基于正交与局部搜索演化算法的全局寻优特点分析及其在函数优化中的应用

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最优化理论是数学的一个分支,也是一门应用相当广泛的学科。它研究的是某些数学问题的最优解,即对给出的实际问题,从众多候选方案中找到最优方案。目前,伴随着计算机技术的高速发展和优化计算方法的进步,各种优化问题的理论研究发展迅速,新方法不断出现,实际应用日益广泛。使用传统方法求解优化问题的历史相对悠久,当前仍然在不断的发展过程中,这些传统方法大多是针对于某些特定问题,并且对搜索空间的要求相对严格,有些方法更要使用被优化函数的各阶导数信息。 而演化算法是计算机模拟大自然的演化过程,特别是生物的进化过程,来求解复杂问题的一类计算模型。它把求解优化问题的过程与生物种群的进化过程作类比,让可行解在遗传算子(选择、交叉、变异)的作用下不断演化,以求最优解。其主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息交换,搜索不依赖于梯度信息。与求解优化问题的数学方法相比,采用演化算法求解优化问题有着如下优势:(1)基于群体操作;(2)对搜索空间和被优化函数的性质没有特殊的要求;(3)计算相对简单,易于实现。它具有全局搜索能力,因此最善于搜索复杂问题和非线性问题。它被广泛地应用到各个领域,其中函数优化就是其中之一。 许多仿真结果和应用表明了遗传算法具有计算时间长、局部搜索能力弱等缺点。为了改进它的优化性能,人们提出了一些将遗传算法和局部搜索能力较强的算法结合的算法,以及它和正交法结合的算法。这些改进的方法在很大程度上提高了的遗传算法的效率。 基于对大量文献的研究和分析,了解局部搜索算法具有很强的局部搜索能力,可以在一定程度上弥补遗传算法局部搜索能力弱的缺点;而正交试验设计法是以相当少的实验次数,非常短的实验时间和很低的实验费用得到满意的实验结果,它可以用来确定种群初始的规模,并使种群个体均匀地分布在解空间内。 论文围绕遗传算法上述的缺点,结合局部搜索算法和正交试验设计法的特点,利用传统优化算法的本质特性,对其进行了深入的研究,提出了一种新的混合遗传算法——基于正交和局部搜索的演化算法:首先,用正交试验设计法选择一个合适的正交表,来确定初始种群的规模,并使群体均匀分布在求解区间中;然后,用遗传算法对这些种群进行遗传操作(选择、交叉、变异);接着使用局部搜索算法来对每个个体进行若干步迭代,找到当前最优解;最后,重复遗传操作和局部搜索,得出全局最优解。这种算法既能提高遗传算法的局部搜索能力,又能避免遗传算法的“早熟早收敛”。
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