粒子群优化算法简介

作者：寸_铁 | 2024-06-23 04:33:12

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粒子群优化算法

粒子群优化算法简介

粒子群优化（Particle Swarm Optimization，简称PSO）是一种用于求解连续优化问题的进化算法，最早由Kennedy和Eberhart于1995年提出，灵感来源于鸟群觅食和鱼群觅食的行为。

01 算法基本思想

PSO算法将待求解的问题中的每个可能解视为“粒子”。每个粒子在问题的解空间中飞行，并根据它们的历史搜索经验和周围粒子的行为来调整自己的飞行方向和速度。通过多次迭代，粒子群将逐渐接近问题的最优解。

每个粒子有两个主要属性：位置和速度。位置表示当前的解，速度决定了下一步的位置。粒子的移动是通过当前位置和速度以及粒子的最优历史位置和全局最优位置来决定的。

02 算法步骤

初始化：在解空间中随机生成一组粒子，每个粒子有随机的位置和速度。
评价：计算每个粒子的适应度，通常就是要优化的目标函数值。
更新个体和全局最优解：如果当前粒子的适应度优于其历史最佳适应度，那么更新粒子的最优历史位置。然后，如果当前粒子的适应度优于群体的全局最佳适应度，更新全局最优位置。
更新速度和位置：根据个体最优位置、全局最优位置以及粒子当前的速度和位置来更新粒子的速度和位置。
终止检查：如果达到预设的最大迭代次数或者满足其他终止条件，算法停止，否则返回第二步。

03 重要参数与更新公式

在PSO中，有几个重要的参数：

粒子群大小（Particle Size）：这是粒子群中粒子的数量，可以控制搜索的广度。过大的群大小可能导致计算效率低下，而过小的群大小可能使得搜索过于局限。
惯性权重（Inertia Weight，w）：惯性权重控制了粒子保持当前速度的程度。较大的惯性权重可以增强全局搜索能力，而较小的惯性权重可以增强局部搜索能力。
个体和全局学习因子（Cognition and Social Learning Factors，c1和c2）：这两个参数控制了粒子向个体最优解和全局最优解

学习的速度。

其中粒子的速度和位置的更新公式如下：

速度更新：
$\omega \times v[i] + c1 \times rand \times(pbest[i]-x[i]) + c2 \times rand()(gbest - x[i]) \tag{1}$
位置更新：
$\tag{2}$

这里，v[i]和x[i]分别是粒子i的速度和位置，pbest[i]是粒子i的个体最优位置，gbest是全局最优位置，rand()是[0,1)间的随机数。

04 编程实现

在编写程序实现PSO的过程中，我们主要考虑以下几个步骤：

初始化：设置初始的位置和速度，这通常是随机的。
适应度计算：计算每个粒子的适应度值，即目标函数值。
更新pbest和gbest：如果粒子的当前适应度优于其历史最优适应度，那么更新其个体最优位置pbest；同时，更新全局最优位置gbest。
更新速度和位置：根据速度更新公式和位置更新公式，计算每个粒子的新速度和新位置。
检查终止条件：如果满足最大迭代次数或者其他设定的终止条件，则停止算法；否则，返回适应度计算步骤，进行下一轮迭代。

在实际编程实现中，还可能需要考虑如何处理约束条件、如何选择合适的参数、如何生成随机数等问题。这需要根据具体的优化问题和应用环境进行适当的设计和选择。

fortran代码示例：

!*****************************************************
!! 粒子群优化算法模块
!*****************************************************

MODULE PSO_MODULE

    IMPLICIT NONE
    
    ! 粒子数，优化变量数，最大迭代数
    INTEGER(KIND = 4), PARAMETER :: N_PARTICLES = 100, N_VARIABLES = 3, MAX_ITER = 1000  
    
    ! 惯性权重的最大和最小值， 学习因子
    REAL(KIND = 8), PARAMETER :: W_MAX = 0.9D0, W_MIN = 0.4D0, C1 = 1.5D0, C2 = 1.5D0
    
    ! 优化变量的上、下限， 粒子速度的上、下限
    REAL(KIND = 8), PARAMETER :: X_LOWER = 0.0D0, X_UPPER = 1.0D0
    REAL(KIND = 8), PARAMETER :: V_LOWER = -1.0D0, V_UPPER = 1.0D0
    
    REAL(KIND = 8) :: X(N_PARTICLES, N_VARIABLES), VELOCITY(N_PARTICLES, N_VARIABLES)
    REAL(KIND = 8) :: PBEST(N_PARTICLES)
    REAL(KIND = 8) :: GBEST
    REAL(KIND = 8) :: PBEST_POS(N_PARTICLES, N_VARIABLES)         ! 每个粒子最优位置的具体值
    INTEGER(KIND = 4) :: GBEST_INDEX                              ! 全局最优位置对应的粒子索引
    
    CONTAINS
    
    !=====================================================
    !! 初始化粒子的位置和速度
    !=====================================================
    SUBROUTINE INITIALIZE()
    
        IMPLICIT NONE
        INTEGER(KIND = 4) :: I, J
        
        CALL RANDOM_NUMBER(X)
        X = X_LOWER + (X_UPPER - X_LOWER) * X
        CALL RANDOM_NUMBER(VELOCITY)
        VELOCITY = V_LOWER + (V_UPPER - V_LOWER) * VELOCITY
        PBEST_POS = X
        PBEST = 1.0D0 / 0.D0                                 ! 初始化个体最优解为无穷大
        GBEST_INDEX = 1
        GBEST = PBEST(GBEST_INDEX)
        
    END SUBROUTINE INITIALIZE
    
    !=====================================================
    !! 更新粒子的位置和速度
    !=====================================================
    SUBROUTINE UPDATE(OBJECTIVE, ITER)
    
        IMPLICIT NONE
        INTEGER(KIND = 4) :: ITER, I, J
        REAL(KIND = 8), EXTERNAL :: OBJECTIVE                !objective 是目标函数，需要自己定义
        REAL(KIND = 8) :: R1 = 1.0, R2 = 1.0, WEIGHT
        REAL(KIND = 8) :: PENALTY
        
        WEIGHT = W_MAX - ITER * (W_MAX - W_MIN) / MAX_ITER       ! 自适应惯性权重
        !WEIGHT = 0.9
        
        DO I = 1, N_PARTICLES
            PENALTY = PENALTY_FUNCTION(X(I, :))
            IF(OBJECTIVE(X(I, :)) + PENALTY < PBEST(I)) THEN
                PBEST(I) = OBJECTIVE(X(I, :)) + PENALTY
                PBEST_POS(I, :) = X(I, :)
                IF(PBEST(I) < PBEST(GBEST_INDEX)) THEN
                    GBEST_INDEX = I
                ENDIF
            ENDIF
        ENDDO
        
        GBEST = PBEST(GBEST_INDEX) 
        PRINT *, 'GBEST_ITER: ', GBEST
        
        DO J = 1, N_VARIABLES
            CALL RANDOM_NUMBER(R1)
            CALL RANDOM_NUMBER(R2)
            VELOCITY(:, J) = WEIGHT * VELOCITY(:, J) + C1 * R1 * (PBEST_POS(:, J) - X(:, J)) + &
                      C2 * R2 * (PBEST_POS(GBEST_INDEX, J) - X(:, J))
            X(:, J) = X(:, J) + VELOCITY(:, J)
        ENDDO
        
        WHERE(X < X_LOWER) X = X_LOWER
        WHERE(X > X_UPPER) X = X_UPPER
        !WHERE(VELOCITY < V_LOWER) VELOCITY = V_LOWER
        !WHERE(VELOCITY > V_UPPER) VELOCITY = V_UPPER
        
    END SUBROUTINE UPDATE
    
    !=====================================================
    !! 粒子群优化过程
    !=====================================================
    SUBROUTINE OPTIMIZE(OBJECTIVE)
    
        IMPLICIT NONE
        INTEGER(KIND = 4) :: I
        REAL(KIND = 8), EXTERNAL :: OBJECTIVE
        
        !CALL INITIALIZE()
        DO I = 1, MAX_ITER
            CALL UPDATE(OBJECTIVE, I)
        ENDDO
        
        PRINT *, 'Optimized Solution: ', GBEST
        PAUSE
    END SUBROUTINE OPTIMIZE
    
    
    !=====================================================
    !!惩罚函数，当设计变量更新不[0, 1]之间时施加惩罚，这里根据需要修改
    !=====================================================
    DOUBLE PRECISION FUNCTION PENALTY_FUNCTION(X)           
        
        IMPLICIT NONE
        REAL(KIND = 8), INTENT(IN) :: X(3)
        
        IF(ANY(X < 0.D0) .OR. ANY(X > 1.D0)) THEN
            PENALTY_FUNCTION = 1.D9
        ELSE
            PENALTY_FUNCTION = 0.D0
        ENDIF
        
    END
    
        
    
    END MODULE PSO_MODULE
1
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05 高级特性

随着对粒子群优化算法的深入研究和实际应用，一些高级特性和改进方法已经被提出，这些特性有助于解决PSO在某些问题上的缺陷，或者进一步提升其性能。

约束处理

在很多实际问题中，解常常需要满足一些约束条件。约束处理方法的选择对PSO的性能有很大影响。一种常见的处理方法是惩罚函数法，即将违反约束的解通过一定的惩罚函数来降低其适应度。还有一些其他的处理方法，如使用修复操作将不可行解修复为可行解，或者使用满足约束的随机操作来生成初始粒子群等。

多目标优化

多目标优化问题是存在多个互相冲突的目标函数需要同时优化的问题。多目标粒子群优化算法通常需要引入一种或多种评价机制，如帕累托排序，以找到在各目标函数之间达到最优平衡的解。

混沌搜索

PSO的搜索过程可以看作是一个动力系统的演化过程。混沌理论是研究动力系统内部复杂行为的一种理论，其主要特点是确定性、非线性和敏感依赖初始条件。通过引入混沌搜索，可以在一定程度上避免PSO陷入局部最优，增强其全局搜索能力。

群体拓扑结构

PSO的群体拓扑结构决定了粒子之间的信息交流方式。常见的群体拓扑结构有全局型、环形、星形等。不同的拓扑结构对PSO的搜索性能有很大影响，合理的拓扑结构可以在全局搜索和局部搜索之间达到良好的平衡。

自适应参数调整

PSO的性能在很大程度上取决于参数的选择。自适应参数调整方法可以根据搜索过程的实际情况动态地调整参数，以适应不同阶段的搜索需求。常见的自适应参数调整方法包括线性递减惯性权重法、自适应学习因子法等。

以上是粒子群优化算法的一些高级特性和改进方法，对于不同的优化问题，可以选择适当的特性和方法来改进PSO，以提高其求解性能。

06 总结

PSO是一种强大且简洁的优化方法。它的主要优点是实现简单、参数少，但可能需要针对特定问题进行参数调整。总的来说，PSO是一个值得深入研究和实践的优化工具。

重要参考文献

Kennedy, J., & Eberhart, R. (1995). Particle swarm optimization. Proceedings of ICNN’95 - International Conference on Neural Networks, 4, 1942-1948.
Clerc, M., & Kennedy, J. (2002). The particle swarm-explosion, stability, and convergence in a multidimensional complex space. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 6(1), 58-73.
Poli, R., Kennedy, J., & Blackwell, T. (2007). Particle swarm optimization. Swarm intelligence, 1(1), 33-57.
Shi, Y., & Eberhart, R. C. (1998). A modified particle swarm optimizer. Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Evolutionary Computation, 69-73.
Van den Bergh, F., & Engelbrecht, A. P. (2006). A cooperative approach to particle swarm optimization. IEEE transactions on evolutionary computation, 8(2), 225-239.
Parsopoulos, K. E., & Vrahatis, M. N. (2002). Particle swarm optimization method in multiobjective problems. Proceedings of the 2002 ACM Symposium on Applied Computing, 603-607

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