多模态多目标优化问题是一类在现实世界中普遍存在的复杂多目标优化问题,近年来受到人们的广泛关注。这类问题的求解难点在于,它不但需要如一般多目标优化问题一样,保持解在目标空间的多样性,而且还需要考虑解在决策空间的多样性,即找到相同帕累托前沿对应的不同帕累托最优解集。目前,在一般多目标优化问题上有良好性能的大多数多目标进化算法由于没有考虑解在决策空间的多样性,无法有效地解决多模态多目标优化问题。最近的一些研究工作已经初步表明:在多目标进化算法中引入小生境策略来维护解在决策空间的多样性是一种可行且有效的方法。作为一种经典的小生境策略,物种保护不仅能保留每代中的优异解,而且能保护那些对搜索到其它不同优质解有帮助的劣解,故有望成为多模态多目标优化问题求解中保持解在决策空间多样性的一种有效手段。为此,本文创新性地将物种保护引入多模态多目标优化问题,开展了如下两个工作:(1)面向仅含有全局帕累托前沿的多模态多目标优化问题,提出了一种基于物种保护的多模态多目标差分进化算法(Multimodal Multiobjective Differential Evolutionary Optimization with Species Conservation,MMDE/SC),该算法利用物种保护策略维护解在决策空间和目标空间的多样性,并使用一种差分进化变异算法来增强算法的搜索能力。其中,物种保护策略可细分为物种划分、种子确定和种子保护三个子策略。物种划分在决策空间中将种群划分为不同的物种,以维持在不同区域的帕累托最优解集。种子确定从每个物种中选择一定数量的非支配解,作为需要保留到下一代的种子。种子保护将在目标空间性能较差的解用种子替换,保证算法在进化过程中不会丢失可能包含不同帕累托最优解集的一些已知区域。与多个优秀多模态多目标进化算法在基准测试集和实际问题上的实验结果表明,该算法在大多数测试问题上能够更加均匀地收敛于全局帕累托前沿对应的多个全局帕累托最优解集。(2)面向同时含有全局和局部帕累托前沿的多模态多目标优化问题,提出了一种基于两阶段物种保护的多模态多目标进化算法(Multimodal Multiobjective Evolutionary Algorithm with Two-stage Species Conservation,MMEA/TSC),该算法将整个进化过程分成基于多样性导向物种保护的进化阶段和基于收敛性导向物种保护的进化阶段。前者将每个物种看作不同的子种群,利用高斯变异策略在决策空间中对每个子种群进行变异,以在决策空间中产生多样性的解。后者对所有物种根据帕累托等级进行分层,并把相同层的物种看作一个子种群,然后利用交叉变异策略在每个子种群中进行局部搜索,使得解能够均匀地分布在不同等级的帕累托前沿。与多个先进算法在基准测试集上的实验结果表明,该算法能够在同时含有全局和局部帕累托前沿的测试问题上更加均匀地收敛于对应的多个全局和局部帕累托最优解集。本文深入挖掘了物种保护策略对不同多模态多目标优化问题的求解潜力,丰富了物种保护策略的理论和方法体系,为多模态多目标优化问题的求解提供了新的手段,因此,论文研究具有重要的理论意义和应用价值。
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