求解非线性规划问题的遗传算法设计与实现
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遗传算法的设计与实现页数:49
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非线性规划的MATLAB解法
特点
非线性规划问题通常具有多个局部最 优解，解的稳定性与初始条件有关， 需要使用特定的算法来找到全局最优 解。
非线性规划的应用场景
数据拟合、模型选择、参 数估计等。
生产计划、物流优化、设 备布局等。
投资组合优化、风险管理、 资本预算等。
金融
工业
科研
非线性规划的挑战与解决方法
挑战
非线性规划问题可能存在多个局部最优解，且解的稳定性与初始条件密切相关，需要使用特定的算法来找到全局 最优解。
共轭梯度法
总结词
灵活、适用于大型问题、迭代方向交替
详细描述
共轭梯度法结合了梯度下降法和牛顿法的思 想，通过迭代更新搜索方向，交替使用梯度 和共轭方向进行搜索。该方法适用于大型非 线性规划问题，具有较好的灵活性和收敛性。
04
非线性规划问题的约束 处理
不等式约束处理
处理方式
在Matlab中，可以使用 `fmincon`函数来求解非线性规划 问题，该函数可以处理不等式约 束。
要点二
详细描述
这类问题需要同时考虑多个目标函数，每个目标函数可能 有不同的优先级和权重。在Matlab中，可以使用 `gamultiobj`函数来求解这类问题。该函数可以处理具有 多个目标函数的约束优化问题，并允许用户指定每个目标 函数的权重和优先级。
谢谢观看
具体操作
将等式约束条件表示为线性方程组，并使用`Aeq`参 数指定系数矩阵，使用`beq`参数指定常数向量。
注意事项
等式约束条件需要在可行域内满足，否则会 导致求解失败。
边界约束处理
处理方式
边界约束可以通过在目标函数中添加惩罚项来处理，或者使用专门的优化算法来处理。
具体操作
在目标函数中添加惩罚项时，需要在目标函数中添加一个与边界约束相关的项，并调整 其权重以控制边界约束的重要性。
非线性规划问题通常具有多个局部最 优解，解的稳定性与初始条件有关， 需要使用特定的算法来找到全局最优 解。
非线性规划的应用场景
数据拟合、模型选择、参 数估计等。
生产计划、物流优化、设 备布局等。
投资组合优化、风险管理、 资本预算等。
金融
工业
科研
非线性规划的挑战与解决方法
挑战
非线性规划问题可能存在多个局部最优解，且解的稳定性与初始条件密切相关，需要使用特定的算法来找到全局 最优解。
共轭梯度法
总结词
灵活、适用于大型问题、迭代方向交替
详细描述
共轭梯度法结合了梯度下降法和牛顿法的思 想，通过迭代更新搜索方向，交替使用梯度 和共轭方向进行搜索。该方法适用于大型非 线性规划问题，具有较好的灵活性和收敛性。
04
非线性规划问题的约束 处理
不等式约束处理
处理方式
在Matlab中，可以使用 `fmincon`函数来求解非线性规划 问题，该函数可以处理不等式约 束。
要点二
详细描述
这类问题需要同时考虑多个目标函数，每个目标函数可能 有不同的优先级和权重。在Matlab中，可以使用 `gamultiobj`函数来求解这类问题。该函数可以处理具有 多个目标函数的约束优化问题，并允许用户指定每个目标 函数的权重和优先级。
谢谢观看
具体操作
将等式约束条件表示为线性方程组，并使用`Aeq`参 数指定系数矩阵，使用`beq`参数指定常数向量。
注意事项
等式约束条件需要在可行域内满足，否则会 导致求解失败。
边界约束处理
处理方式
边界约束可以通过在目标函数中添加惩罚项来处理，或者使用专门的优化算法来处理。
具体操作
在目标函数中添加惩罚项时，需要在目标函数中添加一个与边界约束相关的项，并调整 其权重以控制边界约束的重要性。
非线性规划的遗传算法在多峰函数优化中的应用
实施 局 部搜 索 ， 以 得 到 函数 优化 问题 的全 局 最 优 解 ． 通过 测 试 函数 证 明 ， 结合 非线 性 规 划 后 ， 遗 传 算 法 不 仅 能 解 决 多 峰 函数 寻优 过 程 中 易陷 人 局 部 最 优 的 问 题 ， 而 且 具 有 很 高 的寻 优 效 率 ． 取 得 满 意 的结 果 ．
优解 。 并 提 高 迭代 寻 优 效 率 ．
１ 算法简介
遗传算法 【 ８ ］ ， 作为一种随机搜 索算法 ， 基于随机产生的初始种群 ， 通过选择 、 交叉 、 变异操作开始搜 索优
化 问题 的最 优 解 而产 生 新 种 群 ． 经过逐步进化 ， 遗传 算 法 准 确 或 大概 率 收 敛 于优 化 问题 的全 局 最优 解 。 从 而 获 得 优 化 问 题 的最 优 解 或 次 优 解 ． 由于 遗传 算 法 具 有 良好 的全 局 搜 索 能力 和易 于 实 现 等 优 点 ， 对 传 统 搜 索 算 法难 以解 决 的复 杂 和 非 线 性 优 化 问 题 ， 遗 传 算 法 具 有 较 强 的处 理 能 力 ． 目前该 算 法 已广 泛 应 用 于 组 合 优 化 等 领域 ， 并 取 得 了 良好 的 应用 效 果 ． 但在应用过程 中， 人 们 也 发 现 遗 传算 法 也具 有 局部 搜 索 能 力 较 差 和 收敛 速 度 缓 慢 等缺 点 ． 特别 是 对 于 多 峰 函数 的优 化 问题 ， 往往 不 能 得 到 问题 的 最 优解 ． 为 了提 高算 法 的局
第２ ４卷 第 ２期 ２ ０ １ ３年 ６月
广 西 科 技 大 学 学 报
Ｊ ＯＵ ＲＮＡＬ ＯＦ ＧＵＡＮＧ ＸＩ Ｕ ＮＩ ＶＥＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ ＯＦ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ ＮＣ Ｅ ＡＮ Ｄ Ｉ ＥＣ ＨＮＯＬ ０ＧＹ
优解 。 并 提 高 迭代 寻 优 效 率 ．
１ 算法简介
遗传算法 【 ８ ］ ， 作为一种随机搜 索算法 ， 基于随机产生的初始种群 ， 通过选择 、 交叉 、 变异操作开始搜 索优
化 问题 的最 优 解 而产 生 新 种 群 ． 经过逐步进化 ， 遗传 算 法 准 确 或 大概 率 收 敛 于优 化 问题 的全 局 最优 解 。 从 而 获 得 优 化 问 题 的最 优 解 或 次 优 解 ． 由于 遗传 算 法 具 有 良好 的全 局 搜 索 能力 和易 于 实 现 等 优 点 ， 对 传 统 搜 索 算 法难 以解 决 的复 杂 和 非 线 性 优 化 问 题 ， 遗 传 算 法 具 有 较 强 的处 理 能 力 ． 目前该 算 法 已广 泛 应 用 于 组 合 优 化 等 领域 ， 并 取 得 了 良好 的 应用 效 果 ． 但在应用过程 中， 人 们 也 发 现 遗 传算 法 也具 有 局部 搜 索 能 力 较 差 和 收敛 速 度 缓 慢 等缺 点 ． 特别 是 对 于 多 峰 函数 的优 化 问题 ， 往往 不 能 得 到 问题 的 最 优解 ． 为 了提 高算 法 的局
第２ ４卷 第 ２期 ２ ０ １ ３年 ６月
广 西 科 技 大 学 学 报
Ｊ ＯＵ ＲＮＡＬ ＯＦ ＧＵＡＮＧ ＸＩ Ｕ ＮＩ ＶＥＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ ＯＦ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ ＮＣ Ｅ ＡＮ Ｄ Ｉ ＥＣ ＨＮＯＬ ０ＧＹ
非线性规划的基本概念及问题概述
牛顿法在凸优化问题上表现较好，但在非凸问题 上可能陷入局部最优解。
拟牛顿法
01
拟牛顿法是一种改进的牛顿法，通过构造海森矩阵 的近似来降低计算成本。
02
拟牛顿法在每一步迭代中更新搜索方向，并逐渐逼 近最优解。
03
拟牛顿法在处理大规模非线性规划问题时表现较好 ，但仍然需要计算目标函数的二阶导数。
共轭梯度法
共轭梯度法结合了梯度法和牛 顿法的思想，通过迭代更新搜 索方向来寻找最优解。
共轭梯度法的迭代方向是梯度 方向和上一次迭代方向的线性 组合，可以加快收敛速度。
共轭梯度法适用于大规模优化 问题，尤其在约束条件较多或 非凸函数情况下表现较好。
05
非线性规划的挑战与解决方 案
局部最优解问题
局部最优解问题
案例二：生产计划优化问题
总结词
生产计划优化问题旨在通过合理安排生 产计划，降低生产成本并满足市场需求 。
VS
详细描述
生产计划优化问题需要考虑生产过程中的 各种因素，如原材料需求、设备能力、劳 动力成本等。目标函数通常是非线性的， 因为生产成本和产量之间的关系是非线性 的。约束条件可能包括资源限制、交货期 限制等。
例子
最小化成本函数，其中成本是生产量 的函数，生产量受到资源、生产能力 等约束。
最大化问题
最大化目标函数
在给定的约束条件下，找到一组变量 ，使得目标函数达到最大值。
例子
最大化收益函数，其中收益是销售量 的函数，销售量受到市场需求、价格 等约束。
约束条件下的优化问题
01
在满足一系列约束条件下，寻找最优解，使得目标函数达到最 优值。
梯度法适用于目标函数和约束条件比较简单的情况，但对于非凸函数或约束条件复 杂的情况可能不收敛或收敛到局部最优解。
遗传算法
缺点：该算法只是对每个落点进行单独的考虑，没有反应不同组 合所产生的共同效果，所以只是近似的算法，不能获得最优的结果。 基于单个的优化不能保证在整体情况下能获得最大值。 如果对所有的可能方案进行评价，找到最佳方案。例如在N*N的
栅格空间中确定n个 目标的最佳位置，则所要对比的组合高达
2.遗传算法和GIS结合解决空间优化问题
所谓交叉运算，是指对两个相互配对的染色体依据
交叉概率 Pc 按某种方式相互交换其部分基因，从而形 成两个新的个体。
交叉前： 00000|011100000000|10000 11100|000001111110|00101 交叉后： 00000|000001111110|10000 11100|011100000000|00101 染色体交叉是以一定的概率发生的，这个概率记为Pc
行一点或多点交叉的操作，但这样很容易产生断路或环路。针对路径 的具体需要,这里采用只允许在除首、尾结点之外的第一个重复结点位
置交叉且只进行一点交叉的操作方式。例如:设从起始结点1到目标结
点9的一对父代个体分别是G1和G2,分别如下表示: G1(1,3,5,6,7,8,9)
G2(1,2,4,5,8,9)
是一种有效的解最优化问题的方法。 其基本思想是:首先随机产生种群,对种群中的被选中染色体进行交
叉或变异运算生成后代,根据适值选择部分后代,淘汰部分后代,但种群
大小不变。经过若干代遗传之后,算法收敛于最好的染色体,可能是问题 的最优解或次优解。
适应度函数
遗传算法对一个个体（解）的好坏用适应度函数
值来评价，适应度函数值越大，解的质量越好。适应 度函数是遗传算法进化过程的驱动力，也是进行自然
篇论文。此后Holland教授指导学生完成了多篇有关遗传算法研究的论
二维装箱问题的非线性优化方法
二维装箱问题的非线性优化方法一、本文概述二维装箱问题（Two-Dimensional Bin Packing Problem，2DBPP）是一个重要的组合优化问题，它广泛应用于生产制造、物流配送、计算机科学等领域。
在二维装箱问题中，需要将一组不规则形状的物体装入到有限数量的固定大小的箱子中，以最小化所使用的箱子数量。
这个问题是一个NP难问题，因为它涉及到大量的组合选择和优化决策。
传统的二维装箱问题求解方法主要基于线性规划和启发式算法，这些方法在处理大规模问题时往往效率低下，难以得到最优解。
因此，本文提出了一种基于非线性优化方法的二维装箱问题求解策略。
这种方法通过对物体形状和装箱过程的非线性特征进行建模，可以更好地描述和解决问题。
本文首先介绍了二维装箱问题的背景和研究现状，然后详细阐述了非线性优化方法在二维装箱问题中的应用原理和步骤。
接着，通过具体的算例和实验验证，对比分析了非线性优化方法与传统方法的效果差异，并探讨了影响优化效果的关键因素。
本文总结了非线性优化方法在二维装箱问题中的优势和局限性，并对未来的研究方向进行了展望。
本文旨在为二维装箱问题的求解提供一种新的非线性优化思路和方法，为相关领域的研究和应用提供有益的参考和借鉴。
二、二维装箱问题的数学模型二维装箱问题（Two-Dimensional Bin Packing Problem, 2D-BPP）是一种典型的组合优化问题，它涉及到如何在满足一定约束条件下，将一组具有不同尺寸的物品有效地装入一系列固定大小的箱子中。
该问题的关键在于如何最大化每个箱子的空间利用率，同时确保所有物品都能被成功装箱。
在二维装箱问题中，每个物品通常由其宽度和高度两个尺寸参数来定义，而箱子则具有固定的宽度和高度。
目标是使用尽可能少的箱子来装下所有物品，同时满足每个箱子内物品的总宽度和总高度都不超过箱子的相应尺寸。
由于物品尺寸和箱子尺寸的多样性，以及物品在箱子中的排列方式的不确定性，使得二维装箱问题变得非常复杂。
遗 传 算 法 详 解 ( 含 M A T L A B 代 码 )
遗传算法入门（上）代码中的进化学说与遗传学说写在之前算法所属领域遗传算法的思想解析为什么要用遗传算法？科研现状应用现状遗传算法入门系列文章：（中篇）遗传算法入门（中）实例，求解一元函数最值（MATLAB版）（下篇）遗传算法入门（下）实例，求解TSP问题（C++版）写在之前说明：本想着用大量篇幅写一篇“关于遗传算法的基本原理”作为本系列入门的第一篇，但是在找寻资料的过程中，看到网络上有大量的关于遗传算法的介绍，觉得写的都挺好，所以本文我就简单写点自己的理解。
推荐几篇关于遗传算法的介绍性文章：遗传算法详解（GA）（个人觉得很形象，很适合初学者）算法所属领域相信每个人学习一门知识之前，都会想知道这门知识属于哪一门学科范畴，属于哪一类技术领域？首先对于这种问题，GA是没有绝对的归属的。
算法的定义是解决问题的一种思想和指导理论。
而遗传算法也是解决某一问题的一种思想，用某一编程语言实现这种思想的程序具有很多特点，其中一个便是智能性和进化性，即，不需要大量的人为干涉，程序本身能够根据一定的条件自我筛选，最终得出令人满意的结果。
所以按照这种特性，把它列为人工智能领域下的学习门类毫无疑问是可以的。
遗传算法的思想是借鉴了达尔文的进化学说和孟德尔的遗传学说，把遗传算法说成是一门十足的仿生学一点都不过分。
然而从应用的角度出发，遗传算法是求最优解问题的好方法，如信号处理中的优化、数学求解问题、工业控制参数最优解、神经网络中的激活函数、图像处理等等，所以把遗传算法说成优化范畴貌似也说的过去。
为了方便理解，我们可以暂时将其定位为人工智能–智能优化，这也是很多书中描述遗传算法的惯用词汇。
遗传算法的思想解析遗传算法（gentic algorithms简称GA）是模拟生物遗传和进化的全局优化搜索算法我们知道，在人类的演化中，达尔文的进化学说与孟德尔的遗传学说起着至关重要的理论指导。
每个人作为一个个体组成一个人类种群，正是经历着物竞天择，才会让整个群体慢慢变的更好，即更加适应周围的环境。
遗传算法
进入20世纪90年代以来，进化计算得到了众多研究机构 和学者的高度重视，新的研究成果不断出现、应用领域不断 扩大。目前，进化计算已成为人工智能领域的又一个新的研 究热点。
11
5.3.2 遗传算法——研究内容
• 性能分析。遗传算法的性能分析一直都是遗传算法研究领域中最重要 的主题之一。在遗传算法中，群体规模、杂交和变异算子的概率等控 制参数的选取是非常困难的，同时它们又是必不可少的实验参数。遗 传算法还存在一个过早收敛问题，也就是说遗传算法的最后结果并不 总是达到最优解，怎样阻止过早收敛问题是人们感兴趣的问题之一。 另外，为了拓广遗传算法的应用范围，人们在不断研究新的遗传染色 体表示法和新的遗传算子。
(3) 令t=0，随机选择N个染色体初始化种群P(0)； (4) 定义适应度函数f（f>0）； (5) 计算P(t)中每个染色体的适应值； (6) t=t+1； (7) 运用选择算子，从P(t-1)中得到P(t)； (8) 对P(t)中的每个染色体，按概率Pc参与交叉； (9) 对染色体中的基因，以概率Pm参与变异运算； (10) 判断群体性能是否满足预先设定的终止标准，若不满足则返 回(5)。
利人，遗传学的奠基人。
“种瓜得瓜，种豆得豆” “龙生龙，凤生凤，老鼠 生儿打地洞”
6
在自然界，构成生物基本结构与功能的单位是细胞（Cell）。细胞 中含有一种包含着所有遗传信息的复杂而又微小的丝状化合物，人们称 其为染色体（Chromosome）。在染色体中，遗传信息由基因（Gene）所 组成，基因决定着生物的性状，是遗传的基本单位。染色体的形状是一 种双螺旋结构，构成染色体的主要物质叫做脱氧核糖核酸(DNA)，每个 基因都在DNA长链中占有一定的位置。一个细胞中的所有染色体所携带 的遗传信息的全体称为一个基因组(Genome)。细胞在分裂过程中，其遗 传物质DNA通过复制转移到新生细胞中，从而实现了生物的遗传功能。
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5.3.2 遗传算法——研究内容
• 性能分析。遗传算法的性能分析一直都是遗传算法研究领域中最重要 的主题之一。在遗传算法中，群体规模、杂交和变异算子的概率等控 制参数的选取是非常困难的，同时它们又是必不可少的实验参数。遗 传算法还存在一个过早收敛问题，也就是说遗传算法的最后结果并不 总是达到最优解，怎样阻止过早收敛问题是人们感兴趣的问题之一。 另外，为了拓广遗传算法的应用范围，人们在不断研究新的遗传染色 体表示法和新的遗传算子。
(3) 令t=0，随机选择N个染色体初始化种群P(0)； (4) 定义适应度函数f（f>0）； (5) 计算P(t)中每个染色体的适应值； (6) t=t+1； (7) 运用选择算子，从P(t-1)中得到P(t)； (8) 对P(t)中的每个染色体，按概率Pc参与交叉； (9) 对染色体中的基因，以概率Pm参与变异运算； (10) 判断群体性能是否满足预先设定的终止标准，若不满足则返 回(5)。
利人，遗传学的奠基人。
“种瓜得瓜，种豆得豆” “龙生龙，凤生凤，老鼠 生儿打地洞”
6
在自然界，构成生物基本结构与功能的单位是细胞（Cell）。细胞 中含有一种包含着所有遗传信息的复杂而又微小的丝状化合物，人们称 其为染色体（Chromosome）。在染色体中，遗传信息由基因（Gene）所 组成，基因决定着生物的性状，是遗传的基本单位。染色体的形状是一 种双螺旋结构，构成染色体的主要物质叫做脱氧核糖核酸(DNA)，每个 基因都在DNA长链中占有一定的位置。一个细胞中的所有染色体所携带 的遗传信息的全体称为一个基因组(Genome)。细胞在分裂过程中，其遗 传物质DNA通过复制转移到新生细胞中，从而实现了生物的遗传功能。
遗传算法
x为0,1：二进制编码 x为整数：二进制/十进制编码 x为实数：二进制/十进制/实数编码
编码原则：
完备性。问题空间中所有点（侯 选解）都能用遗传算法空间中的 点（染色体）表现； 健全性。遗传算法空间中的染色 体都能对应问题空间中的所有侯 选解； 非冗余性。染色体和侯选解一一 对应。
W z
1 遗传算法的概念
若干 1.0 0.0 最优 执行变异操作获得 个体 4 个体 子代一个新个体
10011
0.144
0.144
个体被选取的概率
Psi f i /
f
j 1
N
0.309
i＝i＋1
j
i 1,2, , N
i＝i＋1
适应值的比例变换法
期望值法（个体不多时） 排位次法（个体适应度相近时）
W z
c 0.691 0.055 y 个体3 01000 0.636 基因干预
i＝i＋1
4.确定指定结果的方法和停止 运行准则
W z
交互
②
1 遗传算法的概念
染色体编码 y＝f(x), x∈(x-, x+)
染色体编码，生成初始种群 遗传代数：NEra＝0 计算每个个体的适应度 y 收敛否 ? n 进行选择、 杂 交 pc 、 变 异 pm 和 保 留 等遗传操作，生成 新一代种群 NEra＝NEra＋1 解码 输出结果
n
y 变异前 A1=11001 变异后 基因干预 A’1=11011
人机 交互
②
1 遗传算法的概念
①
遗传操作——保留
使得遗传算法能以概率 1收敛到全局最优解。
对种群进行简单的选择 ( 复制 ) 、杂交和变异操作 是遗传算法的精髓！ 停止运行准则
遗传算法
遗传算法直接以目标函数作为搜索信息。 （3）遗传算法直接以目标函数作为搜索信息。传统的优化算法不仅 需要利用目标函数值， 需要利用目标函数值，而且需要目标函数的导数值等辅助信息才 能确定搜索方向。 能确定搜索方向。而遗传算法仅使用由目标函数值变换来的适应 度函数值，就可以确定进一步的搜索方向和搜索范围， 度函数值，就可以确定进一步的搜索方向和搜索范围，无需目标 函数的导数值等其他一些辅助信息。 遗传算法可应用于目标函 函数的导数值等其他一些辅助信息。 数无法求导数或导数不存在的函数的优化问题， 数无法求导数或导数不存在的函数的优化问题，以及组合优化问 题等。 题等。 遗传算法使用概率搜索技术。遗传算法的选择、交叉、 （4）遗传算法使用概率搜索技术。遗传算法的选择、交叉、变异等 运算都是以一种概率的方式来进行的， 运算都是以一种概率的方式来进行的，因而遗传算法的搜索过程 具有很好的灵活性。随着进化过程的进行， 具有很好的灵活性。随着进化过程的进行，遗传算法新的群体会 更多地产生出许多新的优良的个体。 更多地产生出许多新的优良的个体。
• 1.2 遗传算法的概述
• 遗传算法的基本思想： 遗传算法的基本思想： 在问题的求解过程中，把搜索空间视为遗传空间，把问题的 在问题的求解过程中，把搜索空间视为遗传空间， 每一个可能解看做一个染色体，染色体里面有基因，所有染色体 每一个可能解看做一个染色体，染色体里面有基因， 组成一个群体。首先随机选择部分染色体组成初始种群，依据某 组成一个群体。首先随机选择部分染色体组成初始种群， 种评价标准，也就是寻优准则（这里叫适应度函数），对种群每 种评价标准，也就是寻优准则（这里叫适应度函数），对种群每 ）， 一个染色体进行评价，计算其适应度，淘汰适应度值小的，保留 一个染色体进行评价，计算其适应度，淘汰适应度值小的， 适应度值大的，并借助于自然遗传学的遗传算子进行选择、交叉 适应度值大的，并借助于自然遗传学的遗传算子进行选择、 和变异，产生出代表新的解集的种群。 和变异，产生出代表新的解集的种群。
B样条技术与遗传算法融合的全局路径规划
B样条技术与遗传算法融合的全局路径规划目录一、内容概述 (2)1.1 路径规划的重要性和挑战 (3)1.2 B样条技术与遗传算法的应用概述 (4)1.3 研究目的及价值 (5)二、相关理论及技术基础 (6)2.1 B样条技术概述 (7)2.2 遗传算法原理 (8)2.3 路径规划相关理论 (9)三、B样条技术与遗传算法的融合策略 (11)3.1 融合的必要性和可行性分析 (12)3.2 融合框架的构建 (13)3.3 关键技术的实现 (15)3.3.1 适应度函数的构建 (16)3.3.2 交叉和变异操作的设计 (17)3.3.3 选择策略的制定 (19)四、全局路径规划模型建立 (20)4.1 问题描述与定义 (21)4.2 基于B样条技术的路径表示方法 (22)4.3 遗传算法在路径规划中的应用 (23)4.4 模型求解流程 (24)五、实验设计与结果分析 (25)5.1 实验设计 (26)5.2 实验结果 (27)5.3 结果分析与对比 (29)5.4 算法的进一步优化方向 (29)六、实际应用与案例分析 (31)6.1 应用场景描述 (32)6.2 案例分析 (33)6.3 实际应用中的挑战与对策 (34)七、结论与展望 (36)7.1 研究结论 (37)7.2 研究创新点 (38)7.3 展望与未来工作方向 (39)一、内容概述本文档将探讨一种创新的路径规划方法，它将B样条技术和遗传算法相结合，提出了一种能够实现全局路径规划的算法模型。
这种技术融合旨在解决传统路径规划方法中存在的局部最优解或无法处理复杂非线性问题的局限。
B样条技术作为一门数学分支，以其能通过有限数据点生成平滑曲线，并在计算机图形学、弹性形变建模等领域广泛应用而著称。
这种技术利用数学向量的概念来近似复杂形状，能够产生连续且光滑的路径。
遗传算法是一种基于生物进化理论的搜索算法，模仿自然选择和遗传过程，允许设计师从一组候选解中逐步优化直至达成最佳目标。
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摘 要 非线性规划在工程、管理、经济、科研、军事等方面都有广泛的应用。传统的解决非线性规划问题的方法，如梯度法、罚函数法、拉格朗日乘子法等，稳定性差，对函数初值和函数性态要求较高，且容易陷入局部最优解。 遗传算法是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型。遗传算法是一种全局搜索算法，简单、通用、鲁棒性强，对目标函数既不要求连续，也不要求可导，适用于并行分布处理，应用范围广。 本文在分析传统的非线性规划算法的不足和遗传算法的优越性的基础上，将遗传算法应用于非线性规划。算法引进惩罚函数的概念，构造带有惩罚项的适应度函数；通过实数编码，转轮法选择，双点交叉，均匀变异，形成了求解非线性规划问题的遗传算法。与传统的非线性规划算法——外点罚函数法的比较结果表明该算法在一定程度上有效地克服了传统的非线性规划算法稳定性差，对函数初值和函数性态要求较高，且容易陷入局部最优解的缺陷，收敛更合理，性能更稳定。
关键词：非线性规划；遗传算法；罚函数法 ABSTRACT Non-linear programming has a wide range of applications in engineering, management, economic, scientific, and military aspects. Traditional methods to solve the non-linear programming problem, such as the gradient method, penalty method, Lagrange multiplier method, have poor stability. They are sensitive to the function initial value and request the objective function to be continuous and differential. The results are also easily trapped into local optimal solution. Genetic algorithm is a kind of calculate model which simulates Darwin's genetic selection and biological evolution of natural selection. Genetic algorithm is a global search algorithm. It has simple, universal, robust features, and does not request the objective function to be continuous and differential, and is suitable in parallel distribution processing. Genetic algorithm is widely applied in many areas. Based on the analysis of the disadvantage of traditional non-linear programming algorithm and the advantage of genetic algorithm, genetic algorithm is applied to non-linear programming in this paper. The introduction of the concept of penalty function is used to construct the fitness function with punishment. By using real-coded, Roulette Wheel selection method, two-point crossover, uniform mutation, we formed a genetic algorithm to solve the non-linear programming problem. Compared with the most classical and widely used traditional non-linear programming problem algorithm –SUMT algorithm, the results show that the new algorithm could effectively overcome the defect of the traditional algorithm in a certain extent. The new algorithm is more stable, less sensitive to the function initial value and conditions, and always could receive the optimal solution or approximate optimal solution. Its convergence results are more reasonable, the performance is more stable.
Key Words: Non-linear Programming; Genetic Algorithm; SUMT Algorithm I
目 录 1 概论 .................................................................................................................................. 1 1.1 背景介绍 ............................................................................................................... 1 1.1.1 非线性规划简介 ........................................................................................ 1 1.1.2 遗传算法简介 ............................................................................................ 1 1.2 研究内容 ............................................................................................................... 2 2 非线性规划 ...................................................................................................................... 3 2.1 非线性规划的概念 ............................................................................................... 3 2.2 非线性规划的数学模型 ....................................................................................... 3 2.3 非线性规划的求解方法 ....................................................................................... 4 2.3.1 一维最优化方法 ........................................................................................ 4 2.3.2 无约束最优化方法 .................................................................................... 4 2.3.3 约束最优化方法 ........................................................................................ 5 2.4 非线性规划的应用 ............................................................................................... 5 3 传统非线性规划算法——外点罚函数法 ...................................................................... 6 3.1 算法概述 ............................................................................................................... 6 3.2 算法描述 ............................................................................................................... 6 3.3 算法性能分析 ....................................................................................................... 7 3.4 外点罚函数法的程序设计 ................................................................................... 8 3.4.1程序步骤 ..................................................................................................... 8 3.4.2程序流程图 ................................................................................................. 8 4 遗传算法 ........................................................................................................................ 10 4.1 遗传算法概述 ..................................................................................................... 10 4.1.1 遗传算法的生物学基础 .......................................................................... 10 4.1.2 遗传算法的一般结构 .............................................................................. 10 4.1.3 遗传算法的特点 ...................................................................................... 12