本文選題：智能優(yōu)化算法　切入點：動態(tài)行為學(xué)分析　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：智能優(yōu)化算法是一類通過模擬自然界生物的進化或集群行為來實現(xiàn)問題求解的元啟發(fā)式算法(meta-heuristic algorithms),擅長求解研究和工程中遇到的各類復(fù)雜優(yōu)化問題。近二十年來,智能優(yōu)化領(lǐng)域經(jīng)歷了一個快速發(fā)展的時期,涌現(xiàn)了大批新的算法模型,同時在一些復(fù)雜應(yīng)用問題的求解上取得了矚目的成果。然而,隨著算法種類和數(shù)量的日益增多,研究和技術(shù)人員在求解具體問題時,往往面臨算法選擇的困難。同時,由于智能優(yōu)化算法由不同的算子(parameters)組合而成,算子之間的相互作用關(guān)系是錯綜復(fù)雜的,即使是同種算法,不同的算子組合也會產(chǎn)生截然不同的優(yōu)化結(jié)果,因此算子調(diào)優(yōu)(parameter tuning)也是該領(lǐng)域研究的熱點和難點。本論文主要從智能優(yōu)化算法的動態(tài)行為學(xué)分析入手,試圖從表型空間研究不同算法在優(yōu)化過程中表現(xiàn)出的行為差異,以更好地理解不同的算法或算子,為算法選擇和算子調(diào)優(yōu)提供指導(dǎo)和幫助。具體而言,本論文的研究工作和成果主要包含如下幾個方面:[1]提出了一類新的基于群體可進化性實現(xiàn)表型空間算法行為定量分析的方法。通過將算法的行為與優(yōu)化問題的特性相結(jié)合,提出了三個群體可進化性的度量指標,作為一種新的動態(tài)適應(yīng)度景觀分析(Fitness Landscape Analysis,簡稱FLA)方法,并通過理論和實驗相結(jié)合的方式,詳細分析了各指標的意義和合理性。通過黑盒實值優(yōu)化問題(black-box numerical optimization problem)上的算法選擇任務(wù),對所提指標的有效性進行了實驗驗證,統(tǒng)計結(jié)果表明,本論文的方法取得了較高的準確率,同時顯著降低了整個過程的計算代價;[2]提出了一種新的基于統(tǒng)計競賽(statistical racing)的算子調(diào)優(yōu)方法。通過分析現(xiàn)有算子調(diào)優(yōu)方法的不足,提出了基于Kruskal-Wallis測試的統(tǒng)計競賽方法KW-Race,隨后又合理地融入算法收斂速度的指標,形成了 Fast KW-Race框架,在顯著提升算子調(diào)優(yōu)效率的同時,保持了結(jié)果在測試問題上較高的準確率,更好地滿足了研究和工程人員期望既快又好地解決復(fù)雜優(yōu)化問題上算子調(diào)優(yōu)的需求;[3]研究方法在工程實例中的應(yīng)用。通過一個工程中遇到的優(yōu)化設(shè)計問題,驗證上述兩種新方法在NP-hard實數(shù)優(yōu)化場景下的具體表現(xiàn),結(jié)果表明我們的方法無論在算法選擇還是算子調(diào)優(yōu)方面,均表現(xiàn)出優(yōu)于原有方法的性能和穩(wěn)定性,具有普適的應(yīng)用價值。本論文定義的基于群體可進化性的指標為設(shè)計更加實用的適應(yīng)度景觀分析方法提供了新的方向。本論文提出的KW-Race和Fast KW-Race框架,對定性和定量的算子均適用,是一種通用的算子調(diào)優(yōu)框架。本論文的工作對更加合理有效地應(yīng)用智能優(yōu)化算法具有一定的推動作用。
[Abstract]:Intelligent optimization algorithm is a meta-heuristic algorithm that simulates the evolution or cluster behavior of natural organisms. It is good at solving all kinds of complex optimization problems in research and engineering. The field of intelligent optimization has experienced a period of rapid development, a large number of new algorithm models have emerged, and at the same time, great achievements have been made in solving some complex application problems. However, with the increasing number and variety of algorithms, Researchers and technicians often face the difficulty of selecting algorithms when solving specific problems. At the same time, because the intelligent optimization algorithm is composed of different operators, the interaction between operators is complicated, even the same algorithm. Different combinations of operators also produce very different optimization results, so operator tuning parameter is also a hot and difficult point in this field. This paper mainly starts with the dynamic behavior analysis of intelligent optimization algorithms. This paper attempts to study the behavior differences of different algorithms in the optimization process from phenotypic space, in order to better understand different algorithms or operators, and to provide guidance and help for algorithm selection and operator tuning. The research work and achievements of this thesis mainly include the following aspects: [1] A new method for quantitative analysis of phenotypic spatial algorithm based on population evolution is proposed. By combining the behavior of the algorithm with the characteristics of optimization problem, As a new dynamic fitness Landscape analysis (FLA) method, three measures of population evolutionability are proposed, which are combined with theory and experiment. The significance and rationality of each index are analyzed in detail. Through the algorithm selection task on black-box numerical optimization problem (black-box numerical optimization problem), the validity of the proposed index is verified experimentally. The statistical results show that, The method in this paper has achieved high accuracy and significantly reduced the computational cost of the whole process. [2] A new operator tuning method based on statistical statistics is proposed. A statistical competition method based on Kruskal-Wallis test, KW-Race-based, is proposed, and then the index of convergence rate of the algorithm is reasonably incorporated into the framework of Fast KW-Race, which can significantly improve the efficiency of operator tuning and maintain the high accuracy of the test results. It can better meet the needs of the researchers and engineers to solve the optimization problem of complex optimization quickly and well. [3] the application of the research method in engineering example. Through the optimization design problem encountered in a project, The performance of the above two new methods in the NP-hard real number optimization scenario is verified. The results show that our method is superior to the original method in performance and stability both in algorithm selection and operator tuning. The index defined in this paper based on population evolution provides a new direction for the design of more practical landscape fitness analysis methods. In this paper, KW-Race and Fast KW-Race frameworks are proposed. It is suitable for both qualitative and quantitative operators and is a general operator optimization framework. The work of this paper can promote the more rational and effective application of intelligent optimization algorithm.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP18

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本文編號：1584742