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        遺傳算法在秩虧自由網(wǎng)平差中的應用研究

        2010-08-15 07:51:58唐立強
        湖南水利水電 2010年2期
        關鍵詞:適應度遺傳算法方程

        唐立強

        (湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007)

        1 問題的提出

        在經(jīng)典間接平差中,必須要有足夠的起算數(shù)據(jù)。當控制網(wǎng)中僅含必要的起算數(shù)據(jù)時,我們稱之為自由網(wǎng);當控制網(wǎng)中除必要起算數(shù)據(jù)外,還有多余起算數(shù)據(jù)時,我們稱之為附合網(wǎng)。不管自由網(wǎng)還是附合網(wǎng),在間接平差時,當所選的待定參數(shù)獨立時,誤差方程的系數(shù)矩陣B總是列滿秩的,相應的法方程系數(shù)陣N=BTPB為一滿秩對稱陣,故法方程有唯一解。

        在實際工程應用中,我們經(jīng)常遇到一種具有特殊用途的控制網(wǎng),它沒有起算數(shù)據(jù)并以待定點的坐標作為參數(shù)。顯然,由于缺乏確定控制網(wǎng)坐標的基準,這種網(wǎng)的誤差方程的系數(shù)矩陣B不是列滿秩的,相應的法方程系數(shù)陣N=BTPB為奇異陣。這種網(wǎng)被稱為秩虧自由網(wǎng)。秩虧自由網(wǎng)的法方程系數(shù)陣N奇異,即│N│=0,故N的凱利逆N-1不存在,法方程有無窮解[1]。因此在求解此類問題時一般采用附加d(d為法方程秩虧數(shù))個基準條件,且附加的基準條件與法方程N線性無關?;鶞蕳l件的確定依據(jù)不同的網(wǎng)型,需要進行大量的前期計算工作,而且把基準條件方程與法方程聯(lián)立進行參數(shù)估計時,涉及復雜的矩陣運算。鑒于此,有必要研究一種計算更加簡單、有效的參數(shù)估計方法。

        遺傳算法(Genetic Algorithms),簡稱 GA,是人類向其自身演化這一宏觀過程學習的結果,是一種更為宏觀意義下的仿生算法,它模仿的機制是一切生命與智能的產(chǎn)生與進化過程。它通過模擬達爾文“優(yōu)勝劣汰、適者生存”的原理激勵好的機制;通過模擬孟德爾遺傳變異的理論在迭代過程中保持已有的結構,同時尋找更好的結構[2]。與其它搜索算法相比,GA具有智能性、良好的并行性、很強的通用性、全局優(yōu)化性、穩(wěn)健性、可操作性、簡單性的優(yōu)點,體現(xiàn)出很強的尋優(yōu)能力。本文提出一種基于遺傳算法求解秩虧自由網(wǎng)平差的新算法。

        2 問題的數(shù)學描述

        秩虧自由網(wǎng)平差的法方程組用下式表示:

        其中 法方程系數(shù)陣N=BTPB為t×t維的奇異方陣,參數(shù)向量 X=(x1,x2,…,xt)T,常數(shù)項向量 W=(w1,w2,… ,wt)T,t為未知參數(shù)的個數(shù)。

        令 F(X)=NX-W,其中 F(X)=(f1(X),f2(X),…,ft(X))T,為了方便用遺傳算法來求解奇異方程組 (1),將方程組(1)的求解轉化為一個多維優(yōu)化問題來解決。方程組(1)的最小二乘解(或L2范數(shù))等價于下面多維無約束優(yōu)化問題(2)的全局近似最優(yōu)解。

        令目標函數(shù)ObjF(X)=FT(X)F(X),則無約束多維優(yōu)化問題為:

        上述問題就轉化為求解優(yōu)化問題(2)。

        3 問題的遺傳算法設計

        用遺傳算法求解問題(2)時涉及的主要問題有參數(shù)編碼方案、適應度函數(shù)設計、遺傳操作算子設計、遺傳算法基本參數(shù)選擇、迭代終止條件等等。

        3.1 參數(shù)編碼方案

        對問題(2),我們采用二進制多參數(shù)級聯(lián)編碼,即把參數(shù)向量X的每個分量先進行二進制編碼得到各個子串,再把各個子串按參數(shù)的順序排列在一起形成一個解個體。

        3.2 適應度函數(shù)的設計

        適應度函數(shù)是選擇操作的最根本依據(jù),它直接影響到遺傳算法的性能。但適應度函數(shù)的設計沒有一成不變的公式,只能根據(jù)具體問題進行設計,并通過仿真進行改進。對于優(yōu)化問題(2),本文采用下式計算個體染色體的適應值:

        可見,目標函數(shù)值越大,其適應值越小,與優(yōu)化問題

        (2)一致,且該適應度函數(shù)變化趨勢平緩,有利于趨近全局最優(yōu)解。

        3.3 遺傳算法基本參數(shù)選擇

        群體規(guī)模l,交叉概率Pc,變異概率Pm的確定沒有明確的數(shù)值,只有大概的范圍。本文根據(jù)文獻[5]的研究成果并結合所研究問題的實際取群體規(guī)模L為40~100,Pc為0.4~0.8,Pm為 0.001~0.01 。

        3.4 遺傳操作算子設計

        選擇算子采用排序選擇,其主要著眼點是個體適應度之間的大小關系。即按適應度把個體從大到小排列,然后把序號在前的e個個體復制兩份,覆蓋序號在后面e個個體,而序號在中間的個體復制一份。這樣整個群體大小并沒有變化,它能保持一致的選擇壓力,能較好的抑制非成熟收斂。其中e的大小視群體規(guī)模而定,一般取1~5,當e=1時為杰出種子保留策略,本文采用這種策略。

        交叉算子采用單點交叉,它能有效的保存較好的模式;變異算子采用基本位變異,即對個體染色體以變異概率Pm隨機指定的某一位或某幾位基因座上的基因值做變異運算。

        3.5 迭代終止條件

        雖然從理論上講,遺傳算法可以得到全局最優(yōu)解,但實際上我們無法判斷其確切的收斂時機,大多數(shù)情況下得出的是其近似最優(yōu)解,這對于實際應用已經(jīng)足夠了。本文采用目標函數(shù)值ObjF(X)<1e-6作為迭代收斂條件。

        3.6 遺傳算法的具體實現(xiàn)步驟

        (1)設定遺傳算法的基本參數(shù),初始化種群。

        (2)根據(jù)式(3)計算每個個體的適應度。

        (3)讓群體中的個體進行上述的遺傳操作,以產(chǎn)生新一代種群。

        (4)判斷是否達到3.5中所述的收斂條件。

        (5)若是,則結束運算;若否,則重復(2)、(3)、(4)步直到算法收斂。

        (6)對適應度最高的進行解碼,從而得出方程(1)的最優(yōu)L2范數(shù)解。

        4 應用實例

        本例取自文獻[8]的[例7-5]。秩虧自由網(wǎng)平差的法方程為:

        很顯然,方程(4)的法方程系數(shù)陣的行列式│N│=0。為了驗證本文算法的有效性,我們用上述遺傳算法思想編程實現(xiàn)了求解該方程組。遺傳算法參數(shù)設置為:群體大小L=80,交叉概率Pc=0.70,變異概率Pm=0.009.

        附表給出了進化代數(shù)與目標函數(shù)值、方程解之間的情況。當?shù)?80次,算法終止,得出X=(-1.499 96,1.499 96,-0.500 04,0.500 00),這與文獻[8]用兩種方法計算的結果幾乎完全相同,但在實現(xiàn)方法上卻簡單了很多,省去了大量復雜的矩陣運算及需掌握的煩瑣專業(yè)知識。

        附表 進化過程中目標函數(shù)值及解的演變過程

        5 結論

        本文應用遺傳算法直接求解秩虧方程組,實例結果表明,該方法能省去大量復雜的矩陣計算,且求解精度很高,完全滿足工程的實際需要。本文所設計的算法比較合理,能有效地解決測量中秩虧自由網(wǎng)平差問題,具有較高的應用價值。但在算法設計中,遺傳參數(shù)的選擇還停留在定性階段,需憑經(jīng)驗或通過大量的仿真來確定。一般情況下,我們希望能解決一類問題,而遺傳算法依具體的問題不同,其參數(shù)的選擇也不同,因此如何使參數(shù)能隨著種群的進化過程進行自適應調(diào)整,從而得出問題的滿意遺傳解,是筆者下一步要研究的課題。

        1 武漢測繪科技大學測量平差教研室.測量平差基礎(第三版)[M].北京:測繪出版社,1996.

        2 張文修,梁怡.遺傳算法的數(shù)學基礎[M].西安:西安交通大學出版社,2000.

        3 周明,孫樹棟.遺傳算法原理及應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,1999.

        4 王小平,曹立明.遺傳算法—理論、應用與軟件實現(xiàn)[M].西安:西安交通大學出版社,2002.

        5 李敏強,寇紀凇,林丹,等.遺傳算法的基本理論與應用[M].北京:科學出版社,2002.

        6 李世玲,張富堂,李治.基于遺傳算法的一類不確定性擾動下的系統(tǒng)參數(shù)辨識[J].系統(tǒng)仿真學報,2002,(5).

        7 郝博,胡玉蘭,盧有文,聶義勇.用遺傳算法解病態(tài)線性方程組的研究[J].計算機工程與設計,1998,(3).

        8 於宗儔,魯林成.測量平差基礎(增訂本)[M].北京,測繪出版社,1983.

        9 馮旭東,陳方.遺傳算法的程序設計與實現(xiàn)[J].微機發(fā)展,1997,(6).

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