并行与双系统协同差异进化算法及其应用

论文摘要

协同进化算法(CEA)是人们受自然界生物协同进化现象的启发而提出一种新的优化算法,近年来协同进化算法已逐渐成为进化算法领域的一个重要研究方向,为解决复杂优化问题提供了有效的途径。协同进化算法也是求解工程系统优化问题的一种有效方法,被称为工程系统设计方法,逐渐引起工程领域的广泛关注。协同进化算法基本思想是采用多个种群协同进化,个体适应度的评价通过与其它种群的协同来完成。根据种群间协同关系,协同进化算法分为竞争型和合作型两类。本文主要研究的是合作型协同进化算法(CCEA),合作型协同进化算法求解高维优化问题时显示出了较好的计算性能,但是还存在不足。本文重点研究其中的两个问题：一是如何更好的实现CCEA并行计算,进一步提高CCEA的计算精度和效率；二是针对CCEA求解强耦合问题(尤其是对于不可分问题)能力不足,如何提高其求解强耦合问题的能力。为此,本对协同进化算法及其求解强耦合问题的能力进行了研究,提出了一种并行协同差异进化算法(PCCDE)和一种双系统协同差异进化算法(DCCDE),同时对提高DCCDE求解强耦合优化问题能力进行了研究。论文的主要工作如下：(1)针对合作型协同进化算法求解大规模优化问题需要并行高效的计算,本文基于协同差异进化算法(CCDE)和整体同步并行计算模型(BSP),提出了一种并行协同差异进化算法(PCCDE)。采用改进的Archive协同机制取代了CCDE原有的协同机制,有助于求解系统最优解,基于BSP模型实现了CCDE的并行高效计算。最后经标准测试函数仿真实验结果表明,本算法不仅提高计算效率,而且也提高了计算质量。(2)针对合作式协同进化算法求解耦合优化问题能力不足,本文基于双系统变粒度协同进化算法(DVGCCGA)提出一种双系统协同差异进化算法(DCCDE)。本文算法采用双系统框架,双系统之间个体迁移通过子系统之间子个体迁移实现。本文算法改进了DVGCCGA算法的协调机制,用高效的全局搜索差异进化算法(DE)取代了遗传算法(GA),并辅以简单交叉局部搜索策略,提高DCCDE计算性能。为提高DCCDE求解耦合问题的能力,本文从变量分组,协调机制和提高算法解空间探索能力三方面进行了研究。经20个部分可分和完全不可分测试函数验证,与同类算法比较本文算法具有较好的计算精度和收敛速度,同时也表明基于CCDE框架的算法对于求强解耦合优化问题具有很大的潜力和发展前途。(3)通过卫星舱布局优化数值仿真实验表明,本文PCCDE和DCCDE算法能够取得令人满意的优化结果。本文算法不仅可用于高维函数优化问题求解,也可用于一类复杂布局优化设计求解,本文工作期望有助于协同进化算法在耦合工程系统中应用,也有助于协同进化算法的理论研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 协同进化算法研究进展
• 1.2.1 竞争型协同进化算法研究进展
• 1.2.2 合作型协同进化算法研究进展
• 1.2.3 协同进化算法面临的困难
• 1.3 本论文的主要工作
• 1.4 论文章节内容安排
• 2 差异进化算法与协同进化算法概述
• 2.1 差异进化算法
• 2.1.1 标准差异进化算法
• 2.1.2 差异进化算法的变异策略
• 2.1.3 差异进化算法的研究现状
• 2.2 协同进化算法
• 2.2.1 协同进化算法概述
• 2.2.2 合作型协同进化算法模型
• 2.3 系统变粒度协同进化算法
• 2.4 小结
• 3 并行协同差异进化算法
• 3.1 CCDE问题的分解与协调
• 3.1.1 高维优化问题分解
• 3.1.2 CCDE子种群间协调机制
• 3.2 基于Archive机制的合作个体选择协调机制
• 3.3 本文并行CCDE算法
• 3.3.1 BSP并行计算模型
• 3.3.2 并行CCDE算法框架
• 3.3.3 PCCDE算法时间复杂度分析
• 3.4 高维优化函数算例验证
• 3.4.1 实验函数和参数设置
• 3.4.2 数值实验结果
• 3.4.3 结果分析与讨论
• 3.5 小结
• 4 双系统协同差异进化算法及其求解耦合问题的能力
• 4.1 CCEA求解耦合问题能力
• 4.2 双系统协同差异进化算法
• 4.2.1 问题分解方式
• 4.2.2 DCCDE的协同机制和A、B系统间的协作
• 4.2.3 改进算法的空间探索能力
• 4.2.4 双系统协同差异进化算法流程
• 4.3 算法性能测试实验
• 4.3.1 测试函数
• 4.3.2 实验设置
• 4.3.3 实验结果及分析
• 4.4 小结
• 5 卫星舱布局优化设计实例验证
• 5.1 卫星舱布局优化问题概述
• 5.2 卫星舱布局优化计算模型
• 5.2.1 卫星舱布局问题设计约束
• 5.2.2 卫星舱布局问题优化数学模型
• 5.3 卫星舱布局优化计求解方法
• 5.4 卫星舱布局算例
• 5.4.1 实验设置
• 5.4.2 实验结果
• 5.4.3 结果对比与分析
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢