x 2-11)2+(x 1+x 22-7)2,s .t .g 1(x )=4.84-(x 1-0.05)-(x 2-2.5)≥0,g 2(x )=x 21+(x 2-2.5)-4.84≥0,　0≤x 1,x 2≤6. 例4.1的真实可行域为一个月牙形的狭窄空间,可行域面积仅占总的解空间面积的0.7%,目前已知其最优值f (x 3)=13.5908.本文算法的参数设置:群体规模设为80,p =0.2,ε=0.01,取加速权重c 1=1.5,c 2=2.5,惯性权重w =1.4.w 将随着迭代次数的增加而逐渐减小,当w <0.4时,将令w =0.4,即不再减小,以保证迭代后期粒子能够在一定的空间内探索到更好地解.在采用罚函数的PS O 算法中,惩罚因子设置为108,两种方法最大进化次数均为20次.分别进行了10次实验,两种方法每次所得结果都很稳定,改进的PS O 算法在进化到10次左右时,就得到最优值13.5908,而采用罚函数的PS O 算法在15～20次时得最优值为14.4245.图1为两种PS O 算法10次实验的平均进化过程曲线.为了进一步验证改进的PS O 算法优于采用罚函数的PS O 算法,选择一个未知量多、约束条件也多的例子[8]进行测试.例4.2　m in f (x )=(x 1-10)2+5(x 2-12)2+x 43+3(x 4-11)2+10x 65+7x 26+x 47-4x 6x 7-10x 6-8x 7,s .t .-127+2x 21+3x 42+x 3+4x 24+5x 5≤0,-282+7x 1+3x 2+10x 23+x 4-x 5≤0,-196+23x 1+x 22+6x 26-8x 7≤0,4x 21+x 22-3x 1x 2+2x 23+5x 6-11x 7≤0,　-10≤x i ≤10,i =1,2, (7) 已知例4.2最优值f (x 3)=680.6300573.取种群规模为150,进化200次,进行10次实验.改进的PS O 算法每次都能在150次左右求得最优值680.632;而采用罚函数的PS O 算法每次所得的结果很不稳定,最好结果为683.036,最差结果为831.354.图2为两种PS O 算法10次实验的平均进化过程曲线.从上面两组实验可以看出,改进的PS O 算法不但收敛速度快,求解精度高,而且稳定性能也大大优于采用罚函数的粒子群算法.通过实验也发现,当问题变得复杂时,不需要调整算法的任何参数,只要适当的加大种群数量即可.为了和遗传算法等其他一些算法进行比较,我们对下面的例子进行了测试.例4.3　m in f (x )=(x 1-2)2+(x 2-1)2,s .t .g 1(x )=x 1-2x 2+1=0,g 2(x )=-x 21/4-x 22=1>0,　0≤x 1,x 2≤10. 已知最优值为f (x 3)=1.393,取种群规模为80,采用改进的PS O 算法进行10次实验,每次均能574　第4期刘华蓥,等:粒子群算法的改进及其在求解约束优化问题中的应用674 吉林大学学报(理学版) 第43卷　在进化20次内收敛到最优值1.393465.表1列出了改进的PS O算法和遗传算法等其他算法所得结果的比较结果.Table1　The best results by usi n g follow i n g m ethodsI m p r oved PS O Self2adap tive multi p lier[9]Gen[10]Homaifar[11]GRG[12]x10.8228760.82280.80800.81020.8229 x20.9114380.91120.885440.90260.9115 g1(x)00.0040.0370.050.0001 g2(x)-0.00000046-0.0430.0520.025-0.0000515 f(x)1.3934651.39371.43391.42511.3934 综上可见,处理好约束条件是用PS O算法求解约束优化问题时所面临的一个关键问题.本文结合PS O算法的群体搜索特性,采用新的比较准则双适应值比较法来比较粒子的优劣,得到了求解约束优化问题改进的PS O算法.数值实验表明,它是一种便于实现、通用性强、高效稳健的方法,不仅优于采用罚函数的PS O算法,而且也优于遗传算法等其他一些算法,为利用PS O算法求解约束优化问题提供一条可行途径.参考文献[1]　Kennedy J,Eberhart R C.Particle S war m Op ti m izati on[C].I EEE I nternati onal Conference on NeuralNet w orks.Perth,Piscata way,N J,Australia:I EEE Service Center,1995,Ⅳ:1942—1948.[2]　Shi Y,Eberhart R C.A Modified Particle S war m Op ti m izer[C].I EEE I nt’l Conf on Evoluti onary Computati on.Anchorage,A laska,1998:69—73.[3]　Eberhart R C,Hu X.Hu man Tre mor Analyis U sing Particle S war m Op ti m izati on[C].Pr oceeding of the I EEE Congresson Evoluti onary Computati on(CEC1999).W ashinggon:I EEE Press,1999:1927—1930.[4]　HUANG Lan,WANG Kang2p ing,ZHOU Chun2guang.Particle S war m 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改进粒子速度和位置更新公式的粒子群优化算法

改进粒子速度和位置更新公式的粒子群优化算法
粒子群优化算法是一种经典的优化算法，其基本思想是模拟鸟群或鱼群等自然现象中的集体行为，通过不断调整所有粒子的位置和速度，以寻找最优解。

在传统的粒子群优化算法中，粒子的速度和位置更新公式非常简单，只是根据当前位置和速度以及全局最优解和个体最优解进行加权计算。

这种简单的更新公式可能会导致算法陷入局部最优解，无法找到全局最优解。

因此，针对这个问题，研究人员提出了许多改进的粒子速度和位置更新公式，如自适应权重粒子群优化算法（AWPSO）、改进的精英粒子群优化算法（EPSO）等。

这些算法在一定程度上提高了算法的性能和收敛速度。

其中，自适应权重粒子群优化算法利用当前粒子的运动状态和历史最优解的信息来自适应地调整权重因子，从而更好地平衡全局搜索和局部搜索的能力；改进的精英粒子群优化算法则引入了一些辅助粒子，通过跟踪全局最优解和个体最优解，帮助其他粒子更快地找到最优解。

总之，改进粒子速度和位置更新公式的粒子群优化算法是当前研究的热点之一，不断有新的算法被提出，并在实际应用中得到了良好的效果。

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粒子群优化算法的改进

［ｓａｔｍｉｇａｔｅｒｂｅａａｃｉｇｐｅｉｏｆａｔｌＳｒｔｚｔｎｐ０ｉｌｗａｄｏｔｚｄｐ ’ ｒｎｅｉｎｔｌｆｒＡｂｔｃＩＡｉｎｔｈｏｌｍｔｔｅｒｈｎｒｃｓｎｏＰｒｃｅｗａｍ０ｐｊａｉ（ｓ）ｓｏｎｐｉｅｍｆｍａｃｏｌｏｒｐｈｓｉｉｍｉｏｍｉｏｓｗｅ
释放增强可利用的种群信息，通过释放粒子引导极值变化加强算法的运算效率。实验结果表明，与其他算法相比，改进算法具有更强的寻优能力和搜索精度，且适于高维复杂函数的优化。关键词：粒子群优化；大规模函数优化；释放粒子；极值变化
ＩｐｒｖｅｅｆＰａｔｃｅＳｍｏｍｎｔ０ｒｉｌｗａｍｒＯｐｔｍｉａｉｎＡｌｏｉｈｍｉｚｔｏｇｒｔ
掘粒子群优化算法本身的潜力。
其中，ｋ的具体描述如下：
ｋ：（～）（－）ｆ ¨
．．．
（）４
此，本文提出一种改进的粒子群优化算法，能充分挖掘群体本身信息，又能不断引入附加信息。以－，有规律递－ｅｅ
增的方式对粒子进行释放，使粒子在演化过程中完成 “ 自我
ｅｈｎｅｈｓｆｌｐｐｌｔｎｉｆｒｔｎ，ｌａｓｅｔｅｈａｇｈｏｇｅｅｓａｔｃｅｔｔｅｇｈｎｃｎａｃｓｔｅｕｅｕｏｕａｉｎｍａｉｏｏｏｅｄｘｒｍｅｃｎｅｔｒｕｈｒｌａｅｐｒｉｌｏｓｒｎｔｅｏｍｐｔｔｏａｆｉｉｎｙｏｌｏｉｍ．ｕａｉｎｌｅｃｅｃｆａｇｒｔｈＥｘｅｉｅｔｌｅｕｔｈｗｈｔｉｐｏｅｌｏｉｍａｒｏｒｌｏｔｍｉｉｂｌｙａｄｈｇｒｏｔｉｉｇｐｅｉｉｎｃｍｐｒｄｗｉｔｅｐｒｎａｍｒｓｌｓｏｔａｍｒｖｄａｇｒｔｓｈｈｓｍｏｅｐｗｅ￣ｐｉｚｎｇａｉｉｎｉｈｅｐｉｚｎｒｃｓｏｏａｅｔｏｈｒｔｍｈａｇｒｔｍｓｌｏｉｈ

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• 其中, 为压缩因子， c1 c2 , 且φ > 4 。约束因子法控制系统行为最终收敛, 且可以有效搜索不同的区域, 该法能得到高质量的解。
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常见粒子群优化算法的改进
• 3。基于遗传思想改进的PSO 算法——选择( selection) 法 • 主要应用PSO 的基本机制以及演化计算所采用的自然选择机制。由于PSO 搜索过程依赖pbest 和gbest , 所以搜索区域有可能被他们限制住了。选择PSO 算法. 在一般粒子群算法中,每个粒子的最优位置的确定相当于隐含的选择机制. 为此,Angeline 将选择算子引入进了PSO 算法中 , 选择每次迭代后较好的粒子复制到下一代,以保证每次迭代的粒子群都具有较好的性能,实验表明这种算法对某些测试函数具有优越性.自然选择机制的引入将会逐渐减弱其影响。测试结果显示, 虽然在大多数测试函数中选择法取得了比基本PSO 更好的效果, 却在Griewank 函数上得到了较差的结果。因此该法提高了PSO 的局部搜索能力, 但同时削弱了全局搜索能力。
常见粒子群优化算法的改进
• 1。模糊惯性权重(fuzzy inertia weight ) 法 • Shi 等提出用模糊控制器来动态自适应地改变惯性权重的技术。控制器的输入是当前惯性权重w和当前最好性能评价值(CBPE) , CBPE 衡量PSO目前找到的最好候选解的性能; 输出是w 的改变量。由于不同的问题有不同范围的性能评价值, 因此需要对CBPE 进行如下的规范化NCBPE =（CBPE – CBPEmin）/（CBPEmax – CBPEm和CBPEmax依问题而定, 且需事先得知或者可估计。模糊w 法与线性下降 w 方法的比较结果显示, 后者不知道应该降低w 的合适时机, 而自适应模糊控制器能预测使用什么样的w 更合适, 可以动态地平衡全局和局部搜索能力。但是由于需知道 CBPEmin和CBPEmax等, 使得模糊权重法的实现较为困难, 因而无法广泛使用。
常见粒子群优化算法的改进
• 2。压缩因子(constriction factor) 法 • Clerc得出结论: 压缩因子有助于确保PSO 算法收敛。这种方法的速度更新方程为
k 1 k k k k k k vij vij [wvij c1r1 j ( pij xij ) c2 r2 j ( pgj xij )]
常见粒子群优化算法的改进
• 通过经验发现惯性权重为0.7298、加速系数为1.49618 时，总能导致收敛的轨迹。 • 朱小六等人提出的动态自适应惯性权重改变 k k 1 / pij 方法：先引入两个变量粒子进化度 e pij 粒子聚合度 a p * p / p 然后，定义权重变换公式：w=w0-0.5*e+0.1*a其中，w0 为w 的初始值，一般取0.9；由e、a 的定义可知0<e≤1、0<a≤1，所以 • w0-0.5<w<w0+0.1。试验证明该方法提高了粒子群收敛的精度，加强了全局搜索的能力。
常见粒子群优化算法的改进
• 加速系数的修正 • 通常可选择加速系数C1=C2=1.49618，一般取C1=C2∈［０，４］。Ratnaweera 等 run run c ( c c ) c c ( c c ) c 提出自适应公式： run max run max • 其中，C1i，C1f，C2i，C2f为常数，run 为当前迭代次数，runmax 为算法迭代总数。这样的修正可以在优化早期促进对整个搜索空间的全局搜索，而在搜索末尾鼓励粒子收敛到全局最优。
k ij k gj N k 1 k ij
常见粒子群优化算法的改进
• 速度上限选择 • 粒子的最大速度Vmax 控制粒子绝对速度上限，以免粒子的位置坐标越出搜索空间。标准PSO 算法中， Vmax 取固定值，粒子搜索的区域大小在整个过程中不变，这不符合普遍的搜索规则———在大范围搜索之后，应有细致的局部区域搜索过程。因此，较好的做法应该是，在PSO 算法的开始Vmax 取较大值，以利于算法的大范围搜索；在算法的后期Vmax 取较小值，以利于算法的局部搜索。例如，给Vmax 引入一个权重λ=（runmax-run）/runmax，λ 从1 到0 线性递减。应该说明，通常可以设置Vmax 为整个搜索空间大小，例如位置矢量分量-5≤xi≤5，则可取Vmax=10。有些研究者认为，已经在速度更新公式中使用了收缩因子或惯性权重，最大速度的限制是多余的，至少没有它也能保证算法收敛。但是，在许多情况下， Vmax 对最优值的搜索仍有改善作用。
常见粒子群优化算法的改进
• 4。线性减少权系数法 • Shi Y提出了带有惯性权重的改进PSO 算法,进化方程 k 1 k k k k k 为: vij wvij c1r1 j ( pij xij ) c2 r2 j ( pgj xij )
• 式中w > 0 ,称为惯性因子.它随着迭代次数的增加而线性递减,使算法在初期具有较强的全局寻优能力,而晚期具有较强的局部收敛能力,一定程度上提高了算法的性能. 如w ( t) = ( w1 - w2) ×（itermax –iter）/ itermax+ w2 式中: w1 和w2 是惯性权重的初始值和最终值,itermax和iter 分别为最大迭代次数和当前迭代次数.
1 1f 1i 1i
2
2f
2i
2i
常见粒子群优化算法的改进
• 繁殖(Breeding) 法 • L.vbjerg 等人将遗传算法中的复制和重组这些称为繁殖的操作加入到全局版PSO 中, 该方法是对按概率Pi 选出的粒子进行如下式 • child1 ( Xi) = p parent1 ( Xi) +(1.0 - pi) parent2 ( Xi) • child2 ( Xi) = pi parent2 ( Xi) +(1.0 - pi) parent1 ( Xi) • child1 ( V i) =parent1 ( V i) + parent2 ( V i)| parent1 ( V i) + parent2 ( V i) |· | parent1 ( V i) | • child2 ( V i) =parent1 ( V i) + parent2 ( V i)| parent1 ( V i) + run c c | )· c parent2 ( (c V i) | parent2 ( V i) | run max • 的代数杂交操作, 产生子代的粒子取代父代。选择父代没有基于适应值, 防止了基于适应值的选择对那些多局部极值的函数带来潜在问题。pi 是(0 , 1) 间的随机数(经验值约为0.2) 。理论上讲繁殖法可以更好地搜索粒子间的空间, 2 个在不同次优峰处的粒子经繁殖后, 可以从局部最优逃离。结果显示, 对单峰函数, 繁殖法虽略加快了收敛速度, 却不如基本PSO 和GA 找到的解好, 而对于多局部极值的函数, 繁殖PSO 不仅加快了收敛速度, 而且找到了同样好或更好的解。