王 鵬，陳得寶，鄒 鋒，李 崢

淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000

引導(dǎo)小生境回溯優(yōu)化算法

王 鵬，陳得寶，鄒 鋒，李 崢

淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000

回溯搜索優(yōu)化算法（BSA）是近年提出的一種新型優(yōu)化算法，針對(duì)其收斂速度較慢、易陷于局部最優(yōu)的缺點(diǎn)，提出了一種基于最優(yōu)個(gè)體引導(dǎo)和小生境技術(shù)相結(jié)合的改進(jìn)BSA算法。本方法首先在BSA的變異操作中引入向最優(yōu)個(gè)體學(xué)習(xí)的策略，以提高算法的收斂速度；其次，設(shè)計(jì)一種新的小生境排擠技術(shù)，根據(jù)每個(gè)個(gè)體到其他個(gè)體距離的平均最小值確定小生境半徑，排除部分相似性較高的個(gè)體；結(jié)合群體當(dāng)前的最差信息，設(shè)計(jì)一種新的變異方法產(chǎn)生一定數(shù)量的新個(gè)體補(bǔ)充到新的種群中，維持群體數(shù)量的恒定并增強(qiáng)群體多樣性。改進(jìn)的BSA算法充分考慮了算法的收斂速度和群體的多樣性，較大地提高了傳統(tǒng)BSA算法的性能。對(duì)10個(gè)典型函數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)試，并與其他算法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)算法在收斂速度與精度方面具有較好的效果。

回溯搜索優(yōu)化算法；引導(dǎo)機(jī)制；小生境技術(shù)；變異策略

1 引言

群智能優(yōu)化算法因其能解決一些傳統(tǒng)優(yōu)化方法難以求解的問題，廣泛應(yīng)用于函數(shù)優(yōu)化、工程設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。常用的群智能算法有差分進(jìn)化算法（DE）[1]、粒子群算法（PSO）[2]、蟻群算法（ACO）[3]、人工蜂群算（ABC）[4]等。為提高智能優(yōu)化算法的性能，近些年來，研究者提出了一些改進(jìn)型優(yōu)化算法，如自適應(yīng)差分進(jìn)化算法（SADE）[5]，理解學(xué)習(xí)粒子群算法（CLPSO）[6]，快速全局優(yōu)化的蟻群算法[7]，優(yōu)秀種群引導(dǎo)的人工蜂群算法（GABC）[8]等，都不同程度地提高了智能優(yōu)化算法的性能。

回溯搜索優(yōu)化算法（BSA）是近年來提出的一種新型進(jìn)化算法[9]。算法群體更新控制參數(shù)少，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在一些優(yōu)化問題中發(fā)揮了重要的作用。與其他優(yōu)化算法相比，BSA算法不僅運(yùn)用當(dāng)前的信息，而且運(yùn)用歷史信息對(duì)群體進(jìn)行更新，充分利用了進(jìn)化過程中不同時(shí)期的信息。目前對(duì)BSA算法的研究主要集中在兩個(gè)方面，一方面是通過改進(jìn)群體的產(chǎn)生辦法提高算法的性能，這方面的研究工作目前取得的成果較少；另一方面是拓展BSA算法的應(yīng)用領(lǐng)域。如利用BSA算法進(jìn)行表面波分析并將其應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)[10]；BSA與DE算法結(jié)合解決無限制最優(yōu)問題[11]；BSA與多種限制處理方法相結(jié)合，用于解決限制性最優(yōu)問題[12]；對(duì)抗回溯算法（OBSA）應(yīng)用于優(yōu)化超混沌系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化問題[13]等。

盡管BSA已成功應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但至少存在兩方面的不足。首先，在BSA算法新個(gè)體產(chǎn)生的過程中，僅依賴于隨機(jī)交叉和變異產(chǎn)生新個(gè)體，個(gè)體進(jìn)化缺乏學(xué)習(xí)能力，群體的優(yōu)化方向缺乏較好個(gè)體的引導(dǎo)，算法的收斂速度較慢；其次，隨著進(jìn)化過程的不斷進(jìn)行，與很多的其他進(jìn)化算法一樣，群體多樣性丟失，導(dǎo)致個(gè)體趨于齊次，其歷史信息和當(dāng)前信息將會(huì)不變，導(dǎo)致個(gè)體不能更新自己的位置，算法將陷入局部最優(yōu)。因此，研究如何提高BSA算法收斂速度的同時(shí)提高種群的多樣性，對(duì)提高算法的整體性能十分重要?；谶@樣的分析，本文從提高BSA算法的收斂速度和精度兩方面入手，通過引入學(xué)習(xí)機(jī)制和小生境技術(shù)提高算法的整體性能。本文算法的主要貢獻(xiàn)有兩個(gè)方面。一是通過在產(chǎn)生新個(gè)體的全過程中引入向最優(yōu)個(gè)體學(xué)習(xí)，克服了原始BSA算法映射矩陣Map的某些位為零時(shí)相應(yīng)位不更新的弱點(diǎn)，從而通過學(xué)習(xí)提高算法的收斂速度；二是由于算法收斂速度的加快，導(dǎo)致群體多樣性快速丟失，本文方法設(shè)計(jì)一種新的小生境排擠方法，結(jié)合當(dāng)前的最差個(gè)體信息，通過變異產(chǎn)生部分新個(gè)體，以彌補(bǔ)多樣性丟失可能帶來的早熟收斂問題。仿真實(shí)驗(yàn)表明改進(jìn)算法能夠有效地提高優(yōu)化性能，在收斂速度和精度兩個(gè)方面對(duì)原始算法有較大的提高。

2BSA算法

BSA算法是一種基于種群迭代的進(jìn)化算法?；綛SA算法包含五個(gè)步驟，分別為：初始化，選擇Ⅰ，變異，交叉，選擇Ⅱ?；究蚣苋鐖D1所示。其五個(gè)步驟簡(jiǎn)介如下。

圖1 基本BSA框架

2.1 種群初始化

隨機(jī)初始化種群P和歷史種群oldP，如式（1）、（2）所示：

式中，i=1,2,3,…,N,j=1,2,3,…,D，N 為種群的規(guī)模，D為變量維數(shù)；U(·)是隨機(jī)均勻分布函數(shù)；lowj與upj分別為變量的下界和上界；P為進(jìn)化種群，oldP為歷史種群。

2.2 選擇Ⅰ

在每次迭代開始前，BSA首先產(chǎn)生一個(gè)新的歷史種群oldP，如式（3）所示，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)排序，如式（4）所示：

式中，a，b是服從（0，1）均勻分布的隨機(jī)數(shù)，permuting(·)是隨機(jī)排序函數(shù)。

2.3 變異

BSA算法采用變異策略如式（5）所示：

式中，F(xiàn)=3×randn，是變異尺度系數(shù)，能夠控制個(gè)體變異的幅度，randn是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)。

2.4 交叉

BSA的交叉過程分兩步。首先定義一個(gè)大小為N×D的映射矩陣Map，其初始元素值均為零。然后用兩種方式隨機(jī)更新映射矩陣Map，如式（6）所示：

式中，mixrate是交叉率，本文中取值為1，ceil(·)為正方向取整函數(shù)，a和b均為均值為零方差為1的隨機(jī)數(shù)，randi(·)是產(chǎn)生均勻分布隨機(jī)整數(shù)函數(shù)，BSA根據(jù)生成的矩陣Map隨機(jī)更新個(gè)體的某些位（具體操作如式（7）所示），并對(duì)新種群個(gè)體元素進(jìn)行邊界判斷，若newP中的某位越界，則按照式（1）重新產(chǎn)生新位置。

2.5 選擇Ⅱ

根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度決定保留或更新個(gè)體，如式（8）所示：

式中，fitness(Pi)和 fitness(newPi)分別為個(gè)體 Pi更新前后的適應(yīng)度值。

3 改進(jìn)的BSA算法（GNBSA）

由式（7）可看出，新個(gè)體的產(chǎn)生由當(dāng)代個(gè)體和歷史個(gè)體確定，當(dāng)群體多樣性較差時(shí)，個(gè)體趨于齊次，導(dǎo)致個(gè)體不能更新，使算法陷入局部最優(yōu)。此外，BSA算法中個(gè)體更新過程缺乏最優(yōu)個(gè)體引導(dǎo)，算法缺乏學(xué)習(xí)能力。本文通過加入最優(yōu)個(gè)體引導(dǎo)和小生境技術(shù)提高算法的整體性能。兩個(gè)主要改進(jìn)部分描述如下。

3.1 最優(yōu)解引導(dǎo)機(jī)制

GNBSA算法在個(gè)體更新過程中引入當(dāng)前代最優(yōu)個(gè)體，為個(gè)體更新提供學(xué)習(xí)目標(biāo)。由式（6）知，Map的初始值為0，假設(shè)被優(yōu)化問題的維數(shù)為D，群體大小為N，則初始的映射矩陣如式（9）所示：

按照式（6）的方法，隨機(jī)產(chǎn)生兩個(gè)隨機(jī)數(shù)a，b，若a＜b，對(duì)第i個(gè)個(gè)體，則u為一個(gè)元素維數(shù)標(biāo)識(shí)打亂的1×D的向量，若 D=6 ，則 u=[2,3,5,4,6,1]，若 ceil（mixrate×rand×D）=3，則 Map 矩陣的第 i行2，3，5列元素為1，其他元素為0，如式（10）所示：

若a≥b，則在Map矩陣的第i行中任意選擇一列為1，其他元素為0，例如任意選擇到的列為3，則：新個(gè)體的產(chǎn)生方法如式（12）所示：

式中，Pbest為當(dāng)前代全局最優(yōu)個(gè)體的位置，rand是服從（0，1）均勻分布的隨機(jī)數(shù)。由上述方法可知，對(duì)第i個(gè)個(gè)體，當(dāng)Mapi,j=1時(shí)，第 j維變量的新值由個(gè)體的歷史信息、當(dāng)前信息及當(dāng)前群體的最好位置確定。當(dāng)Mapi,j=0時(shí)，新個(gè)體由最優(yōu)個(gè)體引導(dǎo)產(chǎn)生。如式（13）所示：

而傳統(tǒng)的BSA方法中，當(dāng)Mapi,j=0時(shí)，個(gè)體的該位將不發(fā)生變化。綜上所述，在改進(jìn)的BSA算法中，個(gè)體的每一維都向當(dāng)前個(gè)體學(xué)習(xí)，不論映射矩陣相應(yīng)位為0還是1，正是這樣的操作，引導(dǎo)當(dāng)前個(gè)體進(jìn)行搜索，提高了算法的收斂速度。

3.2 排擠小生境技術(shù)

實(shí)踐證明，算法收斂速度的加快有可能導(dǎo)致種群多樣性丟失較快，從而加劇了局部收斂現(xiàn)象的產(chǎn)生。為均衡算法收斂速度和群體多樣性，本文采用排擠小生境技術(shù)[14]改善種群多樣性。為有效增加種群多樣性，本文在分析小生境方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的基于罰函數(shù)和結(jié)合最差個(gè)體信息的新個(gè)體產(chǎn)生排擠小生境方法。具體描述如下。

首先計(jì)算出種群中每個(gè)個(gè)體與其他個(gè)體間的歐氏距離d，如式（14）所示，然后計(jì)算出種群中每一個(gè)個(gè)體到其他任一個(gè)個(gè)體間歐式距離的最小值，得到一個(gè)最小值向量T，然后根據(jù)種群規(guī)模大小求其平均值得到小生境半徑L，如式（15）所示。若d＜L，則比較兩者的適應(yīng)度，并對(duì)其中適應(yīng)度較差的個(gè)體處以懲罰，使其適應(yīng)度降低，如式（16）所示。

式（14）中，dkl是個(gè)體k與個(gè)體l之間的歐氏距離，j=1,2,3,…,D。式（16）中，fitness(Pk)是第k個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度，fitness(Pl)是第l個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度，Penalty為懲罰函數(shù)。

所有個(gè)體經(jīng)過懲罰操作后，再按照適應(yīng)度進(jìn)行排序，適應(yīng)度較差的m%×N個(gè)個(gè)體將被淘汰。為維持種群數(shù)量恒定，增加種群多樣性，選取排在前面的m%×N個(gè)個(gè)體采用新的變異方式補(bǔ)充淘汰的個(gè)體，生成新的種群，m值的選取根據(jù)實(shí)際情況，采用經(jīng)驗(yàn)方法確定。具體操作如下。

按照適應(yīng)度值，求取當(dāng)前種群中適應(yīng)度最差的個(gè)體Pworst，按式（17）由排在前面的m%×N個(gè)個(gè)體和最差的個(gè)體變異產(chǎn)生新個(gè)體，并補(bǔ)充到新種群中。

式中，i=1,2,3,…,m%×N,j=1,2,3,…,D，Pworst為當(dāng)前種群最差個(gè)體的位置，newP*i,j為變異補(bǔ)充的個(gè)體。

通過這樣的操作，在半徑L之內(nèi)只保留一個(gè)優(yōu)秀個(gè)體，使得算法在保留較優(yōu)解的同時(shí)，又維護(hù)了種群的多樣性。

由于GNBSA算法的基本框架與BSA算法類似，所有個(gè)體同樣經(jīng)歷選擇Ⅰ，變異，交叉，選擇Ⅱ，在GNBSA算法中，當(dāng)種群經(jīng)歷選擇Ⅱ的操作后，啟動(dòng)以上設(shè)計(jì)的小生境淘汰運(yùn)算，各個(gè)體在自己的小生境半徑內(nèi)排除近似個(gè)體，并通過變異產(chǎn)生新個(gè)體，形成下一代種群。在算法流程中更加清晰地顯示了小生境方法的作用位置。

3.3 改進(jìn)算法流程

綜合以上分析，GNBSA流程圖如圖2所示。

圖2GNBSA算法流程圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證GNBSA算法的有效性，選取10個(gè)典型函數(shù)優(yōu)化問題對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)利用BSA、PSOFDR[15]、PSOwFIPS[16]、JDE[17]四種算法對(duì)典型函數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，比較不同算法的性能。測(cè)試函數(shù)中，F(xiàn)1～F5是單峰函數(shù)，F(xiàn)6，F(xiàn)7為多峰函數(shù)，F(xiàn)8～F10為旋轉(zhuǎn)函數(shù)。采用Matlab R2012b作為仿真軟件，運(yùn)行環(huán)境為Intel?Core?2 DuoE7400處理器，2 GB內(nèi)存。測(cè)試函數(shù)如表1所示。各種算法的訓(xùn)練參數(shù)如下：種群規(guī)模為50，以函數(shù)值作為算法適應(yīng)度，函數(shù)被評(píng)估次數(shù)（FES=5 000×D=150 000）作為算法的停止條件。在BSA和GNBSA中，交叉率 mixrate為 1，m=10。在 PSOFDR 中，wmin=0.4，wmax=0.9，φ1=1，φ2=1，φ3=2。 在 PSOwFIPS 中 ，w=0.729 8。在JDE中，F(xiàn)=0.5，CR=0.9。

表1 測(cè)試函數(shù)

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為公平比較，對(duì)同一函數(shù)，每種算法獨(dú)立運(yùn)行30次，對(duì)其統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)所得各種算法的平均值（mean）、方差（std）和最優(yōu)值（best）如表2所示。從結(jié)果可以看出，與BSA相比，對(duì)所有測(cè)試函數(shù)，GNBSA算法的收斂精度和穩(wěn)定性兩方面均明顯優(yōu)于BSA，特別對(duì)于多峰函數(shù)F6 和F7 ，都能夠找到理論最優(yōu)解。對(duì)于單峰函數(shù)和旋轉(zhuǎn)函數(shù)，平均收斂精度最少提高了6 個(gè)數(shù)量級(jí)，最多提高了116個(gè)數(shù)量級(jí)。與其他算法相比，GNBSA同樣有著較好的性能，其收斂的平均解和方差均最小。

表2 5種算法對(duì)10個(gè)函數(shù)的測(cè)試結(jié)果

為顯示改進(jìn)算法的收斂速度，不同算法的在不同F(xiàn)Es 時(shí)的平均最優(yōu)適應(yīng)度變化如圖3 所示。從圖3 可看出，與其他算法相比，GNBSA 算法的收斂速度普遍較快。對(duì)函數(shù)F1 到F8 ，收斂速度明顯快于其他四種算法。對(duì)函數(shù)F9 ，在初始階段，GNBSA算法的收斂速度優(yōu)勢(shì)不明顯，但在后期較快。對(duì)函數(shù)F10 ，GNBSA 算法的收斂速度與JDE 算法相當(dāng)。圖3 顯示，GNBSA 算法相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的BSA算法速度明顯提高。

為進(jìn)一步檢測(cè)GNBSA算法的解與其他算法解的優(yōu)劣，采用雙邊t-test 方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，顯著水平為0.05。GNBSA 算法對(duì)其他算法的t 值和p 值如表3 所示。表3 中，‘B’，‘W’，‘S’分別表示GNBSA算法性能優(yōu)于、劣于、等于其他算法的數(shù)量。從表3 可看出，在顯著水平為0.05 的情況下，GNBSA算法性能優(yōu)于其他算法，解可以被接受。

在GNBSA算法中，小生境操作中，刪除和補(bǔ)充個(gè)體的數(shù)量對(duì)算法性能具有一定的影響，刪除太多，群體信息丟失太多，不利于算法對(duì)原有信息的利用，刪除太少，群體多樣性難以維持，為分析參數(shù)m 對(duì)算法性能的影響，本文選取三個(gè)函數(shù)(F1,F5,F8) 對(duì)其影響進(jìn)行分析，結(jié)果如表4 所示。從表4 中可以看出，m 的取值對(duì)算法性能具有一定的影響，剛開始m 值的增大，優(yōu)化性能得到一定的提升，當(dāng)m 增加到一定值之后，再增加m 的值，群體信息丟失增加，算法性能反而下降，本文經(jīng)驗(yàn)選擇m 的值為10，對(duì)這幾個(gè)函數(shù)效果較好。

圖3 10 個(gè)函數(shù)的平均最好適應(yīng)度變化圖

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于引導(dǎo)和小生境技術(shù)的BSA改進(jìn)算法（Gbest-guided and Niching Backtracking Search Optimization Algorithm）。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的BSA算法，GNBSA算法在個(gè)體的更新過程中加入了全局最優(yōu)解的引導(dǎo)。引入排擠機(jī)制的小生境方法來維持種群多樣性。通過對(duì)典型函數(shù)的優(yōu)化測(cè)試驗(yàn)證了方法的有效性。從比較結(jié)果可看出，無論在收斂速度和收斂精度方面，改進(jìn)算法具有較好的性能。

表3 GNBSA對(duì)其他4種算法的t-test結(jié)果

表4 不同m對(duì)GNBSA的測(cè)試結(jié)果

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WANG Peng,CHEN Debao,ZOU Feng,LI Zheng

School of Physics and Electronic Information,Huaibei Normal University,Huaibei,Anhui 235000,China

Guidance and niching backtracking search optimization algorithm.Computer Engineering and Applications,2017,53（21）：126-131.

Backtracking Search optimization Algorithm（BSA）is a new optimization algorithm which is proposed in recent years.For the convergence speed of original BSA is slow and it is easily trapped in local optima,an improved BSA based on the combination of guidance with the best individual and niche technique is proposed to improve the global performance of it.In the method,the strategy with learning from the best individual is introduced in the mutation operator of original BSA to improve the convergence speed of it in the first.In the second,a niche repulsing technology is designed in the paper.The niching radius is determined according to the average minimal distance between every individual and the other individuals,and some parts individuals with high similarity are deleted,some new individuals are generated by a new mutation method which is designed with combining the worst information of current generation,and the new individuals are supplemented in the new population to maintain the constant number of population,the diversity of the population is increased by this operation.The convergence speed and the diversity of population is fully considered in the improved BSA,and the performance of the original BSA is largely improved.10 typical functions are used in the simulation experiments,and the results are compared with those of other algorithms.The results indicate that the improved algorithm has good performance in terms with the convergence speed and accuracy.

Backtracking Search optimization Algorithm（BSA）;guidance mechanism;niche technology;mutation strategy

A

TP301

10.3778/j.issn.1002-8331.1605-0277

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.61572224，No.61304082）；安徽省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（No.KJ2015ZD36）；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（No.KJ2016A639）；安徽省國(guó)際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（No.10080703003）；安徽省第七批”115”產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)皖人才[2014]4號(hào)。

王鵬（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄軆?yōu)化計(jì)算；陳得寶（1975—），通訊作者，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)橹悄苡?jì)算、模式識(shí)別等，E-mail：chendb_88@163.com；鄒鋒（1978—），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)檫M(jìn)化計(jì)算；李崢（1980—），男，副教授，主要研究方向?yàn)檫M(jìn)化計(jì)算。

2016-05-19

2016-06-27

1002-8331（2017）21-0126-06

CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版：2016-11-21,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20161121.1655.026.html