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[学位]

蚁群优化算法改进及解性能评价研究

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Author:

张兆军 (张兆军.)

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学位论文库

Abstract:

蚁群优化算法是受蚂蚁觅食行为启发产生的一种典型的群体智能优化算法。蚁群优化算法使用信息素为媒介实现蚂蚁间搜索信息的共享,并通过信息素的更新形成一种正反馈机制,使得越来越多的蚂蚁集中到优解区域,最终完成对优化问题的求解。由于算法具有较好的适应性、鲁棒性及分布式计算等特点,已经被广泛地应用于组合优化、函数优化、机器学习以及图像处理等领域,并取得了较好的效果,成为一个解决复杂优化问题的有效工具。本文通过对基本蚁群算法原理的分析与研究,从算法模型的改进、改进算法的应用以及算法获得解的质量评价等方面进行了比较系统的研究。本文的主要研究内容和研究成果包括以下几个方面:(1)在最大最小蚂蚁系统算法的基础上提出了一种简化蚁群算法。该算法将信息素的上下界设为固定值,而且信息素的更新量由信息素的上界和挥发系数确定。其主要特点是简化了最大最小蚂蚁系统算法的信息素模型并且信息素独立于目标函数值。简化策略的使用消除了原有算法的不足。文中从理论上对简化蚁群算法的参数设置、收敛性进行了分析。针对旅行商问题,通过与最大最小蚂蚁系统算法的数值实验结果比较,验证了改进算法的有效性和鲁棒性。(2)提出了一种两阶段更新信息素的不变蚁群优化算法。为了合理利用蚁群算法运行中产生的次优解,保持算法探索与开发的平衡,提出将信息素的更新过程分为按序更新阶段和单解更新阶段。在按序更新阶段,对所有蚂蚁按其适应度值进行排序,排在前列的部分蚂蚁根据其排序获得不同的更新量;在单解更新阶段只有最优蚂蚁才能获得额外的奖励。同时为了使改进算法具有不变性,设定信息素的上下界为固定值,质量函数以蚂蚁的排序序号为自变量。文中不仅证明了改进算法的不变性,而且证明了在满足一定的条件下算法的性能不受信息素上下界的影响。最后,通过数值仿真验证了所提算法的可行性和有效性。(3)为了进一步研究两阶段更新信息素的不变蚁群优化算法的性能,将其应用于求解多星测控调度问题。该问题是航天领域的一类大规模组合优化问题,具有构成元素种类众多、约束条件复杂、优化目标维数较高等特点。文中以减轻测控工作人员的负担为优化目标,并通过问题的可见弧段和工作时段构造适合用蚁群算法求解的优化模型,称之为复合独立集模型。实验分析了各个参数对算法性能的影响。实验结果表明,所提算法的全局探索能力以及求解质量方面要优于遗传算法、迭代修复算法和最大最小蚂蚁系统算法等已有算法。(4)针对评价有限时间内蚁群算法得到解的质量这一理论问题进行了一些深入研究。通过分析已有的研究工作,将研究工作重点从解的值性能转移到序性能上。根据分析适用于蚁群算法求解问题的特点和算法在运行过程产生的可行解的特点,借鉴序优化中相关知识提出了一种蚁群算法解的序性能评价方法。该方法从算法产生的解样本出发,通过聚类实现分区均匀化,再根据问题的序性能曲线和蚁群算法的特点实现对足够好解集的分解,最终得到配准概率。文中以旅行商问题为例,给出了评价方法的详细步骤,并通过实验进行了验证。

Keyword:

蚁群优化旅行商问题不变性多星测控调度问题解质量

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学电子与信息工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 冯祖仁

Year: 2012

Language: Chinese

Cited Count:

WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 28

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