第九章解连续性优化问题的粒子群优化算法

粒子群优化算法原理
粒子群优化算法是一种群体智能算法，在仿真自然界粒子寻找食物的行为基础上，模拟多个个体在解空间中搜索全局最优解。

算法采用群体协同行为，通过不断迭代更新每个粒子的位置和速度，直至找到最优解。

算法流程：
1.初始化种群：随机生成一定数量的粒子，并随机初始化粒子的位置和速度。

2.评价粒子适应度：根据某个评价准则，评估每个粒子的适应度，并更新最优位置和全局最优位置。

3.更新每个粒子的速度和位置：根据一定的规则，更新每个粒子的速度和位置，使其朝向全局最优位置的方向移动，并在一定程度上考虑个体的最优位置。

4.重复迭代：不断循环进行步骤2和3，直到满足结束条件为止。

算法特点：
1.全局搜索能力较强，易于收敛到全局最优解。

2.算法复杂度较低，易于实现和应用。

3.算法具有较强的鲁棒性，对初始参数的选择和变异操作的变化相对不敏感。

4.算法应用范围广泛，可以用于目标函数的优化、机器学习参数的优化、图像处理等领域。

粒子群优化算法原理PSO算法的基本原理是模拟鸟群或鱼群等自然现象的群体行为，通过社会化学习的方式不断最佳解。

PSO算法依靠粒子的位置和速度来进行，并通过不断地更新粒子的速度和位置来逐步找到最佳解。

下面将详细介绍PSO算法的基本原理：1.个体和群体的表示：在PSO算法中，解被表示为多维空间中的一个点，称为粒子。

每个粒子代表一个当前解，其位置和速度表示了该解的状态。

在最优化问题中，每个粒子代表了一组可能的解。

2.粒子的位置更新：在每一次迭代中，粒子的速度和位置都会发生变化。

粒子的位置更新基于其当前速度和位置以及目标解。

通过以下公式进行更新：v(i,j) = w * v(i,j) + c1 * rand1 * (p(i,j) - x(i,j)) + c2 * rand2 * (p(g,j) - x(i,j))x(i,j)=x(i,j)+v(i,j)其中，v(i,j)为粒子i在维度j上的速度，w为惯性权重，c1和c2分别为加速因子，rand1和rand2为随机数，p(i,j)和p(g,j)表示个体最佳位置和群体最佳位置，x(i,j)表示粒子i在维度j上的位置。

3.个体和群体的最佳位置更新：每个粒子都会记录自身的最佳位置，也就是使目标函数达到最小值或最大值的位置。

对于每个粒子i，如果当前位置的目标函数值优于历史最佳值，则将其当前位置作为个体最佳位置，并更新群体最佳位置。

4.终止条件：PSO算法通常设置一个迭代次数作为终止条件，当达到指定的迭代次数后，算法终止并给出最佳解。

另外，还可以根据目标函数的收敛程度来判断终止条件。

5.算法参数的选择：PSO算法中有几个重要的参数需要选择，包括惯性权重w、加速因子c1和c2等。

这些参数的选择会影响算法的能力和收敛速度，在实际应用中需要根据问题的性质进行调整。

综上所述，PSO算法通过模拟鸟群或鱼群等自然群体的行为来最佳解。

算法通过粒子的位置和速度来进行，并通过不断地更新粒子的位置和速度来逐步优化解。

粒子群优化算法算法介绍 v[] 是粒子的速度, persent[] 是当前粒子的位置. pbest[] and gbest[] 如前定义 rand () 是介于（0， 1）之间的随机数.c1, c2 是学习因子. 通常 c1 = c2 = 2. 程序的伪代码如下 For each particle ____Initialize particle END Do ____For each particle ________Calculate fitness value ________If the fitness value is better than the best fitness value (pBest) in history ____________set current value as the new pBest ____End ____Choose the particle with the best fitness value of all the particles as the gBest ____For each particle ________Calculate particle velocity according equation (a) ________Update particle position according equation (b) ____End While maximum iterations or minimum error criteria is not attained在每一维粒子的速度都会被限制在一个最大速度Vmax，如果某一维更新后的速度超过用户设定的Vmax，那么这一维的速度就被限定为Vmax。

遗传算法和PSO的比较人工神经网络和PSO 这里用一个简单的例子说明PSO训练神经网络的过程。

这个例子使用分类问题的基准函数 (Benchmark function)IRIS数据集。

粒子群优化算法论文粒子群优化算法摘要近年来，智能优化算法—粒子群算法（particle swarm optimization，简称PSO）越来越受到学者的关注。

粒子群算法是美国社会心理学家JamesKennedy 和电气工程师Russell Eberhart在1995年共同提出的，它是受到鸟群社会行为的启发并利用了生物学家Frank Heppner的生物群体模型而提出的。

它用无质量无体积的粒子作为个体，并为每个粒子规定简单的社会行为规则，通过种群间个体协作来实现对问题最优解的搜索。

由于算法收敛速度快，设置参数少，容易实现，能有效地解决复杂优化问题，在函数优化、神经网络训练、图解处理、模式识别以及一些工程领域都得到了广泛的应用。

PSO是首先由基于不受约束的最小化问题所提出的基于最优化技术。

在一个PSO系统中，多元化解决方案共存且立即返回。

每种方案被称作“微粒”，寻找空间的问题的微粒运动着寻找目标位置。

一个微粒，在他寻找的时间里面，根据他自己的以及周围微粒的经验来调整他的位置。

追踪记忆最佳位置，遇到构建微粒的经验。

因为那个原因，PSO占有一个存储单元（例如，每个微粒记得在过去到达时的最佳位置）。

PSO系统通过全局搜索方法（通过）搜索局部搜索方法（经过自身的经验），试图平衡探索和开发。

粒子群优化算法是一种基于群体的自适应搜索优化算法，存在后期收敛慢、搜索精度低、容易陷入局部极小等缺点，为此提出了一种改进的粒子群优化算法，从初始解和搜索精度两个方面进行了改进，提高了算法的计算精度，改善了算法收敛性，很大程度上避免了算法陷入局部极小．对经典函数测试计算，验证了算法的有效性。

关键词：粒子群优化算法；粒子群；优化技术；最佳位置；全局搜索;搜索精度Particle swarm optimization (PSO) algorithm is a novel evolutionary algorithm. It is a kind of stochastic global optimization technique. PSO finds optimal regions of complex search spaces through the interaction of individualsin a population of particles. The advantages of PSO lie in simple and powerful function. In this paper , classical particle swarm optimization algorithm , thepresent condition and some applications of the algorithms are introduced , and the possible research contents in future are also discussed.PSO is a population-based optimization technique proposed firstly for the above unconstrained minimization problem. In a PSO system, multiple candidate solutions coexist and collaborate simultaneously. Each solution called a ‘‘particle’’, flies in the problem sear ch space looking for the optimal position to land. A particle, as time passes through its quest, adjusts its position according to its own ‘‘experience’’ as well as the experience of neighboring particles. Tracking and memorizing the best position encountered build particle_s experience. For that reason, PSO possesses a memory (i.e. every particle remembers the best position it reached during the past). PSO system combines local search method(through self experience) with global search methods (through neighboring experience), attempting to balance explorationand exploitation.Abstract Particle Swarm Optimization Algorithm is a kind of auto-adapted search optimization based on community.But the standard particle swarm optimization is used resulting in slow after convergence, low search precision and easily leading to local minimum. A new Particle Swarm Optimization algorithm is proposed to improve from the initial solution and the search precision. The obtained results showed the algorithm computation precision and the astringency are improved,and local minimum is avoided. The experimental results of classic functions show that the improved PSO is efficientand feasible.Key words ：particle swarm optimization algorithms ; unconstrained minimization problem;the bestposition;global search methods; the search precision目录一．引言二．PSO算法的基本原理和描述（一）概述（二）粒子群优化算法（三）一种改进型PSO算法——基于遗传交叉因子的粒子群优化算法简介1 自适应变化惯性权重2 交叉因子法（四） PSO与GA算法的比较1 PSO算法与GA算法2 PSO算法与GA算法的相同点3 PSO算法与GA算法的不同点三．PSO算法的实现及实验结果和仿真（一）基本PSO算法（二）算法步骤（三）伪代码描述（四）算法流程图（五）六个测试函数的运行结果及与GA算法结果的比较四结论五. 致谢六．参考文献一、引言混沌是一种有特点的非线形系统，它是一种初始时存在于不稳定的动态状态而且包含着无限不稳定时期动作的被束缚的行为。

1 群体智能概述1.1 群体智能的概念与特点群体智能的概念源于对蜜蜂、蚂蚁、大雁等这类群居生物群体行为的观察和研究，是一种在自然界生物群体所表现出的智能现象启发下提出的人工智能实现模式，是对简单生物群体的智能涌现现象的具体模式研究。

群体智能指的是“简单智能的主体通过合作表现出复杂智能行为的特性”。

该种智能模式需要以相当数目的智能体来实现对某类问题的求解功能。

作为智能个体本身，在没有得到智能群体的总体信息反馈时，它在解空间中的行进方式是没有规律的。

只有受到整个智能群体在解空间中行进效果的影响之后，智能个体在解空间中才能表现出具有合理寻优特征的行进模式。

自然界中动物、昆虫常以集体的力量进行觅食生存，在这些群落中单个个体所表现的行为是简单缺乏智能的，且各个个体之间的行为是遵循相同规则的，但由个体组成的群体则表现出了一种有效的复杂的智能行为。

群体智能可以在适当的进化机制引导下通过个体交互以某种突现形式发挥作用，这是个体的智能难以做到的。

通常，群体智能是指一种人工智能模式，体现的是一种总体的智能特性。

人工智能主要有两种研究范式，即符号主义和联接主义。

符号主义采用知识表达和逻辑符号系统来模拟人类的智能。

联接主义则从大脑和神经系统的生理背景出发来模拟它们的工作机理和学习方式。

符号主义试图对智能进行宏观研究，而联接主义则是一种微观意义上的探索。

20世纪90年代后，计算智能的研究逐渐成为了联接主义人工智能的一个代表性流派。

计算智能系统是在神经网络、模糊系统、进化计算三个分支发展相对成熟的基础上，通过相互之间的有机融合而形成的新的科学方法，也是智能理论和技术发展的崭新阶段。

神经网络反映大脑思维的高层次结构；模糊系统模仿低层次的大脑结构；进化系统则是从生物种群的群体角度研究智能产生和进化过程。

对群居性生物群体行为涌现的群体智能的研究是进化系统的一个新兴研究领域。

群体智能中，最小智能但自治的个体利用个体与个体和个体与环境的交互作用实现完全分布式控制，其具有以下特点：（1）自组织。

粒子群优化算法理论及应用粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization, PSO）是一种基于群体智能的优化算法，模拟了鸟群或鱼群等生物群体的行为。

它具有简单易实现、收敛速度快等优点，被广泛应用于函数优化、机器学习、图像处理、工程设计等领域。

粒子群优化算法以群体的方式来解决优化问题，其中每个个体被称为粒子，每个粒子代表一个解。

粒子的目标是找到最优解或尽量接近最优解。

每个粒子通过迭代不断地更新自身的位置和速度，以及记录自身的最佳位置和全局最佳位置，通过群体的协作来逐渐靠近最佳解。

粒子的位置表示解空间中的一个候选解，速度表示粒子移动的方向和距离。

每个粒子根据自己的当前位置和速度，以及最佳位置和全局最佳位置，更新自己的速度和位置。

这种更新过程包括两个方面的信息：个体认知（局部）和群体认知（全局）。

个体认知是指粒子根据自身经验来更新速度和位置，群体认知是指粒子根据全局最佳位置来更新速度和位置。

具体算法步骤如下：1.初始化粒子群，包括粒子的初始位置和速度。

2.对于每个粒子，根据当前位置计算适应度值，并记录个体最佳位置。

3.根据全局最佳位置，更新每个粒子的速度和位置。

4.判断是否达到停止条件，如果没有，则返回第2步；否则输出全局最佳位置作为最优解。

粒子群优化算法有很多应用。

其中最常见的是在函数优化中。

通过寻找函数的最小值或最大值，可以帮助解决实际问题中的约束优化、参数优化、函数拟合等任务。

在机器学习领域，粒子群优化算法可以用于优化神经网络中的权重和阈值，提高神经网络的性能。

在图像处理中，可以利用粒子群优化算法来进行图像分割、特征选择和图像重建等任务。

在工程设计中，粒子群优化算法可以用于优化传感器布局、机器人路径规划、电力系统调度等问题。

总之，粒子群优化算法是一种简单而有效的优化算法，可以用于解决各种优化问题。

通过模拟生物群体的行为，粒子群优化算法能够快速找到最优解或近似最优解，广泛应用于科学研究和工程实践中。

粒子群优化算法介绍
粒子群优化算法是一种基于群体智能的优化算法，它模拟了鸟群或鱼群等生物群体的行为，通过不断地迭代寻找最优解。

该算法最初由美国加州大学的Eberhart和Kennedy于1995年提出，目前已经被广泛应用于各种优化问题中。

粒子群优化算法的基本思想是将待优化问题转化为一个多维空间中的搜索问题，将每个解看作空间中的一个粒子，每个粒子的位置表示该解的参数值，速度表示该解的变化方向和速度。

在算法的每一次迭代中，每个粒子都会根据自身的历史最优解和群体最优解来更新自己的速度和位置，以期望找到更优的解。

具体来说，粒子群优化算法的实现过程如下：
1. 初始化粒子群，包括粒子的位置和速度等信息。

2. 计算每个粒子的适应度值，即待优化问题的目标函数值。

3. 更新每个粒子的速度和位置，包括考虑自身历史最优解和群体最优解的影响。

4. 判断是否满足停止条件，如果满足则输出最优解，否则返回第2步。

粒子群优化算法的优点在于其简单易懂、易于实现和收敛速度较快等特点。

同时，该算法还具有较好的全局搜索能力和鲁棒性，能够
应对复杂的非线性优化问题。

然而，粒子群优化算法也存在一些缺点，如易陷入局部最优解、对参数的选择较为敏感等问题。

因此，在实际应用中需要根据具体问题进行调整和优化。

粒子群优化算法是一种有效的优化算法，已经被广泛应用于各种领域，如机器学习、图像处理、控制系统等。

随着人工智能和大数据技术的不断发展，相信粒子群优化算法将会有更广泛的应用前景。