多目标优化的演化算法

近年来．多目标优化问题求解已成为演化计算的一个重要研究方向，而基于Pareto最优概念的多目标演化算法则是当前演化计算的研究热点．多目标演化算法的研究目标是使算法种群快速收敛并均匀分布于问题的非劣最优域．该文在比较与分析多目标优化的演化算法发展的历史基础上，介绍基于Pareto最优概念的多目标演化算法中的一些主要技术与理论结果，并具体以多目标遗传算法为代表，详细介绍了基于偏好的个体排序、适应值赋值以及共享函数与小生境等技术．此外，指出并阐释了值得进一步研究的相关问题．     

多目标优化差分进化算法

个体的适应度赋值和群体的多样性维护是进化算法的两个关键问题。首先,一方面,定义了Paretoε-支配关系的相关概念,通过Paretoε-支配关系确定个体的强度Pareto值,根据个体的强度Pareto值对群体进行Pareto分级排序,实现优胜劣汰;另一方面,使用拥挤距离估算个体的拥挤密度,淘汰位于拥挤区的一些个体,维持群体的多样性。然后,根据差分进化算法的特点,使用适当的进化策略和控制参数,给出了一种用于求解多目标优化问题的差分进化算法DEAMO。最后,数值实验表明,DEAMO在求解标准的多目标优化问题时性能表现优良。     

优化设计中的多目标进化算法

近十多年来多目标进化算法是人工智能领域的一个相当活跃的研究热点。该文从非Pareto方法、基于Pareto方法及贝叶斯多目标优化算法等角度对当今多目标进化算法进行了分析,归纳了新出现的各种方法和技术,探讨了这个领域发展中存在的问题,并进一步给出了发展方向。此外文中分别对后两类提出了解决一般问题的计算效果较好的改进算法和新的算法。     

Evolutionary Algorithms for Multi-Objective Optimization: Performance Assessments and Comparisons

Evolutionary techniques for multi-objective(MO) optimization are currently gainingsignificant attention from researchers invarious fields due to their effectiveness androbustness in searching for a set of trade-offsolutions. Unlike conventional methods thataggregate multiple attributes to form acomposite scalar objective function,evolutionary algorithms with modifiedreproduction schemes for MO optimization arecapable of treating each objective componentseparately and lead the search in discoveringthe global Pareto-optimal front. The rapidadvances of multi-objective evolutionaryalgorithms, however, poses the difficulty ofkeeping track of the developments in this fieldas well as selecting an existing approach thatbest suits the optimization problem in-hand.This paper thus provides a survey on variousevolutionary methods for MO optimization. Manywell-known multi-objective evolutionaryalgorithms have been experimented with andcompared extensively on four benchmark problemswith different MO optimization difficulties.Besides considering the usual performancemeasures in MO optimization, e.g., the spreadacross the Pareto-optimal front and the abilityto attain the global trade-offs, the paper alsopresents a few metrics to examinethe strength and weakness of each evolutionaryapproach both quantitatively and qualitatively.Simulation results for the comparisons areanalyzed, summarized and commented.     

进化多目标优化算法研究

进化多目标优化主要研究如何利用进化计算方法求解多目标优化问题,已经成为进化计算领域的研究热点之一.在简要总结2003年以前的主要算法后,着重对进化多目标优化的最新进展进行了详细讨论.归纳出当前多目标优化的研究趋势,一方面,粒子群优化、人工免疫系统、分布估计算法等越来越多的进化范例被引入多目标优化领域,一些新颖的受自然系统启发的多目标优化算法相继提出;另一方面,为了更有效的求解高维多目标优化问题,一些区别于传统Pareto占优的新型占优机制相继涌现;同时,对多目标优化问题本身性质的研究也在逐步深入.对公认的代表性算法进行了实验对比.最后,对进化多目标优化的进一步发展提出了自己的看法.     

约束优化进化算法

约束优化问题是科学和工程应用领域经常会遇到的一类数学规划问题.近年来,约束优化问题求解已成为进化计算研究的一个重要方向.从约束优化进化算法=约束处理技术+进化算法的研究框架出发,从约束处理技术和进化算法两个基本方面对约束优化进化算法的研究及进展进行了综述.此外,对约束优化进化算法中的一些重要问题进行了探讨.最后进行了各种算法的比较性总结,深入分析了目前约束优化进化算法中亟待解决的问题,并指出了值得进一步研究的方向.     

Interleaving Guidance in Evolutionary Multi-Objective Optimization

In this paper, we propose a framework that uses localization for multi-objective optimization to simultaneously guide an evolutionary algorithm in both the decision and objective spaces. The localization is built using a limited number of adaptive spheres （local models） in the decision space. These spheres axe usually guided, using some direction information, in the decision space towards the areas with non-dominated solutions. We use a second mechanism to adjust the spheres to specialize on different parts of the Paxeto front by using a guided dominance technique in the objective space. Through this interleaved guidance in both spaces, the spheres will be guided towards different parts of the Paxeto front while also exploring the decision space efficiently. The experimental results showed good performance for the local models using this dual guidance, in comparison with their original version.     

多目标进化算法测试问题的设计与分析

为了有效检测多目标优化进化算法的性能,从3个方面进行多目标优化测试问题的设计,即约束条件、最优解分布的均匀性、算法逼近Pareto最优前沿的难度,采用NSGA-Ⅱ算法对这些测试问题进行仿真实验,并将算法求得的最优解可视化。结果显示,测试问题能够有效检测算法在上述3方面的性能。     

基于小生境的多目标进化算法

进化算法求解多目标优化问题平衡收敛性和多样性面临的主要挑战在两个方面：增强对帕累托最优前沿的选择压力和获得多样性良好的解集。然而,随着目标维数的增加,基于帕累托支配关系的选择标准无法有效地解决以上问题。因此,设计了一种基于小生境的多目标进化算法。基于小生境,提出了一种新的支配关系,其中,设计了一个聚合函数和一种采用目标向量角的密度估计方法分别度量候选解的收敛度和分布性。为了保证解集的收敛性,在同一个小生境内,仅仅收敛度最好的解是非支配解。为了维护解集的多样性,在任何两个不同的小生境内,一个小生境内兼具收敛度和分布性良好的解支配另一个小生境内收敛性和分布性均差的解,将提出的支配关系嵌入VaEA取代帕累托支配关系,设计了一种多目标进化算法VaEA-SDN。VaEA-SDN与NSGA-Ⅲ、VaEA、MSEA、NSGAII-CSDR、RPS-NSGAII以及CDR-MOEA等先进的算法在DTLZ(Deb-Thiele-Laumanns-Zitzler)和MaF(manyobjective function)基准测试系列问题上进行了广泛的对比仿真实验。仿真结果表明,VaEA-SDN平衡收敛收敛性...     

约束优化进化算法综述

约束优化进化算法主要研究如何利用进化计算方法求解约束优化问题,是进化计算领城的一个重要研究课题.约束优化问题求解存在约束区域离散、等式约束、非线性约束等挑战,其问题的本质是如何处理可行解与不可行解的关系才能使得算法更高效.本文首先介绍了约束优化问题的定义,然后系统地分析了目前存在的约束优化方法,同时基于约束处理机制将这些方法分为罚函数法、可行性法则、随机排序法、约束处理法、多目标优化法、混合法六类,并从约束处理方法的方面对约束优化进化算法的最新研究进展进行综述.最后,指出约束优化进化算法需进一步研究的方向与关键问题.     

演化多目标优化中的几何热力学选择

热力学遗传算法(Thermodynamical Genetic Algorithms,TDGAs)借鉴热力学中的自由能极小过程来统一处理多目标优化在逼近性和多样性两方面的任务.为提高TDGA的运行效率和解集分布均匀性,提出了一种几何热力学选择.在该选择中首先定义角度熵通过扇形采样来度量种群逼近方向的多样性.然后利用距离精英定义距离能量来度量种群的逼近程度,避免了耗时的非劣分层操作.此外,引入分量热力学替换规则以较低计算代价驱动种群的几何自由能快速下降.在多目标0/1背包问题上的实验结果表明,几何热力学选择极大地提高了TDGA的运行效率和解集分布均匀性;采用该选择的TDGA算法可生成与NSGA-II在逼近性和分布多样性上性能相当的解,但在运行效率上明显优于NSGA-II.     

多目标优化问题的有效Pareto最优集

多目标优化问题求解是当前演化计算的一个重要研究方向,而基于Pareto最优概念的遗传算法更是研究的重点,然而,遗传算法在解决多目标优化问题上的缺陷却使得其往往得不到一个令人满意的解。在对该类算法研究的基础上提出了衡量Pareto最优解集的标准,并对如何满足这个标准提出了建议。     

A Fast Clustering Based Evolutionary Algorithm for Super-Large-Scale Sparse Multi-Objective Optimization

During the last three decades,evolutionary algorithms(EAs) have shown superiority in solving complex optimization problems,especially those with multiple objectives and non-differentiable landscapes.However,due to the stochastic search strategies,the performance of most EAs deteriorates drastically when handling a large number of decision variables.To tackle the curse of dimensionality,this work proposes an efficient EA for solving super-large-scale multi-objective optimization problems with spa...     

A Study on Distribution Preservation Mechanism in Evolutionary Multi-Objective Optimization

This paper reviews a number of popular distribution preservation mechanisms and examines their characteristics and effectiveness in evolutionary multi-objective (MO) optimization. A conceptual framework consisting of solution assessment and elitism is presented to better understand the search guidance in evolutionary MO optimization. Simulation studies among different distribution preservation techniques are performed over fifteen representative distribution samples and the performances are compared based upon two distribution metrics proposed in this paper. The results and findings reported in this paper are valuable for better understanding of the working principle and characteristics of distribution preservation mechanisms, which are very useful for incorporating different distribution preservation features into MO evolutionary algorithms in a modular fashion or improving the effectiveness of existing preservation approaches.     

记忆增强的动态多目标分解进化算法

现实世界中的一些多目标优化问题经常受动态环境影响而不断发生变化,要求优化算法不断地及时跟踪时变的Pareto 最优解集.提出了一种记忆增强的动态多目标分解进化算法.将动态多目标优化问题分解为若干个动态单目标优化子问题并同时优化这些子问题,以便快速逼近Pareto 最优解集.给出了一个改进的环境变化检测算子,以便更好地检测环境变化.设计了一种基于子问题的串式记忆方法,利用过去类似环境下搜索到的最优解来有效地响应新的环境变化.在8 个标准的测试问题上,将新算法与其他3 种记忆增强的动态进化多目标优化算法进行了实验比较.结果表明,新算法比其他3 种算法具有更快的运行速度、更强的记忆能力与鲁棒性能,并且新算法所获得的解集还具有更好的收敛性与分布性.     

基于新模型的动态多目标优化进化算法

在动态多目标优化中,各目标通常相互冲突,其最优解往往有无穷多个,如何在时间连续发生变化的情况下依然能求出分布均匀且数量多的Pareto最优解供决策者选择十分重要.对动态多目标优化问题连续变化的时间变量区间进行了任意划分,在得到的每个时间子区间上把动态多目标优化问题近似为静态多目标优化问题,进而在每个子区间上定义了种群的静态序值方差和静态密度方差,然后把目标个数任意的动态多目标优化问题转化成一个双目标静态优化问题.在给出的一种能自动检测时间变化的自检算子下,提出一种新的动态多目标优化进化算法,并且证明了算法的收敛性.计算机仿真表明新算法对动态多目标优化问题求解十分有效.     

用于约束多目标优化问题的双群体差分进化算法

首先给出一种改进的差分进化算法,然后提出一种基于双群体搜索机制的求解约束多目标优化问题的差分进化算法.该算法同时使用两个群体,其中一个用于保存搜索过程中找到的可行解,另一个用于记录在搜索过程中得到的部分具有某些优良特性的不可行解,避免了构造罚函数和直接删除不可行解.此外,文中算法、NSGA-Ⅱ和SPEA的时间复杂度的比较表明,NSGA-Ⅱ最优,文中算法与SPEA相当.对经典测试函数的仿真结果表明,与NSGA-Ⅱ相比较,文中算法在均匀性及逼近性方面均具有一定的优势.     

基于概率分布的多峰演化算法

演化算法通过模拟自然界生物迭代演化的智能现象来求解优化问题,因其不依赖于待解问题具体数学模型特性的优势,已成为求解复杂优化问题的重要方法.分布估计算法是一类新兴的演化算法,它通过估计种群中优势个体的分布状况建立概率模型并采样得到子代,具有良好的搜索多样性,且能通用于连续和离散空间的优化问题.为进一步推动基于概率分布思想的演化算法发展,概述了多峰优化演化算法的研究现状,并总结出2个基于概率分布的演化算法框架：面向多解优化的概率分布演化算法框架和基于概率分布的集合型离散演化算法框架.前者针对现有的演化算法在求解多峰多解的优化难题时缺乏足够的搜索多样性的缺点,将广义上基于概率分布的演化策略与小生境技术相结合,突破多解优化的搜索多样性瓶颈;后者围绕粒子群优化等部分演化算法在传统上局限于连续实数向量空间的不足,引入概率分布估计的思想,在离散的集合空间重定义了算法的演化操作,从而提高了算法的可用性.     

多目标演化算法的收敛性研究

基于群体搜索的演化算法求解多目标优化问题有独特的优势,多目标演化算法已有的研究大多为算法的设计和数值试验效果的比较,理论研究往往被忽视．该文讨论了多目标演化算法的收敛性问题,针对一种网格化的简单易于实现的多目标演化算法模型定义了多目标演化算法强收敛和弱收敛等概念,给出了判断算法收敛性的一般性条件;在变异算子为高斯变异、目标函数连续的条件下,证明了提出的算法强收敛．数值实验验证了算法的可行性和有效性．     

A Survey of Evolutionary Algorithms for Multi-Objective Optimization Problems With Irregular Pareto Fronts

Evolutionary algorithms have been shown to be very successful in solving multi-objective optimization problems(MOPs).However,their performance often deteriorates when solving MOPs with irregular Pareto fronts.To remedy this issue,a large body of research has been performed in recent years and many new algorithms have been proposed.This paper provides a comprehensive survey of the research on MOPs with irregular Pareto fronts.We start with a brief introduction to the basic concepts,followed by a summary of the benchmark test problems with irregular problems,an analysis of the causes of the irregularity,and real-world optimization problems with irregular Pareto fronts.Then,a taxonomy of the existing methodologies for handling irregular problems is given and representative algorithms are reviewed with a discussion of their strengths and weaknesses.Finally,open challenges are pointed out and a few promising future directions are suggested.