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Python代碼實(shí)現(xiàn)粒子群算法圖文詳解

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1.引言

粒子群優(yōu)化算法起源于對(duì)鳥群覓食活動(dòng)的分析。鳥群在覓食的時(shí)候通常會(huì)毫無征兆的聚攏,分散,以及改變飛行的軌跡,但是在不同個(gè)體之間會(huì)十分默契的保持距離。所以粒子群優(yōu)化算法模擬鳥類覓食的過程,將待求解問題的搜索空間看作是鳥類飛行的空間,將每只鳥抽象成一個(gè)沒有質(zhì)量和大小的粒子,用這個(gè)粒子來表示待求解問題的一個(gè)可行解。所以,尋找最優(yōu)解的過程就相當(dāng)于鳥類覓食的過程。

​ 粒子群算法也是基于種群以及進(jìn)化的概念,通過個(gè)體間的競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)作,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間最優(yōu)解的求解。但是與遺傳算法不同的是,他不會(huì)對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行“交叉”,“變異”等操作,而實(shí)以一定的規(guī)則,更新每個(gè)粒子的速度以及位置,使得每一個(gè)粒子向自身歷史最佳位置以及全局歷史最佳位置進(jìn)行移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)種群向著最優(yōu)的方向進(jìn)化。

2.算法的具體描述:

2.1原理

​ 在粒子群優(yōu)化算法中,粒子之間通過信息共享機(jī)制,獲得其它粒子的發(fā)現(xiàn)與飛行經(jīng)歷。粒子群算法中的信息共享機(jī)制實(shí)際上是一種合作共生的行為,在搜索最優(yōu)解的過程中,每個(gè)粒子能夠?qū)ψ约航?jīng)過的最佳的歷史位置進(jìn)行記憶,同時(shí),每個(gè)粒子的行為有會(huì)受到群體中其他例子的影響,所以在搜索最優(yōu)解的過程中,粒子的行為既受其他粒子的影響,有受到自身經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)。

​ 粒子群優(yōu)化算法對(duì)于鳥群的模擬是按照如下的模式進(jìn)行的:假設(shè)一群鳥在空中搜索食物,所有鳥知道自己當(dāng)前距離食物有多遠(yuǎn)(這里的遠(yuǎn)近會(huì)用一個(gè)值來衡量,適應(yīng)度值),那么每只鳥最簡(jiǎn)單的搜索策略就是尋找距離目前距離食物最近的鳥的周圍空間。因此,在粒子群算法中,每個(gè)粒子都相當(dāng)于一只鳥,每個(gè)粒子有一個(gè)適應(yīng)度值,還有一個(gè)速度決定他們的飛行的距離與方向。所有的粒子追隨當(dāng)前最優(yōu)的粒子在解空間中搜索。每搜索一次,最優(yōu)的粒子會(huì)發(fā)生變化,其他的粒子又會(huì)追隨新的最優(yōu)粒子進(jìn)行搜索,如此反復(fù)迭代。

​ 在迭代開始的時(shí)候,每個(gè)粒子通過隨機(jī)的方式初始化在空間中的速度和位置,然后在迭代過程中,粒子通過跟蹤兩個(gè)極值來自己在解空間中的位置和速度,一個(gè)極值是單個(gè)粒子自身在迭代的過程中的最優(yōu)位置(就是最優(yōu)適應(yīng)度值所對(duì)應(yīng)的空間解),這個(gè)稱之為粒子的個(gè)體極值。另一個(gè)極值是種群中所有的粒子在迭代過程中所找到的最優(yōu)位置,這個(gè)成為全局極值。如果粒子只是跟蹤一個(gè)極值的話,則算法稱為局部粒子群算法或者全局粒子群算法。

PSO從這種模型中得到啟示并用于解決優(yōu)化問題。PSO 中,每個(gè)優(yōu)化問題的潛在解都是搜索空間中的一只鳥,稱之為粒子。所有的粒子都有一個(gè)由被優(yōu)化的函數(shù)決定的適值( fitness value) ,每個(gè)粒子還有一個(gè)速度決定它們飛翔的方向和距離。然后粒子們就追隨當(dāng)前的最優(yōu)粒子在解空間中搜索。

PSO初始化為一群隨機(jī)粒子(隨機(jī)解),然后通過迭代找到最優(yōu)解。在每一次迭代中,粒子通過跟蹤兩個(gè)極值來更新自己;第一個(gè)就是粒子本身所找到的最優(yōu)解,這個(gè)解稱為個(gè)體極值;另一個(gè)極值是整個(gè)種群目前找到的最優(yōu)解,這個(gè)極值是全局極值。另外也可以不用整個(gè)種群而只是用其中一部分作為粒子的鄰居,那么在所有鄰居中的極值就是局部極值。

圖解:

  

2.2標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法流程

​ 算法的流程如下:

​ Step1:種群初始化:可以進(jìn)行隨機(jī)初始化或根據(jù)被優(yōu)化的問題設(shè)計(jì)特定的初始化方法,包括群體規(guī)模,每個(gè)粒子的位置 X i X_{i} Xi​ 和速度 V i V_i Vi​ ,然后計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度值,從而選擇出個(gè)體的局部最優(yōu)位置向量和種群的全局最優(yōu)位置向量。

​ Step2:迭代設(shè)置:設(shè)置迭代次數(shù) g m a x g_{max} gmax​ ,令當(dāng)前迭代次數(shù)g=1。

​ Step3:根據(jù)公式更新每個(gè)粒子的速度向量V。

​ Step4:根據(jù)公式更新每個(gè)粒子的位置向量X。

​ Step5:局部位置向量和全局位置向量更新:更新每個(gè)粒子的Pbest,和種群的Gbest。

​ Step6:終止條件判斷:判斷迭代次數(shù)時(shí)都達(dá)到 g m a x g_{max} gmax​ 或誤差是否足夠小,如果滿足則輸出Gbest.否則繼續(xù)進(jìn)行迭代,跳轉(zhuǎn)至步驟(3)。

​ 對(duì)于粒子群優(yōu)化算法的實(shí)際應(yīng)用,因?yàn)橹饕菍?duì)速度和位置向量迭代算子的設(shè)計(jì)計(jì),選代算子是否合理將決定整個(gè)PSO算法性能的優(yōu)劣.,所以如何設(shè)計(jì) t pso的迭代算子是算法應(yīng)用的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

 

3.代碼案例

3.1問題

求解f(x,y)的最小值點(diǎn)

3.2繪圖

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import cm
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

# 生成X和Y的數(shù)據(jù)
X=np.arange(-5,5,0.1)
Y=np.arange(-5,5,0.1)
X,Y=np.meshgrid(X,Y)

# 目標(biāo)函數(shù)
Z=X**2+Y**2+X

# 繪圖
fig=plt.figure()
ax=Axes3D(fig)
surf=ax.plot_surface(X,Y,Z,cmap=cm.coolwarm)
plt.show()

 3.3計(jì)算適應(yīng)度

# 速度
# Vi+1 = w*Vi + c1 * r1 * (pbest_i - Xi) + c2 * r2 * (gbest_i - Xi)
# 位置
# Xi+1 = Xi + Vi+1
# vi, xi 分別表示粒子第i維的速度和位置
# pbest_i, gbest_i 分別表示某個(gè)粒子最好位置第i維的值、整個(gè)種群最好位置第i維的值

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib as mpl

mpl.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 指定默認(rèn)字體
mpl.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解決保存圖像是負(fù)號(hào)'-'顯示為方塊的問題

def fitness_func(X):
    """計(jì)算粒子的的適應(yīng)度值,也就是目標(biāo)函數(shù)值,X 的維度是 size * 2 """
    A = 10
    pi = np.pi
    x = X[:, 0]
    y = X[:, 1]
    return x**2+y**2+x

3.4更新速度

def velocity_update(V, X, pbest, gbest, c1, c2, w, max_val):
    """
    根據(jù)速度更新公式更新每個(gè)粒子的速度
    :param V: 粒子當(dāng)前的速度矩陣,20*2 的矩陣
    :param X: 粒子當(dāng)前的位置矩陣,20*2 的矩陣
    :param pbest: 每個(gè)粒子歷史最優(yōu)位置,20*2 的矩陣
    :param gbest: 種群歷史最優(yōu)位置,1*2 的矩陣
    """
    size = X.shape[0]
    r1 = np.random.random((size, 1))
    r2 = np.random.random((size, 1))
    V = w*V+c1*r1*(pbest-X)+c2*r2*(gbest-X)
    # 防止越界處理
    V[V  -max_val] = -max_val
    V[V > -max_val] = max_val
    return V

3.5更新粒子位置

def position_update(X, V):
    """
    根據(jù)公式更新粒子的位置
    :param X: 粒子當(dāng)前的位置矩陣,維度是 20*2
    :param V: 粒子當(dāng)前的速度舉著,維度是 20*2
    """
    return X+V

3.6主要算法過程

def pos():
    w = 1
    c1 = 2
    c2 = 2
    r1 = None
    r2 = None
    dim = 2
    size = 20
    iter_num = 1000
    max_val = 0.5
    best_fitness = float(9e10)
    fitness_val_list = []
    # 初始化種群各個(gè)粒子的位置
    X = np.random.uniform(-5, 5, size=(size, dim))
    # 初始化各個(gè)粒子的速度
    V = np.random.uniform(-0.5, 0.5, size=(size, dim))
    # print(X)
    p_fitness = fitness_func(X)
    g_fitness = p_fitness.min()
    fitness_val_list.append(g_fitness)

    # 初始化的個(gè)體最優(yōu)位置和種群最優(yōu)位置
    pbest = X
    gbest = X[p_fitness.argmin()]
    # 迭代計(jì)算
    for i in range(1, iter_num):
        V = velocity_update(V, X, pbest, gbest, c1, c2, w, max_val)
        X = position_update(X, V)
        p_fitness2 = fitness_func(X)
        g_fitness2 = p_fitness2.min()

        # 更新每個(gè)粒子的歷史最優(yōu)位置
        for j in range(size):
            if p_fitness[j] > p_fitness2[j]:
                pbest[j] = X[j]
                p_fitness[j] = p_fitness2[j]
            # 更新群體的最優(yōu)位置
            if g_fitness > g_fitness2:
                gbest = X[p_fitness2.argmin()]
                g_fitness = g_fitness2
            # 記錄最優(yōu)迭代記錄
            fitness_val_list.append(g_fitness)
            i += 1

    # 輸出迭代結(jié)果
    print("最優(yōu)值是:%.5f" % fitness_val_list[-1])
    print("最優(yōu)解是:x=%.5f,y=%.5f" % (gbest[0], gbest[1]))

    # 繪圖
    plt.plot(fitness_val_list, color='r')
    plt.title('迭代過程')
    plt.show()

pos()

結(jié)果

最優(yōu)值是:-0.23696
最優(yōu)解是:x=-0.54359,y=-0.10555

參考:

蘇振裕.《Python最優(yōu)化實(shí)戰(zhàn)》[M].北京大學(xué)出版社

總結(jié)

本篇文章就到這里了,希望能給你帶來幫助,也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!

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