1.背景介紹
樽海鞘,身體呈透明的桶狀。它們的組織與水母非常相似。它們的運(yùn)動(dòng)也非常類似于水母,在水母中,水被泵送通過身體作為推進(jìn)向前運(yùn)動(dòng)。輸卵管的形狀如圖1(a)所示。
關(guān)于這種生物的生物學(xué)研究處于早期階段,主要是因?yàn)樗鼈兊纳瞽h(huán)境極難進(jìn)入,而且很難將它們保存在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。樽海鞘最有趣的行為之一,也是論文中感興趣的,是它們的群集行為。在深海中,沙魚經(jīng)常形成一個(gè)稱為沙魚鏈的群體。該鏈條如圖1(b)所示。這種行為的主要原因尚不清楚,但一些研究人員認(rèn)為,這樣做是為了通過快速協(xié)調(diào)的變化和覓食來實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)動(dòng)。
2.數(shù)學(xué)模型
2.1 提出的移動(dòng)樽海鞘鏈的數(shù)學(xué)模型
為了對(duì)樽海鞘(salp)鏈進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,首先將種群分為兩組:領(lǐng)導(dǎo)者和追隨者。領(lǐng)導(dǎo)者是鏈前面的salp,而salp的其余部分則被視為追隨者。正如這些salps的名字所暗示的那樣,領(lǐng)導(dǎo)者引導(dǎo)群體,追隨者相互跟隨(以及領(lǐng)導(dǎo)者直接或間接)。
類似于其他基于群的技術(shù),salps的位置是在n維搜索空間中定義的,其中n是給定問題的變量數(shù)。因此,所有salps的位置都存儲(chǔ)在一個(gè)稱為x的二維矩陣中。還假設(shè)在搜索空間中有一個(gè)名為F的食物源作為群體的目標(biāo)。
為了更新領(lǐng)導(dǎo)者的位置,提出了以下等式:
其中,x1j表示第一個(gè)salp(前導(dǎo))在第j維中的位置,F(xiàn)j是食物源在第j維度中的位置、ubj表示第j維的上界、lbj表示第i維的下界,c1、c2和c3是隨機(jī)數(shù)。
等式(3.1)表明,引導(dǎo)器僅更新其相對(duì)于食物源的位置。系數(shù)c1是SSA中最重要的參數(shù),因?yàn)樗胶饬丝碧胶烷_采,定義如下:
其中l(wèi)是當(dāng)前迭代,l是迭代的最大次數(shù)。
參數(shù)c2和c3是在[0,1]的區(qū)間中均勻生成的隨機(jī)數(shù)。事實(shí)上,它們決定了第j維中的下一個(gè)位置是朝向正無窮大還是負(fù)無窮大,以及步長(zhǎng)。
為了更新從動(dòng)件的位置,使用以下方程(牛頓運(yùn)動(dòng)定律):
當(dāng)i≥2時(shí),xi j表示第i個(gè)跟隨器salp在j維的位置,t是時(shí)間,v0是初始速度,a=v_final/v_0,其中v=(x?x_0)/t。
因?yàn)閮?yōu)化中的時(shí)間是迭代,所以迭代之間的差異等于1,并且考慮v0=0,這個(gè)方程可以表示如下:
其中i≥2,xi j表示第i個(gè)跟隨器salp在j維中的位置。
利用等式(3.1)和(3.4),可以模擬salp鏈。
2.2 Swarm仿真
為了觀察上述數(shù)學(xué)模型的效果,在本小節(jié)中進(jìn)行了模擬。二十條salps被隨機(jī)放置在有固定或移動(dòng)食物來源的搜索空間中。輸卵管鏈的位置和每條輸卵管的歷史如圖2-5所示。請(qǐng)注意,圖中的藍(lán)色點(diǎn)表示食物來源的位置,最深的圓圈是最前面的salp。跟隨者的薩爾普根據(jù)其在薩爾普鏈中相對(duì)于引導(dǎo)者的位置而被涂上灰色。在圖2和圖4中檢查salp鏈在九次連續(xù)迭代中的行為,可以觀察到,在第一次迭代后,可以使用有效提出的方程形成和移動(dòng)群。此外,可以看出,在迭代過程中,領(lǐng)先的salp會(huì)改變其在食物來源周圍的位置,而跟隨的salp則會(huì)逐漸跟隨它。兩個(gè)模擬都使用了相同的模型,并且在兩個(gè)2D中都使用了該模型的優(yōu)點(diǎn)
圖3和圖5顯示了100次迭代后,在2D和3D空間中固定和移動(dòng)食物源周圍的salp的位置歷史。在固定食物源周圍搜索的點(diǎn)表明,salp在搜索空間周圍有效地移動(dòng)。點(diǎn)的分布是合理的,表明所提出的模型能夠探索和利用固定食物源周圍的空間。此外,圖3和圖5顯示,所提出的數(shù)學(xué)模型要求salp鏈中的salp追逐移動(dòng)的食物源。在起點(diǎn)周圍搜索的點(diǎn)的分布高于終點(diǎn)。這是由于控制勘探和開發(fā)的c1參數(shù)。這些發(fā)現(xiàn)證明,salp鏈運(yùn)動(dòng)模型能夠探索和利用固定和移動(dòng)食物來源周圍的空間。
2.3 單目標(biāo)Salp Swarm算法(SSA)
不用說,模擬salp鏈的數(shù)學(xué)模型不能直接用于解決優(yōu)化問題。換句話說,需要稍微調(diào)整一下模型,使其適用于優(yōu)化問題。單目標(biāo)優(yōu)化器的最終目標(biāo)是確定全局最優(yōu)。在SSA群模型中,跟隨salp跟隨前導(dǎo)salp。主要的沙拉醬也向食物來源移動(dòng)。因此,如果食物源被全局最優(yōu)替代,salp鏈會(huì)自動(dòng)向其移動(dòng)。然而,問題是優(yōu)化問題的全局最優(yōu)是未知的。在這種情況下,假設(shè)到目前為止獲得的最佳解決方案是全局最優(yōu)的,并假設(shè)為salp鏈追逐的食物來源。
SSA算法的偽代碼如圖6.1所示。該圖顯示SSA算法通過啟動(dòng)具有隨機(jī)位置的多個(gè)salp來開始逼近全局最優(yōu)。然后,它計(jì)算每個(gè)salp的適應(yīng)度,找到適應(yīng)度最好的salp,并將最佳salp的位置分配給變量F,作為salp鏈要追逐的源食物。同時(shí),使用等式(3.2)更新系數(shù)c1。對(duì)于每個(gè)維度,使用等式(3.1)來更新前導(dǎo)salp的位置和使用等式(3.4)來更新跟隨salp的地位。如果任何salp超出搜索空間,它將被帶回到邊界上。除了初始化之外的所有上述步驟都被反復(fù)執(zhí)行,直到滿足結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為止。
3.算法流程圖
4.文件結(jié)構(gòu)
func_plot.m % 繪制的基準(zhǔn)函數(shù)
Get_Functions_details.m % 基準(zhǔn)的全部信息和實(shí)現(xiàn)
initialization.m % 初始化
main.m % 主函數(shù)
SSA.m % 樽海鞘群優(yōu)化算法
5.偽代碼
6.詳細(xì)代碼及注釋
6.1 func_plot.m
function func_plot(func_name)
[lb,ub,dim,fobj]=Get_Functions_details(func_name);
switch func_name
case 'F1'
x=-100:2:100; y=x; %[-100,100]
case 'F2'
x=-100:2:100; y=x; %[-10,10]
case 'F3'
x=-100:2:100; y=x; %[-100,100]
case 'F4'
x=-100:2:100; y=x; %[-100,100]
case 'F5'
x=-200:2:200; y=x; %[-5,5]
case 'F6'
x=-100:2:100; y=x; %[-100,100]
case 'F7'
x=-1:0.03:1; y=x %[-1,1]
case 'F8'
x=-500:10:500;y=x; %[-500,500]
case 'F9'
x=-5:0.1:5; y=x; %[-5,5]
case 'F10'
x=-20:0.5:20; y=x;%[-500,500]
case 'F11'
x=-500:10:500; y=x;%[-0.5,0.5]
case 'F12'
x=-10:0.1:10; y=x;%[-pi,pi]
case 'F13'
x=-5:0.08:5; y=x;%[-3,1]
case 'F14'
x=-100:2:100; y=x;%[-100,100]
case 'F15'
x=-5:0.1:5; y=x;%[-5,5]
case 'F16'
x=-1:0.01:1; y=x;%[-5,5]
case 'F17'
x=-5:0.1:5; y=x;%[-5,5]
case 'F18'
x=-5:0.06:5; y=x;%[-5,5]
case 'F19'
x=-5:0.1:5; y=x;%[-5,5]
case 'F20'
x=-5:0.1:5; y=x;%[-5,5]
case 'F21'
x=-5:0.1:5; y=x;%[-5,5]
case 'F22'
x=-5:0.1:5; y=x;%[-5,5]
case 'F23'
x=-5:0.1:5; y=x;%[-5,5]
end
L=length(x);
f=[];
for i=1:L
for j=1:L
if strcmp(func_name,'F15')==0 && strcmp(func_name,'F19')==0 && strcmp(func_name,'F20')==0 && strcmp(func_name,'F21')==0 && strcmp(func_name,'F22')==0 && strcmp(func_name,'F23')==0
f(i,j)=fobj([x(i),y(j)]);
end
if strcmp(func_name,'F15')==1
f(i,j)=fobj([x(i),y(j),0,0]);
end
if strcmp(func_name,'F19')==1
f(i,j)=fobj([x(i),y(j),0]);
end
if strcmp(func_name,'F20')==1
f(i,j)=fobj([x(i),y(j),0,0,0,0]);
end
if strcmp(func_name,'F21')==1 || strcmp(func_name,'F22')==1 ||strcmp(func_name,'F23')==1
f(i,j)=fobj([x(i),y(j),0,0]);
end
end
end
surfc(x,y,f,'LineStyle','none');
end
6.2 Get_Functions_details.m
function [lb,ub,dim,fobj] = Get_Functions_details(F)
switch F
case 'F1'
fobj = @F1;
lb=-100;
ub=100;
dim=30;
case 'F2'
fobj = @F2;
lb=-10;
ub=10;
dim=10;
case 'F3'
fobj = @F3;
lb=-100;
ub=100;
dim=10;
case 'F4'
fobj = @F4;
lb=-100;
ub=100;
dim=10;
case 'F5'
fobj = @F5;
lb=-30;
ub=30;
dim=10;
case 'F6'
fobj = @F6;
lb=-100;
ub=100;
dim=10;
case 'F7'
fobj = @F7;
lb=-1.28;
ub=1.28;
dim=10;
case 'F8'
fobj = @F8;
lb=-500;
ub=500;
dim=10;
case 'F9'
fobj = @F9;
lb=-5.12;
ub=5.12;
dim=10;
case 'F10'
fobj = @F10;
lb=-32;
ub=32;
dim=10;
case 'F11'
fobj = @F11;
lb=-600;
ub=600;
dim=10;
case 'F12'
fobj = @F12;
lb=-50;
ub=50;
dim=10;
case 'F13'
fobj = @F13;
lb=-50;
ub=50;
dim=10;
case 'F14'
fobj = @F14;
lb=-65.536;
ub=65.536;
dim=2;
case 'F15'
fobj = @F15;
lb=-5;
ub=5;
dim=4;
case 'F16'
fobj = @F16;
lb=-5;
ub=5;
dim=2;
case 'F17'
fobj = @F17;
lb=[-5,0];
ub=[10,15];
dim=2;
case 'F18'
fobj = @F18;
lb=-2;
ub=2;
dim=2;
case 'F19'
fobj = @F19;
lb=0;
ub=1;
dim=3;
case 'F20'
fobj = @F20;
lb=0;
ub=1;
dim=6;
case 'F21'
fobj = @F21;
lb=0;
ub=10;
dim=4;
case 'F22'
fobj = @F22;
lb=0;
ub=10;
dim=4;
case 'F23'
fobj = @F23;
lb=0;
ub=10;
dim=4;
end
end
% F1
function o = F1(x)
o=sum(x.^2);
end
% F2
function o = F2(x)
o=sum(abs(x))+prod(abs(x));
end
% F3
function o = F3(x)
dim=size(x,2);
o=0;
for i=1:dim
o=o+sum(x(1:i))^2;
end
end
% F4
function o = F4(x)
o=max(abs(x));
end
% F5
function o = F5(x)
dim=size(x,2);
o=sum(100*(x(2:dim)-(x(1:dim-1).^2)).^2+(x(1:dim-1)-1).^2);
end
% F6
function o = F6(x)
o=sum(abs((x+.5)).^2);
end
% F7
function o = F7(x)
dim=size(x,2);
o=sum([1:dim].*(x.^4))+rand;
end
% F8
function o = F8(x)
o=sum(-x.*sin(sqrt(abs(x))));
end
% F9
function o = F9(x)
dim=size(x,2);
o=sum(x.^2-10*cos(2*pi.*x))+10*dim;
end
% F10
function o = F10(x)
dim=size(x,2);
o=-20*exp(-.2*sqrt(sum(x.^2)/dim))-exp(sum(cos(2*pi.*x))/dim)+20+exp(1);
end
% F11
function o = F11(x)
dim=size(x,2);
o=sum(x.^2)/4000-prod(cos(x./sqrt([1:dim])))+1;
end
% F12
function o = F12(x)
dim=size(x,2);
o=(pi/dim)*(10*((sin(pi*(1+(x(1)+1)/4)))^2)+sum((((x(1:dim-1)+1)./4).^2).*...
(1+10.*((sin(pi.*(1+(x(2:dim)+1)./4)))).^2))+((x(dim)+1)/4)^2)+sum(Ufun(x,10,100,4));
end
% F13
function o = F13(x)
dim=size(x,2);
o=.1*((sin(3*pi*x(1)))^2+sum((x(1:dim-1)-1).^2.*(1+(sin(3.*pi.*x(2:dim))).^2))+...
((x(dim)-1)^2)*(1+(sin(2*pi*x(dim)))^2))+sum(Ufun(x,5,100,4));
end
% F14
function o = F14(x)
aS=[-32 -16 0 16 32 -32 -16 0 16 32 -32 -16 0 16 32 -32 -16 0 16 32 -32 -16 0 16 32;,...
-32 -32 -32 -32 -32 -16 -16 -16 -16 -16 0 0 0 0 0 16 16 16 16 16 32 32 32 32 32];
for j=1:25
bS(j)=sum((x'-aS(:,j)).^6);
end
o=(1/500+sum(1./([1:25]+bS))).^(-1);
end
% F15
function o = F15(x)
aK=[.1957 .1947 .1735 .16 .0844 .0627 .0456 .0342 .0323 .0235 .0246];
bK=[.25 .5 1 2 4 6 8 10 12 14 16];bK=1./bK;
o=sum((aK-((x(1).*(bK.^2+x(2).*bK))./(bK.^2+x(3).*bK+x(4)))).^2);
end
% F16
function o = F16(x)
o=4*(x(1)^2)-2.1*(x(1)^4)+(x(1)^6)/3+x(1)*x(2)-4*(x(2)^2)+4*(x(2)^4);
end
% F17
function o = F17(x)
o=(x(2)-(x(1)^2)*5.1/(4*(pi^2))+5/pi*x(1)-6)^2+10*(1-1/(8*pi))*cos(x(1))+10;
end
% F18
function o = F18(x)
o=(1+(x(1)+x(2)+1)^2*(19-14*x(1)+3*(x(1)^2)-14*x(2)+6*x(1)*x(2)+3*x(2)^2))*...
(30+(2*x(1)-3*x(2))^2*(18-32*x(1)+12*(x(1)^2)+48*x(2)-36*x(1)*x(2)+27*(x(2)^2)));
end
% F19
function o = F19(x)
aH=[3 10 30;.1 10 35;3 10 30;.1 10 35];cH=[1 1.2 3 3.2];
pH=[.3689 .117 .2673;.4699 .4387 .747;.1091 .8732 .5547;.03815 .5743 .8828];
o=0;
for i=1:4
o=o-cH(i)*exp(-(sum(aH(i,:).*((x-pH(i,:)).^2))));
end
end
% F20
function o = F20(x)
aH=[10 3 17 3.5 1.7 8;.05 10 17 .1 8 14;3 3.5 1.7 10 17 8;17 8 .05 10 .1 14];
cH=[1 1.2 3 3.2];
pH=[.1312 .1696 .5569 .0124 .8283 .5886;.2329 .4135 .8307 .3736 .1004 .9991;...
.2348 .1415 .3522 .2883 .3047 .6650;.4047 .8828 .8732 .5743 .1091 .0381];
o=0;
for i=1:4
o=o-cH(i)*exp(-(sum(aH(i,:).*((x-pH(i,:)).^2))));
end
end
% F21
function o = F21(x)
aSH=[4 4 4 4;1 1 1 1;8 8 8 8;6 6 6 6;3 7 3 7;2 9 2 9;5 5 3 3;8 1 8 1;6 2 6 2;7 3.6 7 3.6];
cSH=[.1 .2 .2 .4 .4 .6 .3 .7 .5 .5];
o=0;
for i=1:5
o=o-((x-aSH(i,:))*(x-aSH(i,:))'+cSH(i))^(-1);
end
end
% F22
function o = F22(x)
aSH=[4 4 4 4;1 1 1 1;8 8 8 8;6 6 6 6;3 7 3 7;2 9 2 9;5 5 3 3;8 1 8 1;6 2 6 2;7 3.6 7 3.6];
cSH=[.1 .2 .2 .4 .4 .6 .3 .7 .5 .5];
o=0;
for i=1:7
o=o-((x-aSH(i,:))*(x-aSH(i,:))'+cSH(i))^(-1);
end
end
% F23
function o = F23(x)
aSH=[4 4 4 4;1 1 1 1;8 8 8 8;6 6 6 6;3 7 3 7;2 9 2 9;5 5 3 3;8 1 8 1;6 2 6 2;7 3.6 7 3.6];
cSH=[.1 .2 .2 .4 .4 .6 .3 .7 .5 .5];
o=0;
for i=1:10
o=o-((x-aSH(i,:))*(x-aSH(i,:))'+cSH(i))^(-1);
end
end
function o=Ufun(x,a,k,m)
o=k.*((x-a).^m).*(x>a)+k.*((-x-a).^m).*(x<(-a));
end
6.3 initialization.m
function Positions=initialization(SearchAgents_no,dim,ub,lb)
Boundary_no= size(ub,1); % numnber of boundaries
% If the boundaries of all variables are equal and user enter a signle
% number for both ub and lb
if Boundary_no==1
Positions=rand(SearchAgents_no,dim).*(ub-lb)+lb;
end
% If each variable has a different lb and ub
if Boundary_no>1
for i=1:dim
ub_i=ub(i);
lb_i=lb(i);
Positions(:,i)=rand(SearchAgents_no,1).*(ub_i-lb_i)+lb_i;
end
end
6.4 main.m
clear all
clc
SearchAgents_no=30; % Number of search agents
Function_name='F1'; % Name of the test function that can be from F1 to F23 (
Max_iteration=1000; % Maximum numbef of iterations
% Load details of the selected benchmark function
[lb,ub,dim,fobj]=Get_Functions_details(Function_name);
[Best_score,Best_pos,SSA_cg_curve]=SSA(SearchAgents_no,Max_iteration,lb,ub,dim,fobj);
figure('Position',[500 500 660 290])
%Draw search space
subplot(1,2,1);
func_plot(Function_name);
title('Parameter space')
xlabel('x_1');
ylabel('x_2');
zlabel([Function_name,'( x_1 , x_2 )'])
%Draw objective space
subplot(1,2,2);
semilogy(SSA_cg_curve,'Color','r')
title('Objective space')
xlabel('Iteration');
ylabel('Best score obtained so far');
axis tight
grid on
box on
legend('SSA')
display(['The best solution obtained by SSA is \m ', num2str(Best_pos)]);
display(['The best optimal value of the objective funciton found by SSA is \n ', num2str(Best_score)]);
6.5 SSA.m
function [FoodFitness,FoodPosition,Convergence_curve]=SSA(N,Max_iter,lb,ub,dim,fobj)
if size(ub,1)==1
ub=ones(dim,1)*ub;
lb=ones(dim,1)*lb;
end
Convergence_curve = zeros(1,Max_iter);
%Initialize the positions of salps
SalpPositions=initialization(N,dim,ub,lb);
FoodPosition=zeros(1,dim);
FoodFitness=inf;
%calculate the fitness of initial salps
for i=1:size(SalpPositions,1)
SalpFitness(1,i)=fobj(SalpPositions(i,:));
end
[sorted_salps_fitness,sorted_indexes]=sort(SalpFitness);
for newindex=1:N
Sorted_salps(newindex,:)=SalpPositions(sorted_indexes(newindex),:);
end
FoodPosition=Sorted_salps(1,:);
FoodFitness=sorted_salps_fitness(1);
%Main loop
l=2; % start from the second iteration since the first iteration was dedicated to calculating the fitness of salps
while l<Max_iter+1
c1 = 2*exp(-(4*l/Max_iter)^2); % Eq. (3.2) in the paper
for i=1:size(SalpPositions,1)
SalpPositions= SalpPositions';
if i<=N/2
for j=1:1:dim
c2=rand();
c3=rand();
%%%%%%%%%%%%% % Eq. (3.1) in the paper %%%%%%%%%%%%%%
if c3<0.5
SalpPositions(j,i)=FoodPosition(j)+c1*((ub(j)-lb(j))*c2+lb(j));
else
SalpPositions(j,i)=FoodPosition(j)-c1*((ub(j)-lb(j))*c2+lb(j));
end
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
end
elseif i>N/2 && i<N+1
point1=SalpPositions(:,i-1);
point2=SalpPositions(:,i);
SalpPositions(:,i)=(point2+point1)/2; % % Eq. (3.4) in the paper
end
SalpPositions= SalpPositions';
end
for i=1:size(SalpPositions,1)
Tp=SalpPositions(i,:)>ub';Tm=SalpPositions(i,:)<lb';SalpPositions(i,:)=(SalpPositions(i,:).*(~(Tp+Tm)))+ub'.*Tp+lb'.*Tm;
SalpFitness(1,i)=fobj(SalpPositions(i,:));
if SalpFitness(1,i)<FoodFitness
FoodPosition=SalpPositions(i,:);
FoodFitness=SalpFitness(1,i);
end
end
Convergence_curve(l)=FoodFitness;
l = l + 1;
end
7.運(yùn)行結(jié)果
文章來源:http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-518160.html
8.參考文獻(xiàn)
[1]Mirjalili S,Gandomi H A,Mirjalili Z S, et al. Salp Swarm Algorithm: A bio-inspired optimizer for engineering design problems[J]. Advances in Engineering Software,2017,114.文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-518160.html
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