膜計(jì)算仿生優(yōu)化算法及應(yīng)用研究.pdf

1、復(fù)雜的優(yōu)化問題廣泛存在于科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域中。仿生計(jì)算是一類有效的求解方法。膜計(jì)算是一種新的從生物細(xì)胞以及由細(xì)胞組成的組織和器官結(jié)構(gòu)與功能中抽象出來的并行分布式計(jì)算模型。針對復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題，基于膜計(jì)算的基本思想和框架，受生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，并融合進(jìn)化計(jì)算和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的研究成果，本文研究了膜計(jì)算仿生優(yōu)化算法及應(yīng)用問題。算法中采用獨(dú)特的計(jì)算結(jié)構(gòu)、規(guī)則及計(jì)算策略。通過典型的測試函數(shù)和工程實(shí)例，對所提出的膜計(jì)算仿生優(yōu)化算法進(jìn)行

2、了算法性能研究和對比試驗(yàn)。本文的主要研究成果如下：
　　 (1)針對無約束優(yōu)化問題，受真核細(xì)胞高爾基體形態(tài)和功能的啟發(fā)，在膜計(jì)算的基本框架基礎(chǔ)上，提出了一種膜計(jì)算仿生優(yōu)化算法(bio-inspired algorithmbased on membrane computing--BIAMC)。該算法采用新的網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)，在形態(tài)上模仿了高爾基體。各并行基本膜中采用改寫規(guī)則、配對規(guī)則、交流規(guī)則、選擇規(guī)則來實(shí)現(xiàn)算法的全局范圍的隨機(jī)搜索；而

3、在擬高爾基體膜中則采用移位規(guī)則、提取規(guī)則、選擇規(guī)則和交流規(guī)則在當(dāng)前的最優(yōu)解附近合成新的最優(yōu)解，從而實(shí)現(xiàn)了算法在全局搜索和局部逼近兩個方面的搜索平衡。BIAMC的計(jì)算和搜索策略是模擬高爾基體的功能和運(yùn)用膜計(jì)算不確定性的計(jì)算策略，不采用進(jìn)化計(jì)算的保持解多樣性的均勻逼近最優(yōu)解的策略。以15個典型無約束測試函數(shù)構(gòu)建測試環(huán)境，進(jìn)行尋優(yōu)和算法參數(shù)的敏感性研究。計(jì)算結(jié)果以及與其它優(yōu)化算法的對比表明了所提出算法的有效性。
　　 (2)提出了一種

4、改進(jìn)的膜計(jì)算仿生優(yōu)化算法，既能求解無約束優(yōu)化問題也可以求解有約束優(yōu)化問題。在BIAMC算法基礎(chǔ)上，改進(jìn)的BIAMC算法中不僅優(yōu)化了膜結(jié)構(gòu)及改寫規(guī)則和交流規(guī)則，并在擬高爾基體膜中增加了目標(biāo)導(dǎo)向規(guī)則，從而使算法在求解無約束問題時效率更高。將二次罰函數(shù)法引入算法中，使該算法適于求解有約束問題。以14個典型的無約束和有約束測試函數(shù)構(gòu)建測試環(huán)境，并通過求解汽油調(diào)合調(diào)度問題對所提算法的性能進(jìn)行研究。與其它算法尋優(yōu)的結(jié)果對比，表明所提出的算法可以有效

5、地找到或者逼近問題的最優(yōu)解。
　　 (3)針對復(fù)雜有約束優(yōu)化問題，提出了三種混合膜計(jì)算優(yōu)化算法。這些算法都是將序貫二次規(guī)劃方法(SQP)，作為一個規(guī)則植入膜結(jié)構(gòu)的一個膜中。對于一般單目標(biāo)有約束問題，一種混合膜計(jì)算優(yōu)化算法是采用串行融合機(jī)制，另一種則采用嵌入融合機(jī)制融合。針對機(jī)器人路徑規(guī)劃問題，一種具有動態(tài)膜結(jié)構(gòu)的混合優(yōu)化算法采用了動態(tài)膜結(jié)構(gòu)和串行融合機(jī)制。與其它混合優(yōu)化方法不同，分布式的算法結(jié)構(gòu)使得混合膜計(jì)算優(yōu)化算法在求解優(yōu)化問

6、題時更顯優(yōu)勢。典型測試函數(shù)和工程實(shí)例應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所提算法的有效性和可行性。
　　 (4)提出了一種多目標(biāo)膜計(jì)算仿生優(yōu)化算法(multi-objective bio-inpsiredalgorithm based on membrane computing--MOBIAMC)。該方法采用了一個網(wǎng)狀的膜結(jié)構(gòu)和新的多目標(biāo)優(yōu)化策略，計(jì)算代價(jià)更小，計(jì)算效率更高。通過對典型測試函數(shù)的尋優(yōu)結(jié)果及對比，表明了該方法的有效性和優(yōu)越性，其