python遗传算法之单/多目标规划问题怎么解决

这篇"python遗传算法之单/多目标规划问题怎么解决"文章的知识点大部分人都不太理解，所以小编给大家总结了以下内容，内容详细，步骤清晰，具有一定的借鉴价值，希望大家阅读完这篇文章能有所收获，下面我们一起来看看这篇"python遗传算法之单/多目标规划问题怎么解决"文章吧。

1. 运行环境

这里先介绍一下运行环境

• 系统：Windows10

• 配置：i7-6700 16G

• python版本：3.10

• geatpy版本：2.7.0

2. 面向对象的原理

前面的章节中，我们介绍了遗传算法主要分为算法模板类 (Algorithm)、种群类 (Population)、多染色体混合编码种群类 (PsyPopulation) 以及问题类 (Problem)。其中 Population 类和 PsyPopulation 类是可以直接被实例化成对象去来使用的类；Algorithm 类和 Problem 类是父类，需要实例化其子类来使用。下面我们通过案例来演示一下用法。

3. 带约束的单目标优化问题

3.1 继承 Problem 问题类完成对问题模型的描述

在这一步中，主要是将我们的问题按照模板描述清楚,包括目标函数和约束条件。

import numpy as npimport geatpy as eaclass MyProblem(ea.Problem): # 继承Problem父类    def __init__(self):        name = 'MyProblem'  # 初始化name（函数名称，可以随意设置）        M = 1  # 初始化M（目标维数）        maxormins = [-1]  # 初始化目标最小最大化标记列表，1：min；-1：max        Dim = 3  # 初始化Dim（决策变量维数）        varTypes = [0] * Dim  # 初始化决策变量类型，0：连续；1：离散        lb = [0, 0, 0]  # 决策变量下界        ub = [1, 1, 2]  # 决策变量上界        lbin = [1, 1, 0]  # 决策变量下边界        ubin = [1, 1, 0]  # 决策变量上边界        # 调用父类构造方法完成实例化        ea.Problem.__init__(self, name, M, maxormins, Dim, varTypes, lb,                        ub, lbin, ubin)    def aimFunc(self, pop):  # 目标函数，pop为传入的种群对象        Vars = pop.Phen  # 得到决策变量矩阵        x1 = Vars[:, [0]]  # 取出第一列得到所有个体的x1组成的列向量        x2 = Vars[:, [1]]  # 取出第二列得到所有个体的x2组成的列向量        x3 = Vars[:, [2]]  # 取出第三列得到所有个体的x3组成的列向量 # 计算目标函数值，赋值给pop种群对象的ObjV属性        pop.ObjV = 4 * x1 + 2 * x2 + x3        # 采用可行性法则处理约束，生成种群个体违反约束程度矩阵        pop.CV = np.hstack([2 * x1 + x2 - 1,  # 第一个约束                        x1 + 2 * x3 - 2,  # 第二个约束                        np.abs(x1 + x2 + x3 - 1)])  # 第三个约束

3.2 调用算法模板进行求解

在第二步中，我们主要编写的是算法模板对第一步中问题的定义进行求解，这里需要依次设置种群、算法参数、种群进化、结果的输出。

"""main_solve.py"""import geatpy as ea # import geatpyfrom myaim import MyProblem # 导入自定义问题接口"""============================实例化问题对象========================"""problem = MyProblem() # 实例化问题对象"""==============================种群设置==========================="""Encoding = 'RI' # 编码方式NIND = 50 # 种群规模Field = ea.crtfld(Encoding, problem.varTypes, problem.ranges,problem.borders) # 创建区域描述器population = ea.Population(Encoding, Field, NIND) # 实例化种群对象（此时种群还没被真正初始化，仅仅是生成一个种群对象）"""===========================算法参数设置=========================="""myAlgorithm = ea.soea_DE_best_1_L_templet(problem, population) # 实例化一个算法模板对象myAlgorithm.MAXGEN = 1000 # 最大进化代数myAlgorithm.mutOper.F = 0.5 # 差分进化中的参数FmyAlgorithm.recOper.XOVR = 0.7 # 设置交叉概率myAlgorithm.logTras = 1 # 设置每隔多少代记录日志，若设置成0则表示不记录日志myAlgorithm.verbose = True # 设置是否打印输出日志信息myAlgorithm.drawing = 1 # 设置绘图方式（0：不绘图；1：绘制结果图；2：绘制目标空间过程动画；3：绘制决策空间过程动画）"""==========================调用算法模板进行种群进化==============="""[BestIndi, population] = myAlgorithm.run() # 执行算法模板，得到最优个体以及最后一代种群BestIndi.save() # 把最优个体的信息保存到文件中"""=================================输出结果======================="""print('评价次数：%s' % myAlgorithm.evalsNum)print('时间花费 %s 秒' % myAlgorithm.passTime)if BestIndi.sizes != 0:    print('最优的目标函数值为：%s' % BestIndi.ObjV[0][0])    print('最优的控制变量值为：')    for i in range(BestIndi.Phen.shape[1]):        print(BestIndi.Phen[0, i])else:    print('此次未找到可行解。')

3.3 结果

种群进化的结果为：

最终的结果为：

4. 带约束的多目标优化问题

4.1 继承 Problem 问题类完成对问题模型的描述

对于多目标的问题，依旧是先编写目标规划问题。

import numpy as npimport geatpy as eaclass MyProblem(ea.Problem): # 继承Problem父类    def __init__(self):        name = 'BNH' # 初始化name（函数名称，可以随意设置）        M = 2 # 初始化M（目标维数）        maxormins = [1] * M # 初始化maxormins        Dim = 2 # 初始化Dim（决策变量维数）        varTypes = [0] * Dim # 初始化varTypes（决策变量的类型，0：实数；1：整数）        lb = [0] * Dim # 决策变量下界        ub = [5, 3] # 决策变量上界        lbin = [1] * Dim # 决策变量下边界        ubin = [1] * Dim # 决策变量上边界 # 调用父类构造方法完成实例化        ea.Problem.__init__(self, name, M, maxormins, Dim, varTypes, lb,ub, lbin, ubin)    def aimFunc(self, pop): # 目标函数        Vars = pop.Phen # 得到决策变量矩阵        x1 = Vars[:, [0]] # 注意这样得到的x1是一个列向量，表示所有个体的x1        x2 = Vars[:, [1]]        f1 = 4*x1**2 + 4*x2**2        f2 = (x1 - 5)**2 + (x2 - 5)**2        # 采用可行性法则处理约束        pop.CV = np.hstack([(x1 - 5)**2 + x2**2 - 25,-(x1 - 8)**2 - (x2 - 3)**2 + 7.7])        # 把求得的目标函数值赋值给种群pop的ObjV        pop.ObjV = np.hstack([f1, f2])             ## 目标函数主要需要计算出CV和ObjV

4.2 调用算法模板进行求解

模板求解，和单目标规划类似。

import geatpy as ea # import geatpyfrom ga_more_aim import MyProblem # 导入自定义问题接口import numpy as np"""=======================实例化问题对象==========================="""problem = MyProblem() # 实例化问题对象"""=========================种群设置=============================="""Encoding = 'RI' # 编码方式NIND = 100 # 种群规模Field = ea.crtfld(Encoding, problem.varTypes, problem.ranges,problem.borders) # 创建区域描述器population = ea.Population(Encoding, Field, NIND) # 实例化种群对象（此时种群还没被真正初始化，仅仅是生成一个种群对象）"""=========================算法参数设置============================"""myAlgorithm = ea.moea_NSGA2_templet(problem, population) # 实例化一个算法模板对象myAlgorithm.mutOper.Pm = 0.2 # 修改变异算子的变异概率myAlgorithm.recOper.XOVR = 0.9 # 修改交叉算子的交叉概率myAlgorithm.MAXGEN = 200 # 最大进化代数myAlgorithm.logTras = 1 # 设置每多少代记录日志，若设置成0则表示不记录日志myAlgorithm.verbose = False # 设置是否打印输出日志信息myAlgorithm.drawing = 1 # 设置绘图方式（0：不绘图；1：绘制结果图；2：绘制目标空间过程动画；3：绘制决策空间过程动画）"""==========================调用算法模板进行种群进化==============调用run执行算法模板，得到帕累托最优解集NDSet以及最后一代种群。NDSet是一个种群类Population的对象。NDSet.ObjV为最优解个体的目标函数值；NDSet.Phen为对应的决策变量值。详见Population.py中关于种群类的定义。"""[NDSet, population] = myAlgorithm.run() # 执行算法模板，得到非支配种群以及最后一代种群NDSet.save() # 把非支配种群的信息保存到文件中"""===========================输出结果========================"""print('用时：%s 秒' % myAlgorithm.passTime)print('非支配个体数：%d 个' % NDSet.sizes) if NDSet.sizes != 0 else print('没有找到可行解！')if myAlgorithm.log is not None and NDSet.sizes != 0:    print('GD', myAlgorithm.log['gd'][-1])    print('IGD', myAlgorithm.log['igd'][-1])    print('HV', myAlgorithm.log['hv'][-1])    print('Spacing', myAlgorithm.log['spacing'][-1])"""======================进化过程指标追踪分析=================="""metricName = [['igd'], ['hv']]Metrics = np.array([myAlgorithm.log[metricName[i][0]] for i in range(len(metricName))]).T# 绘制指标追踪分析图ea.trcplot(Metrics, labels=metricName, titles=metricName)

4.3 结果

很多初学者可能不太清楚评价多目标规划的一些指标GD、IGD、HV等，这里给大家参考: 多目标进化算法的性能评价指标总结.

帕累托前沿结果：

hv的趋势：

最后结果：

以上就是关于"python遗传算法之单/多目标规划问题怎么解决"这篇文章的内容，相信大家都有了一定的了解，希望小编分享的内容对大家有帮助，若想了解更多相关的知识内容，请关注行业资讯频道。