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一种基于均匀分布策略的NSGAII算法

乔俊飞 李霏 杨翠丽

乔俊飞, 李霏, 杨翠丽. 一种基于均匀分布策略的NSGAII算法. 自动化学报, 2019, 45(7): 1325-1334. doi: 10.16383/j.aas.c180085
引用本文: 乔俊飞, 李霏, 杨翠丽. 一种基于均匀分布策略的NSGAII算法. 自动化学报, 2019, 45(7): 1325-1334. doi: 10.16383/j.aas.c180085
QIAO Jun-Fei, LI Fei, YANG Cui-Li. An NSGAII Algorithm Based on Uniform Distribution Strategy. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(7): 1325-1334. doi: 10.16383/j.aas.c180085
Citation: QIAO Jun-Fei, LI Fei, YANG Cui-Li. An NSGAII Algorithm Based on Uniform Distribution Strategy. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(7): 1325-1334. doi: 10.16383/j.aas.c180085

一种基于均匀分布策略的NSGAII算法

doi: 10.16383/j.aas.c180085
基金项目: 

国家自然科学基金 61533002

中国博士后科学基金,北京市朝阳区博士后工作经费资助项目 2017ZZ-01-07

北京市教委项目 KM201710005025

北京市博士后工作经费资助项目 2017ZZ-028

国家自然科学基金 61603012

详细信息
    作者简介:

    李霏  北京工业大学博士研究生.主要研究方向为智能控制, 多目标优化, 神经网络结构设计和优化.E-mail:lfglw521@163.com

    杨翠丽   北京工业大学讲师.主要研究方向为神经网络和智能优化算法.E-mail:clyang5@bjut.edu.cn

    通讯作者:

    乔俊飞   北京工业大学教授.主要研究方向为智能控制, 神经网络分析与设计.本文通信作者.E-mail:junfeq@bjut.edu.cn

An NSGAII Algorithm Based on Uniform Distribution Strategy

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61533002

China Postdoctoral Science Foundation Funded Project, and Beijing Chaoyang District Postdoctoral Research Foundation 2017ZZ-01-07

Beijing Municipal Education Commission Foundation KM201710005025

Beijing Postdoctoral Research Foundation 2017ZZ-028

National Natural Science Foundation of China 61603012

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    Author Bio:

      Ph.D. candidate at Faculty of Information Technology, Beijing University of Technology. Her research interest covers intelligent control, multi-objective optimization algorithm, analysis and design of neural networks

      Lecture at Faculty of Information Technology, Beijing University of Technology. Her research interest covers neural network and intelligent optimization algorithm

    Corresponding author: QIAO Jun-Fei   Professor at Faculty of Information Technology, Beijing University of Technology. His research interest covers intelligent control, analysis and design of neural networks. Corresponding author of this paper
  • 摘要: 针对局部搜索类改进型非劣分类遗传算法(Nondominated sorting genetic algorithm Ⅱ,NSGAⅡ)计算过程中种群分布不均的问题,提出一种基于均匀分布的NSGAⅡ(NSGAⅡ based on uniform distribution,NSGAⅡ-UID)多目标优化算法.首先,该算法将种群映射到目标函数对应的超平面,并在该平面上进行聚类以增加解的多样性.其次,为了提高解的分布性,将映射平面进行均匀分区.当分段区间不满足分布性条件时,需要激活分布性加强模块.与此同时在计算过程中分段区间可能会出现种群数量不足或无解的状况,为了保证每个区间所选个体数目相同.最后,采用将最优个体进行极限优化变异的方法来获得缺失个体.实验结果显示该算法可以保证种群跳出局部最优且提高收敛速度,并且在解的分布性和收敛性方面均优于文中其他多目标优化算法.
    1)  本文责任编委 付俊
  • 图  1  ZDT1优化效果

    Fig.  1  The optimization effect of ZDT1

    图  2  ZDT2优化效果

    Fig.  2  The optimization effect of ZDT2

    图  3  ZDT3优化效果图

    Fig.  3  The optimization effect of ZDT3

    图  4  ZDT4优化效果

    Fig.  4  The optimization effect of ZDT4

    图  5  ZDT6优化效果

    Fig.  5  The optimization effect of ZDT6

    图  6  DTLZ2优化效果图

    Fig.  6  The optimization effect of DTLZ2

    图  7  DTLZ7优化效果

    Fig.  7  The optimization effect of DTLZ7

    表  1  测试函数参数

    Table  1  Paramter setting of the test function

    函数 pareto前沿特征 维度 种群规模
    变量 目标
    ZDT1 30 2 1 000
    ZDT2 30 2 1 000
    ZDT3 凸且非连续 30 2 536
    ZDT4 30 2 1 000
    ZDT6 10 2 420
    DTLZ2 10 3 5 000
    DTLZ7 多峰且非连续 20 3 4 700
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    表  2  NSGAII-UID与其他局部搜索算法的ZDT和DTLZ系列实验IGD结果

    Table  2  ZDT and DTLZ series performance IGD comparison of different algorithms

    算法 NSGAII-UID NSGAII-DLS[13] NSGAII[18] AMOPSO[11] MODE[16]
    ZDT1 最大值 6.526E-03 9.728E-03 6.466E-03 6.153E-03 4.94E-02
    最小值 2.528E-03 4.259E-03 5.367E-03 3.562E-03 4.04E-03
    平均值 3.229E-03 6.427E-03 5.755E-03 4.009E-03 4.54E-03
    标准差 6.700E-05 3.090E-04 3.390E-04 5.700E-05 2.58E-04
    ZDT2 最大值 2.732E-03 7.036E-03 5.806E-03 2.493E-03 3.12E-02
    最小值 1.126E-03 4.226E-03 5.134E-03 1.539E-03 3.79E-03
    平均值 1.854E-03 5.026E-03 5.355E-03 1.983E-03 4.31E-04
    标准差 4.970E-05 1.950E-04 2.020E-04 5.200E-05 2.64E-03
    ZDT3 最大值 9.236E-03 9.123E-03 6.105E-03 9.160E-03 1.48E-02
    最小值 2.526E-03 5.228E-03 5.447E-03 2.752E-03 3.01E-03
    平均值 4.016E-03 6.326E-03 5.834E-03 3.982E-03 6.24E-03
    标准差 3.623E-03 2.013E-04 2.020E-04 3.623E-03 7.13E-05
    ZDT4 最大值 4.237E-03 4.659E-03 1.117E-01 5.845E-03 8.144E-02
    最小值 9.926E-04 4.123E-03 4.623E-03 1.851E-03 3.145E-03
    平均值 3.256E-03 4.326E-03 1.655E-02 4.147E-03 1.021E-02
    标准差 3.160E-04 1.065E-02 3.174E-02 2.980E-04 2.145E-02
    ZDT6 最大值 4.735E-03 5.321E-03 1.498E-02 2.110E-04 1.024E-02
    最小值 8.669E-04 2.768E-03 1.119E-02 9.310E-05 6.119E-03
    平均值 1.126E-03 3.412E-03 1.286E-02 1.754E-04 8.155E-03
    标准差 1.075E-04 9.875E-04 1.004E-03 8.600E-05 4.121E-03
    DTLZ2 最大值 2.065E-02 1.2334E-01 2.74E-01 9.991E-02 1.221E-01
    最小值 8.431E-02 2.435E-02 7.831E-02 2.180E-02 6.152E-02
    平均值 6.271E-02 1.026E-01 1.059E-01 6.595E-02 9.251E-02
    标准差 6.241E-04 6.345E-03 8.383E-03 7.241E-04 9.251E-03
    DTLZ7 最大值 1.015E-02 1.068E-02 3.208E-02 1.552E-02 4.97E-02
    最小值 3.109E-03 3.259E-03 6.14E-03 6.055E-03 7.02E-03
    平均值 1.206E-02 1.365E-02 1.799E-02 1.215E-02 2.87E-02
    标准差 9.324E-04 1.013E-03 1.294E-03 8.600E-04 2.01E-03
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    表  3  NSGAII-UID与其他局部搜索算法的ZDT和DTLZ系列实验SP结果

    Table  3  ZDT series performance SP comparison of different algorithms

    算法 NSGAII-UID NSGAII[18] AMOPSO[11] cdMOPSO[15] MODE[16]
    ZDT1 最大值 1.067E-02 7.538E-02 2.907E-02 1.023E-01 1.01E-01
    最小值 8.687E-03 4.340E-02 1.512E-02 7.732E-02 4.06E-02
    平均值 9.764E-03 5.830E-02 2.551E-02 8.561E-02 5.21E-02
    标准差 5.712E-04 9.385E-03 6.710E-04 1.425E-02 1.43E-02
    ZDT2 最大值 9.671E-03 8.287E-03 3.336E-02 2.377E-02 2.25E-02
    最小值 7.248E-03 6.015E-03 1.999E-02 1.012E-02 1.01E-02
    平均值 6.795E-03 7.241E-03 2.257E-02 1.097E-02 1.06E-02
    标准差 7.918E-04 7.410E-04 3.245E-03 6.420E-04 4.02E-04
    ZDT3 最大值 1.095E-01 1.066E-01 9.957E-02 8.745E-01 7.63E-01
    最小值 7.264E-02 8.157E-02 6.489E-02 1.036E-01 1.40E-01
    平均值 8.738E-02 9.222E-02 7.025E-02 3.568E-01 3.64E-01
    标准差 8.276E-03 8.415E-03 7.171E-03 2.247E-01 2.14E-01
    ZDT4 最大值 9.173E-03 4.425E-02 2.954E-02 3.010E-01 6.251E-02
    最小值 7.968E-03 3.139E-02 2.130E-02 1.369E-01 3.103E-02
    平均值 8.624E-03 3.838E-02 2.654E-02 2.046E-01 3.210E-02
    标准差 6.5316E-04 3.837E-03 4.998E-04 9.556E-02 3.914E-3
    ZDT6 最大值 8.734E-03 1.013E-02 4.742E-02 4.021E-02 1.214E-02
    最小值 6.974E-03 6.851E-03 3.218E-02 1.240E-02 3.899E-03
    平均值 7.598E-03 8.266E-03 3.651E-02 3.457E-02 9.145E-03
    标准差 9.648E-04 9.180E-04 1.363E-03 3.884E-03 3.251E-04
    DTLZ2 最大值 4.598E-02 7.314E-01 3.553E-01 5.897E-01 7.516E-01
    最小值 8.431E-02 2.145E-02 7.569E-02 9.32E-02 3.145E-02
    平均值 6.271E-02 4.162E-01 2.399E-01 3.562E-01 4.021E-01
    标准差 8.381E-04 3.655E-02 9.732E-03 1.772E-02 4.215E-02
    DTLZ7 最大值 6.983E-01 7.466E-01 7.564E-01 9.307E-01 9.31E-01
    最小值 4.027E-02 6.32E-02 4.491E-02 1.347E-01 1.35E-01
    平均值 9.921E-02 4.191E-01 3.758E-01 5.972E-01 5.97E-01
    标准差 8.169E-03 7.961E-03 7.593E-03 2.133E-01 2.45E-01
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    表  4  NSGAII-UID与其他局部搜索算法的函数计算次数结果

    Table  4  Function calculation comparison of different algorithms

    算法 目标函数调用次数 函数调用次数 最大值 最小值 平均值
    NSGAII-UID 2 800 2 800 3 200 1 850 1 950
    NSGAII-DLS 3 010 2 240 3 500 2 030 2 100
    NSGAII[2] 20 000+ 20 000+ 20 000+ 20 000+ 5 150
    HMOEA/D[8] 13 200 9 600 10 500 7 050 6 900
    NSGAII-els 13 350 8 550 17 250 13 200 3 000
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-05
  • 录用日期:  2018-05-07
  • 刊出日期:  2019-07-20

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