一种基于混沌寻优机理的粒子群集智能方法技术

本发明专利技术公开了一种基于混沌寻优机理的粒子群集智能方法，在初始化阶段采用经典分布和Logistic映射、Kent映射对粒子群进行了初始化，然后利用带有加权惯性权重因子的粒子群算法在N维解空间中进行全局优化搜索，利用速度和位置迭代更新函数，当粒子群中粒子的局部最优解更新陷入停滞时，利用混沌运动的遍历性进行全局优化搜索，同时通过恰当的载波方式将混沌变量的遍历区间放大到优化变量的定义域，当粒子群全局最优解陷入停滞中，协助粒子逐步逃离局部极值，终止粒子群的优化搜索并输出全局最优解。本发明专利技术以解决群集智能类算法中普遍存在早熟现象以及在复杂高维函数优化中无法有效获得全局最优解的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混沌寻优机理的粒子群集智能方法
本专利技术涉及一种基于混沌寻优机理的粒子群集智能方法，属于水文水资源模拟

技术介绍
水文水资源模拟中的数学模型普遍存在着非线性、不连续、非凸性、维数多、多峰值等函数特性。常规优化方法在这些问题上的应用往往不能取得满意的结果，在生产实践应用中也存在着难度。一直以来针对这些水问题模型寻找一类有效最优化方法求得其最优解决方案始终是水文模拟领域理论研究与实践应用的热点。群体智能指的是从无通讯协作思想角度，自然界中的种群被看作是一个个复杂自适应系统，具有自适应、自学习、自组织等特点，而这些特点能够从群体中突现出的复杂行为上得以体现，例如群体觅食和聚集行为就具有上述特征。基于群体的协同和信息共享是粒子群算法的本质，通过将鸟群中的单个个体转化为无形无质的粒子点，并模拟鸟类飞翔于目标函数的解空间，在欧氏N维空间中始终保持某种拓扑结构，以粒子对解空间中最优粒子的追随进行解空间的搜索，协同进行，信息共享，以实现全局最优解的获得。混沌是指在确定性系统中出现的一种貌似无规则、类似随机的现象，是普遍存在的复杂运动形式和自然现象。严格说来，混沌现象是不含外加随机因素的完全确定性系统所表现出的内秉随机行为，是介于规则和随机之间的一种行为。在学术上，混沌是指在确定系统中存在的无规则性或不规则性。混沌运动是确定性系统中局限于有限相空间的轨道高度不稳定运动，是在确定性系统中出现的无规则性或随机性(系统内在的随机性，又称之为伪随机性)。所谓轨道高度不稳定，是指近邻的轨道随时间的发展会产生指数分离。由于这种不稳定性，系统的长时间行为会显示出某种混乱性和随机特征。混沌运动在相空间的轨迹具有复杂的拉伸、折叠和收缩的结构，但每条轨迹既不自我重复又不自我交叠，且局限于有限集合，把这称之为奇怪吸引子。然而，产生混沌的机制往往又是简单的非线性，是丝毫不带随机因素的固定规则。混沌的类型大体可分为四大类：第一类为时间混沌，第二类为空间混沌，第三类为时空混沌，第四类为功能混沌。实验证明，粒子群模型无论是早熟收敛还是全局收敛，种群中的粒子都会出现“聚集”现象。要么所有粒子聚集在某一特定位置，要么聚集在某几个特定位置。当聚集在局部最优值处时为早熟聚集，即早熟收敛。基本粒子群集智能类算法中普遍存在着早熟收敛、算法后期收敛较慢和种群多样性随代数增加下降过快、有可能收敛不到全局最优解等缺点，尤其是在比较复杂的多峰搜索问题中。收敛速度的提高是以牺牲全局搜索能力为前提的，在解决超高维、非线性、多极值的复杂优化问题时有其局限性，且无法保证对实际工程动态系统优化问题的跟踪优化。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术目的是提供一种基于混沌寻优机理的粒子群集智能方法，用于解决水文水资源模拟中所遇到复杂优化问题，能够快速收敛到全局最优解，不易产生早熟现象，有效保证了粒子的初始多样性。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：本专利技术一种基于混沌寻优机理的粒子群集智能方法，包括以下步骤：步骤1：基于预设的xi(t)为t时刻种群中第i个粒子所处的位置；fi(t)为第i个粒子时刻t的函数值；fi*(t)代表第i个粒子的最优值；在初始时刻t0，采用经典分布随机初始化种群中的每一个粒子i在函数域内n个纬度上的初始位置其中i＝1,2,…,m，m为种群规模；步骤2：利用Logistic映射函数xt+1＝μ·xt(1-xt)，其中xt为μ为控制参数,，或者Kent映射函数β∈(0,1)差异化初值，从而得到n条轨迹不同的用于混沌优化的变量步骤3：对粒子位置变量进行尺度变换，将混沌变量转换为待优化函数解空间变量值xi′n(t)，采用位置变量空间变换公式其中[a,b]为优化变量的取值范畴，[c,d]为混沌优化变量的取值范畴；其中，ci,di为常数，将映射到变量xi′n(t)的求解域；步骤4：基于预设的计算粒子群中每个粒子当前位置对应的函数值fi(t)，为局部最优函数值，为全局最优函数值；为局部最优粒子位置，为全局最优粒子位置；步骤5：若则更新否则放弃xi(t)，若则更新若不变,则按式进行二次载波，其中θ为调节常数，为小幅度混沌增量，转入步骤2；步骤6：更新粒子群中每粒子的速度及位置；步骤7：基于预设的gBest为种群中全局最优函数值对应的粒子索引，其位置信息为判断是否存在gBest多次不变的情况，如果存在则采用公式以及公式对其进行混沌随机扰动，其中，为随机数，pm为一概率常数之后转入步骤2继续，如果不存在则转入步骤8；步骤8：判断是否满足终止准则，满足则输出全局最优解x*，全局最优函数值f*，否则转入步骤4继续迭代。步骤(1)中，采用经典分布随机初始化种群中的每一个粒子i在函数域内n个纬度上的初始值步骤(4)更新粒子群中每粒子的速度及位置，具体方法如下：首先计算动态计权重因子采用公式v′in(t+1)∈[-Vmax,Vmax]更新粒子的下一刻飞行速度。采用公式x′in(t+1)＝x′in(t)+v′in(t+1)更新下一刻粒子所处位置，其中，Vmax为预设的常量。步骤(4)中，用混沌变量进行迭代搜索，其迭代搜索函数为粒子群算法与Logistic映射函数或者KENT映射函数的耦合函数，该耦合函数包含了一种动态权重因子用于更新速度和位置信息。步骤(8)中，采用了全局点停滞扰动策略——一种混沌随机扰动策略有效增强gBest跳出局部解的能力，保证算法具有连续转移机制以协助gBest粒子逐步逃离局部极值，其函数为其中，r,r1,r2,r3为随机数，pm为一概率常数。本专利技术基于混沌机理的粒子群集智能算法具有如下优点：本专利技术算法中的粒子初始运动轨迹采用混沌状态运动替代杂乱无章的随机运动，过程中采用混沌因子指导粒子的运动，当全局点处于停滞状态时，启动停滞扰动策略帮助其逃逸停滞状态。实验结果表明本专利技术算法能显著提高对复杂函数的优化结果，尤其是随着水文模拟研究的深入及复杂化，本专利技术方法针对实际应用中水文水资源复杂问题所形构成的非线性、不连续、非凸性、维数多、多峰值等函数特性的数学模型相比常规优化求解方案具有不可比拟的优势和性能。本专利技术方法的主要优点包括：快速收敛到全局最优解；各粒子具有高效的初始搜索方向；不易产生早熟现象；有效保证了粒子的初始多样性；停滞粒子的运动具有混沌状态。本专利技术方法为有效解决水文水资源模拟
中超高维、非线性、多极值的复杂优化问题提供了一种解决思路和方法，能显著提高对复杂函数的优化结果，可保证对实际工程动态系统优化问题的跟踪优化。附图说明图1为一种基于混沌寻优机理的粒子群集智能方法工作流程图。具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。本方法可用来解决水文水资源模拟
遇到的非线性复杂模拟问题，如大规模水资源优化配置、水库群联合优化调度、水电协同优化调度、水文预报参数率定等，还可用来解决诸如组合优化、工业动态生产控制问题、知识发现、机器人协作、电信路由控制、无线移动网络基站优化、机场调度、高速公路控制等实际工程问题。本专利技术方法应用在水库群防洪和发电优化调度问题、大规模水资源优化配置问题以及水文预报预警问题上取得了很好的效果，模型求解的精度得到显著的提升本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混沌寻优机理的粒子群集智能方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于预设的xi(t)为t时刻种群中第i个粒子所处的位置；fi(t)为第i个粒子时刻t的函数值；fi

【技术特征摘要】
1.一种基于混沌寻优机理的粒子群集智能方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于预设的xi(t)为t时刻种群中第i个粒子所处的位置；fi(t)为第i个粒子时刻t的函数值；fi*(t)代表第i个粒子的最优值；在初始时刻t0，采用经典分布随机初始化种群中的每一个粒子i在函数域内n个纬度上的初始位置其中i＝1,2,…,m，m为种群规模；步骤2：利用Logistic映射函数xt+1＝μ·xt(1-xt)，其中xt为μ为控制参数,，或者Kent映射函数β∈(0,1)差异化初值，从而得到n条轨迹不同的用于混沌优化的变量步骤3：对粒子位置变量进行尺度变换，将混沌变量转换为待优化函数解空间变量值xi′n(t)，采用位置变量空间变换公式其中[a,b]为优化变量的取值范畴，[c,d]为混沌优化变量的取值范畴；其中，ci,di为常数，将映射到变量xi′n(t)的求解域；步骤4：基于预设的xi(t)＝xi′n(t)，计算粒子群中每个粒子当前位置对应的函数值fi(t)，为局部最优函数值，为全局最优函数值；为局部最优粒子位置，为全局最优粒子位置；步骤5：若则更新否则放弃xi(t)，若则更新若不变,则按式进行二次载波，其中θ为调节常数，为小幅度混沌增量，转入步骤2；步骤6：更新粒子群中每粒子的速度及位置；步骤7：基于预设的gBest为种群中全局最优函数值对应的粒子索引，其位置信息为判断是否存在gBest多次不变的情况，如果存在则采用公式以及公...

【专利技术属性】
技术研发人员：马军建，徐青，郑建兵，季卫东，刘传武，胡鸣东，华涛，
申请(专利权)人：南京南瑞集团公司，国电南瑞科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32