多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法及其應(yīng)用研究.pdf

1、無(wú)論科學(xué)研究還是工程應(yīng)用,許多領(lǐng)域都涉及到多目標(biāo)優(yōu)化問題,尋求高效穩(wěn)健的多目標(biāo)優(yōu)化算法是研究者們長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)注的一個(gè)重要課題。擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法是剛剛出現(xiàn)的一種隨機(jī)搜索算法,該方法從擬態(tài)物理角度來(lái)模擬生物覓食機(jī)制,對(duì)單目標(biāo)全局優(yōu)化問題進(jìn)行求解,在算法收斂性、解集多樣性及算法魯棒性等方面具有較好性能。本文將擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化領(lǐng)域,主要圍繞多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法框架、算法的有效性、種群多樣性、適應(yīng)值的選取、多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)

2、化算法的約束處理等方面進(jìn)行理論研究,并將其應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃中,主要研究成果如下:
　　 1.通過比較擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法與典型的基于種群的優(yōu)化算法之間特征的異同,闡述了基于擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法解決多目標(biāo)優(yōu)化問題的可行性,分析了將擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問題,建立了多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法的基本框架。在此基礎(chǔ)上,融合聚集函數(shù)法,提出了一種多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法,通過仿真測(cè)試說(shuō)明了多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)

3、優(yōu)化算法的有效性。
　　 2.從擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法自身特點(diǎn)出發(fā),分析了個(gè)體作用于種群中其他個(gè)體的虛擬力之和與種群多樣性的關(guān)系,提出了一種基于虛擬力排序的多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法,并基于概率論的基本知識(shí),對(duì)所提算法的收斂性進(jìn)行了理論分析與證明,通過仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了算法具有較好性能,特別在解集多樣性保持方面,要優(yōu)于經(jīng)典多目標(biāo)進(jìn)化算法。
　　 3.分析了多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法中個(gè)體質(zhì)量與多目標(biāo)優(yōu)化問題中個(gè)體適應(yīng)值的關(guān)系,從多目

4、標(biāo)優(yōu)化問題的特點(diǎn)出發(fā),利用基于Pareto的序值概念及基于鄰域半徑的共享技術(shù),來(lái)確定多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法中的質(zhì)量函數(shù),提出了一種基于序值的多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法。通過與經(jīng)典多目標(biāo)進(jìn)化算法及多目標(biāo)微粒群優(yōu)化算法在一系列標(biāo)準(zhǔn)的、復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化測(cè)試函數(shù)上的數(shù)值實(shí)驗(yàn),分析了算法的性能特征.
　　 4.對(duì)約束多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法進(jìn)行了研究。首先將可行規(guī)則法作為約束處理機(jī)制,設(shè)計(jì)了可行個(gè)體及不可行個(gè)體的質(zhì)量函數(shù)及虛擬力作用規(guī)則,

5、在此基礎(chǔ)上提出了一種基于虛擬力減小的約束多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法,有效處理了可行個(gè)體進(jìn)入不可行域的情況,從而較好解決了Pareto最優(yōu)解集位于可行域及不可行域邊界的約束多目標(biāo)優(yōu)化問題,同時(shí),利用概率論的基本理論對(duì)該算法進(jìn)行了收斂性分析證明,通過仿真測(cè)試說(shuō)明了該算法的性能。然后利用約束保持法對(duì)約束多目標(biāo)優(yōu)化問題中的約束進(jìn)行處理,結(jié)合基于序值的擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法的基本思想,提出了一種基于序值的約束多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法,通過數(shù)值實(shí)驗(yàn),分析

6、了算法性能。
　　 5.針對(duì)具有多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的移動(dòng)機(jī)器人全局路徑規(guī)劃問題,首先根據(jù)障礙物信息建立機(jī)器人工作空間模型,將移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)化為一個(gè)連續(xù)空間的約束多目標(biāo)優(yōu)化問題。其次,分析移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃特點(diǎn),將路徑長(zhǎng)度及路徑平滑度作為優(yōu)化目標(biāo),構(gòu)造移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃的適應(yīng)值函數(shù),建立了基于多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃模型。然后利用基于序值的約束多目標(biāo)擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的路徑進(jìn)行規(guī)劃。同時(shí),采用NSGA-