粗糙集屬性協(xié)同演化約簡關鍵問題研究.pdf

1、粗糙集理論具有能有效定量分析并處理不精確、不一致、不完整信息與知識等特征,已被廣泛應用于數據挖掘、模式識別和機器學習等領域。屬性約簡是粗糙集理論研究的重要內容,其是指在保持決策表中數據分類能力不變的條件下,刪除不相關和冗余屬性,選擇最小屬性集,使決策表中知識表示可簡化而又不丟失決策表中重要信息。Wong等人已證明找出決策表的最小屬性約簡是一個典型NP-Hard問題,許多學者對此開展了相關研究,并取得了一定的研究成果,然而至今仍未找到一種

2、通用且高效的解決方法為其求解提供有效途徑。
　　近年來,協(xié)同演化算法通過揭示和模擬自然界生態(tài)系統(tǒng)中多種群協(xié)同進化現(xiàn)象和過程而成為計算智能領域研究熱點,它能有效解決許多傳統(tǒng)演化算法難以解決的復雜問題,尤其是在NP-Hard問題上凸顯其較強優(yōu)勢。本文將協(xié)同演化算法引入到粗糙集最小屬性約簡優(yōu)化中,對屬性協(xié)同演化約簡中算法收斂性、協(xié)同機制、模型優(yōu)化、演化自適應性、大規(guī)模屬性約簡及其代表性個體選擇等關鍵問題進行了深入系統(tǒng)地研究,致力于完善粗

3、糙集屬性演化約簡理論方面的工作,構建協(xié)同演化框架下屬性約簡模型和系列算法,并且在屬性約簡與特征分類、核磁共振成像MRI約簡與分割等實際應用問題中展示本文所提相關算法的有效性。具體而言,本文的主要貢獻在于:
　　1.針對傳統(tǒng)屬性演化約簡易早熟收斂和進化種群鄰域選擇問題,將小生境進化技術引入到粗糙集屬性演化約簡中,提出了基于小生境圓錐鄰域粒子群的屬性協(xié)同演化約簡算法。該算法將具有社會認知行為的粒子種群映射至屬性近似空間,進化粒子在屬性

4、約簡尋優(yōu)過程中通過圓錐分層空間自主動態(tài)構造小生境鄰域半徑,并利用自適應強化約束罰函數提高粒子種群目標適應度的收斂能力。實驗結果表明該算法能充分發(fā)揮進化種群在各自小生境鄰域內屬性協(xié)同演化約簡作用,較好地避免了屬性演化約簡早熟收斂,對屬性約簡性能具有明顯的提高。
　　2.為提高進化種群在粗糙集屬性演化約簡中的協(xié)同優(yōu)化能力,將協(xié)同演化機制進行拓展,構造了基于自適應進化樹的屬性混合協(xié)同演化約簡算法。該算法建立了一種基于自適應多層進化樹的動

5、態(tài)種群協(xié)同模型,采用競爭和合作混合的協(xié)同演化機制實現(xiàn)各屬性子集向量約簡尋優(yōu)經驗的協(xié)同共享,較好地達到屬性演化約簡中廣度尋優(yōu)和深度探索的有效平衡。實驗結果表明該基于自適應進化樹模型的競爭和合作混合協(xié)同機制在屬性演化約簡中的有效性。
　　3.將量子協(xié)同演化引入到粗糙集屬性約簡模型優(yōu)化中,提出了基于量子蛙群進化的屬性協(xié)同演化高效約簡算法。該算法用量子態(tài)比特進行動態(tài)多簇結構蛙群個體編碼,提高參與屬性演化約簡進化個體的多樣性;以量子旋轉門動

6、態(tài)自適應調整機制驅動屬性演化約簡的搜索過程,在全局搜索和局部求精之間保持屬性協(xié)同約簡均衡;以量子變異和量子糾纏策略避免屬性演化約簡陷入局部極值,快速向全局最優(yōu)收斂。該算法并重構了屬性量子協(xié)同演化約簡目標適應度函數,取得了較為滿意的最小屬性約簡集。在此基礎上,又提出了一種基于動態(tài)交叉協(xié)同的量子蛙群屬性協(xié)同演化約簡與分類學習級聯(lián)算法,進一步提高其在屬性約簡與決策規(guī)則分類學習中的應用性能。實驗結果表明該屬性量子協(xié)同演化約簡算法具有極強的全局最

7、小屬性約簡搜索性能,其屬性約簡效率和精度較一般算法具有明顯提升。
　　4.為進一步增強新型框架下屬性量子協(xié)同演化約簡的自適應性,基于云模型在非規(guī)范知識定性、定量表示及其相互轉換過程中優(yōu)良特征,提出了基于量子云模型的屬性協(xié)同演化自適應約簡算法。該算法利用量子種群基因云對參與屬性約簡的量子蛙群進行定性控制;基于約簡屬性熵權逆向云進行量子云旋轉門的自適應調整,使其在定性知識指導下能自適應控制屬性約簡空間的搜索范圍;采用量子云變異和云糾纏

8、操作算子使量子蛙群自適應搜索到全局最優(yōu)屬性約簡集。該算法利用云模型使屬性量子協(xié)同演化約簡具有更優(yōu)的自適應性,能較好地處理模糊的和不完整的屬性約簡問題。
　　5.為擴大粗糙集屬性協(xié)同演化約簡在大規(guī)模實際優(yōu)化問題中的應用及解決其代表性精英個體選擇問題,基于群體協(xié)作模式框架下精英角色思想,提出了基于量子種群精英的大規(guī)模屬性協(xié)同演化集成約簡算法。該算法首先設計一種量子蛙群多層精英池結構,利用量子精英蛙快速引導整個蛙群進入最優(yōu)化區(qū)域尋優(yōu);然