灰狼优化算法(Grey Wolf Optimizer, GWO)_灰狼算法

灰狼优化算法(Grey Wolf Optimizer, GWO)

        由澳大利亚格里菲斯大学（Griffith University）研究学者 Seyedali Mirjalili 于 2014 年提出，是一种模拟自然界中灰狼的等级制度与狩猎行为的群智能优化算法，具有操作简单、调节参数少、编程易实现等特点。首先介绍了 GWO 的仿生学原理及其进化公式，然后对 GWO 的进化过程进行描述，最后给出 GWO 的伪代码与时间复杂度分析。

标题灰狼优化算法原理

        灰狼是社会性的捕食者，具有严格的社会阶级划分，在一个狼群中，灰狼可分为alpha、beta、delta 和 omega 四个等级，上级的灰狼支配下级的灰狼，下级的灰狼服从并执行上级灰狼的决策。如图 2.1 的金字塔型结构所示：

         $\alpha$ 位于顶端，代表狼群中的头狼，负责做出狩猎，休息等决策；由于其它的狼需要服从 $\alpha$狼的命令，所以 $\alpha$狼也被称为支配狼。另外， $\alpha$ 狼不一定是狼群中最强的狼，但就管理能力方面来说， $\alpha$ 狼一定是最好的。
        $\beta$是 $\alpha$ 的从属者，它们的职责是协助 $\alpha$ 做出决策，当已有的 $\alpha$ 失去优势时，它们也是代替其成为新的 $\alpha$ 的最佳候选者；在 $\alpha$狼去世或衰老后，$\beta$ 狼将成为 $\alpha$ 狼的最候选者。虽然 $\beta$ 狼服从 $\alpha$ 狼，但 $\beta$ 狼可支配其它社会层级上的狼。
        $\delta$支配底层的 $\omega$，但服从于 $\alpha$ 和 $\beta$ 的指令；
        $\omega$ 位于底端，狼群中的大部分灰狼属于这一阶级，它们负责执行以上三个等级灰狼的决策，协调狼群内部的关系。
        优化过程将包围、追捕、攻击三个阶段的任务分配给各等级的灰狼群来完成捕食行为，从而实现全局优化的搜索过程。下面对这三个阶段分别进行介绍：

1.包围：

        在 GWO 中，灰狼在狩猎过程中利用以下位置更新公式实现对猎物的包围 ：

其中， X 表示灰狼的位置；t 为当前迭代次数； $X_p$表示猎物的位置； D 表示灰狼与猎物之间的距离，其计算方式见公式(1.2)。 A 和 C 是两个协同系数向量, 其计算见公式(1.3)和公式(1.4)：

其中，$\overrightarrow{r_1}$、$\overrightarrow{r_2}$是两个一维分量取值在[0,1]内的随机数向量，向量 A 用于模拟灰狼对猎物的攻击行为，它的取值受到$\overrightarrow{a}$ 的影响。收敛因子 $\overrightarrow{a}$ 是一个平衡GWO 勘探与开发能力的关键参数. $\overrightarrow{a}$ 的取值随着迭代次数的增大从 2 到 0 线性递减，计算公式如(1.12)所示。

2.追捕：

        在自然界中，虽然狩猎过程通常由头狼在 $\alpha$ 狼引导，其它等级的狼配合对猎物进行包围、追捕和攻击，但在演化计算过程中，猎物（最优解）位置 $X_p$是未知的，因此在 GWO 中我们认为最优的灰狼为$\alpha$，次优的灰狼为 $\beta$，第三优的灰狼为$\beta$，其余的灰狼是$\omega$，根据 $\alpha$（潜在最优解）、$\beta$ 和 $\delta$对猎物的位置有更多知识的这一特性建立模型，迭代过程中采用 $\alpha$、$\beta$ 和$\delta$ 来指导$\omega$ 的移动，从而实现全局优化。利用$\alpha$、$\beta$ 和$\delta$的位置$\overrightarrow{X_{\alpha }}$、$\overrightarrow{X_{\beta }}$ 和$\overrightarrow{X_{\delta }}$ ,使用下述方程更新所有灰狼的位置：


灰狼的位置更新方式[10]可以用下图形象地表示。

                                                图2 灰狼位置更新方式

3.攻击

        在下面的公式(1.12)中，t 表示当前迭代次数，T 为设定的最大迭代次数。当 $a$ 的值从 2 递减至 0 时，其对应的 A 的值也在区间[-a, a]变化：$a$ 的取值越大则会使灰狼远离猎物，希望找到一个更适合的猎物，因而促使狼群进行全局搜索(|