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粒子群算法如何加约束

如果你之前有去了解过粒子群算法,但苦于冗长的解释与晦涩的代码,你始终无法较为清晰的了解这个算法。这次我就带着大家来过一遍这个看似复杂实则简单的“鸟”算法。

首先假象你是一只正在觅食的鸟,你不知道食物(即最优解)在哪,要在这茫茫无际的天空中寻找食物并不是一件容易的事情。不过好在天上有一群鸟陪你共同寻找这个食物的所在地。任何一只距离食物最近的鸟都会告诉同类自己的位置,以此吸引同类过来。

以上就是粒子群算法的两个核心:

当前时间下距离食物最近的位置会影响你的飞行方向(即当前最优解)。

所有时间下距离食物最近的位置会影响你的飞行方向(即历史最优解)。

我们继续往下说。倘若我们要把这个思想运用到计算机中,我们就会发现这和现实中真正的鸟类寻找食物的过程不一样:

首先,随机产生的点(“鸟类”)并不知道自己与最优解(“食物”)的距离,只能假设当前所有解中的最大值或最小值为最优解所在的位置(粒子群等启发式算法多用于求解最大值或是最小值的优化问题),给其他鸟类提供参考。

然而每只鸟类都比较“固执”,就算知道当前最优解的所在位置,也只会对这个方向进行选择性的听取,至于听多少全取决于那只鸟的“心情”。这就是为什么粒子群算法在速度更新的公式中,既引入了学习因子的概念,又对学习因子乘以一个rand随机数。

其次,当随机生成的解(即随机生成的“鸟”)成为当前时间段内的最优解的时候,此时没有当前最优解、历史最优解对其进行引导。因此我们引入惯性系数w来对这个解进行更新。

综上所述,每只“鸟”移动速度的更新受三个因素的影响:当前最优解、历史最优解、惯性系数。即下面第一个公式。

然后依据每只“鸟”(每个最初随机产生的解)当前的位置加上当前更新的速度,即为每只“鸟”更新后的位置所在。

粒子群算法关于速度更新和位置更新的公式:

最后只要设置最大迭代系数。设置每只“鸟”的速度上限与速度下限以及每只“鸟”的位置上限与位置下限,对鸟类更新的数据进行一定约束,然后不断的重复下列步骤即可得到最优解:

① 得到当前最优解与历史最优解

② 通过惯性系数、当前最优解、历史最优解这三个因素对每个解的位置信息进行更新

③ 回到第一步,直到抵达最大迭代系数

④ 最后得到该算法下的最优解

算例分析:

结果展示:

粒子群算法的优缺点:

优点:可以处理传统方法不能处理的案例,如不可导的节点传递函数或者没有梯度信息的存在。更多应用于神经网络。

缺点:性能一般,网络权重编码和遗传算法选择比较麻烦。


若有疑问可关注微信公众号“TES工作室”咨询。

出品/TES工作室

责任编辑: 鲁达

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