一种基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法制造技术

本发明专利技术是一种基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法，该算法基于高斯白噪声扰动，以一定的变异概率对历史最优解进行扰动，以此来增加种群的多样性，避免算法早熟，其次，改变标准物体碰撞算法的两两碰撞为一对多的碰撞模式，促使群体更好得向最优解靠拢，进一步提高算法收敛效率。本发明专利技术物体碰撞算法可解决具有强非线性及高维变量的工程优化问题，结构优化、模型修正、损伤识别、健康监测等工程优化问题的效率和精度得到提高。优化问题的效率和精度得到提高。优化问题的效率和精度得到提高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法


[0001]本专利技术属于土木工程模型修正
，涉及一种基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法。

技术介绍

[0002]近几十年来，随着基础设施建设投资的规模持续扩大，出现了许多的复杂工程结构，像高层建筑、大跨度桥、以及异形廊桥等。由于复杂工程结构其自身的结构形式、动力特性、受力等都比较复杂，为了保障其安全，需要对其进行健康监测，而健康监测又分为两种，一种是通过长期的在现场测试数据进行监测，这需要花费较大的人力和财力。另一种是通过有限元模型对复杂工程结构进行健康监测，它不需要花费太大成本，但是需要一个较为精确的有限元模型。然而初始的有限元模型存在有限元离散和建模过程中采用的一些简化假定造成的计算误差，模型与工程结构在诸如材料、几何尺寸、边界条件等数据取值误差的各种不利影响因素下，导致初始有限元模型不够精确，所以需要对初始的有限元模型进行模型修正。
[0003]起初对有限元模型修正采用的方法为矩阵型模型修正，虽然其计算量相对较小，但会破坏质量和刚度矩阵的规则性，而且修正后的结果只是体现在整体质量和刚度矩阵上，不能体现在具体的设计参数上，很难实现在工程中的应用。后来随着有限元模型修正的发展，出现了参数型模型修正，鉴于矩阵型修正方法的缺点，参数型修正方法以整体结构的几何参数、材料参数和单元特性等设计参数为修正对象进行修正，最后得到一个能够反映实际结构特征的有限元模型。其大致涉及三个关键内容，包括待修正参数选择、优化算法选取和目标函数计算与确定。其中优化算法的选取对有限元模型修正的效率以及精度起着至关重要的作用。目前已有许多学者将不同算法用于有限元模型修正，但是都或多或少存在一些缺点，比如传统算法中的牛顿法、拟牛顿法、一阶优化方法等，当非线性较强时，算法极易陷入局部最优解，还有群类算法中的粒子群算法、蚁群算法等，在优化问题后期，会因为样本多样性下降出现早熟现象。因此引入基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法来对复杂工程结构进行有限元模型修正，以此来提高修正的精度和效率。
[0004]物体碰撞算法是受一维对心碰撞规律的启发而提出的，即在一个孤立的系统中，两个物体间的碰撞需要遵循动量守恒定律和能量守恒定律。在此算法中根据适应度值按照一定的方式定义碰撞体的质量，并将碰撞体按照一定的规律平均分成两组，一组为静止组，一组为移动组，将移动组向静止组进行碰撞，然后根据一维对心碰撞的速度更新公式，对碰撞体进行速度更新，最后结合更新的速度对碰撞体进行位置的更新，以此进行迭代在解空间中寻找最优解。物体碰撞算法具有结构简单，参数少，过程易于实现的特点，现在已有许多学者将其用于工程领域。
[0005]但是，由于物体碰撞算法是一种元启发式算法，其搜索过程过于随机，所以会导致算法性能的不稳定即寻优能力会时好时坏。另外在碰撞体寻找最优解的过程中，会有部分碰撞体陷入局部最优解，迫使总群多样性降低，从而引导所有碰撞体陷入局部最优，导致整
个算法出现早熟。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法，将高斯扰动引入物体碰撞算法，同时改变标准物体碰撞算法的两两碰撞为一对多的碰撞模式，改进后的算法丰富了总群的多样性，增强了算法在陷入局部最优时的逃逸能力，同时还提高了算法的收敛速度和计算精度。
[0007]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法，该算法包括以下步骤：步骤1）随机初始化n个碰撞体；步骤2）通过每一个碰撞体的适应度值按照一定的方式计算每一个碰撞体的质量；步骤3）根据适应度值将碰撞体进行升序排列，将第一个碰撞体作为静止组，其余的碰撞体全为移动组，并分别给定静止组和移动组起始速度；步骤4）以一定的变异概率P
m
对静止组碰撞体施加高斯扰动；步骤5）根据速度更新公式分别对静止组和移动组碰撞体进行速度更新；步骤6）根据位置更新公式分别对静止组和移动组碰撞体进行位置更新；步骤7）重复执行步骤2）至步骤6），直到达到最大迭代次数，则输出最优解。
[0008]进一步的，所述步骤1）中的初始化碰撞体按照如下公式进行计算：，式中，表示最开始随机生成的第个碰撞体，和表示搜索范围的下界和上界，是[0,1]区间的一个随机数，是碰撞体的个数。
[0009]进一步的，所述步骤2）中通过下式计算碰撞体的质量：，式中，表示第个碰撞体的质量，表示碰撞体的个数，表示第个碰撞体对应的目标函数值。
[0010]进一步的，所述步骤3）中按照下式计算静止组和移动组碰撞体的起始速度：，式中，表示第个碰撞体的起始速度，表示第1个碰撞体在碰撞前的位置向量，表示第个碰撞体在碰撞前的位置向量。
[0011]进一步的，所述步骤4）中的变异概率P
m
取值在[0.05,0.15]区间，变异操作根据下式计算：，式中，为第个碰撞体经过高斯扰动后的新位置向量，为第个碰撞体当前的位置向量，为随机产生的高斯扰动。
[0012]进一步的，所述步骤5）中根据下式更新碰撞体速度：
，式中，为第个碰撞体碰撞之后的速度，为第个碰撞体碰撞前的速度，由步骤3）确定，和分别为第个和第1个碰撞体的质量，由步骤2）确定。
[0013]进一步的，所述步骤6）中根据下式更新碰撞体位置：，式中，为第个碰撞体碰撞后的位置向量，为第1个碰撞体碰撞前的位置向量，是在区间[
‑
1,1]上的随机数，为第个碰撞体碰撞后的速度，由步骤5）确定，理解为单位时间1。
[0014]本专利技术的有益效果是:本专利技术在避免算法陷入局部最优解的同时提高了算法的收敛速度，可解决具有强非线性及高维变量的工程优化问题，结构优化、模型修正、损伤识别、健康监测等工程优化问题的效率和精度得到提高。
附图说明
[0015]图1为本专利技术基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法流程图。
具体实施方式
[0016]下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本专利技术。
[0017]如图1所示，一种基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法，该算法包括以下步骤：步骤1）随机初始化n个碰撞体；步骤2）通过每一个碰撞体的适应度值按照一定的方式计算每一个碰撞体的质量；步骤3）根据适应度值将碰撞体进行升序排列，将第一个碰撞体作为静止组，其余的碰撞体全为移动组，并分别给定静止组和移动组起始速度；步骤4）以一定的变异概率P
m
对静止组碰撞体施加高斯扰动；步骤5）根据速度更新公式分别对静止组和移动组碰撞体进行速度更新；步骤6）根据位置更新公式分别对静止组和移动组碰撞体进行位置更新；步骤7）重复执行步骤2）至步骤6），直到达到最大迭代次数，则输出最优解，在本实施例中，具体是判断是否达到最大迭代次数，若达到，则输出最优解，结束，若未达到，则跳转至步骤2），继续迭代。
[0018]所述步骤1）中的初始化碰撞体按本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法，其特征在于，该算法包括以下步骤：步骤1）随机初始化n个碰撞体；步骤2）通过每一个碰撞体的适应度值按照一定的方式计算每一个碰撞体的质量；步骤3）根据适应度值将碰撞体进行升序排列，将第一个碰撞体作为静止组，其余的碰撞体全为移动组，并分别给定静止组和移动组起始速度；步骤4）以一定的变异概率P
m
对静止组碰撞体施加高斯扰动；步骤5）根据速度更新公式分别对静止组和移动组碰撞体进行速度更新；步骤6）根据位置更新公式分别对静止组和移动组碰撞体进行位置更新；步骤7）重复执行步骤2）至步骤6），直到达到最大迭代次数，则输出最优解。2.根据权利要求1所述的基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法，其特征在于，所述步骤1）中的初始化碰撞体按照如下公式进行计算：，式中，表示最开始随机生成的第个碰撞体，和表示搜索范围的下界和上界，是[0,1]区间的一个随机数，是碰撞体的个数。3.根据权利要求2所述的基于高斯扰动和改进碰撞模式的物体碰撞优化算法，其特征在于，所述步骤2）中通过下式计算碰撞体的质量：，式中，表示第个碰撞体的质量，表示碰撞体的个数，表示第个碰撞体对应的目标函数值。4.根据权利要求3所述的基于高斯扰动和...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏志远，王友，唐柏鉴，史慧媛，陈鹏，陈鑫，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：