基于類細(xì)胞膜計(jì)算的優(yōu)化方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、類細(xì)胞膜計(jì)算模型作為一種具有強(qiáng)大計(jì)算能力的分子計(jì)算模型，為解決復(fù)雜問題提供了一種新的解決方案，在控制、數(shù)學(xué)以及生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科中得到了研究和發(fā)展。近年來類細(xì)胞膜計(jì)算模型在優(yōu)化領(lǐng)域的研究才嶄露頭角，就受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。而且如何利用類細(xì)胞膜計(jì)算模型自身的特點(diǎn)，有效地改善優(yōu)化方法的求解性能已成為一個(gè)值得深入研究的問題。
　　本文基于類細(xì)胞膜計(jì)算模型，為解決優(yōu)化領(lǐng)域中的問題進(jìn)行了系統(tǒng)的嘗試。針對(duì)優(yōu)化領(lǐng)域中的單目標(biāo)、多目標(biāo)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化三

2、類關(guān)鍵問題，提出基于類細(xì)胞膜計(jì)算模型的三種肩發(fā)式優(yōu)化方法，并通過利用國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)和轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)中的實(shí)際問題對(duì)所提方法的求解性能進(jìn)行驗(yàn)證。本文的研究工作主要包含以下內(nèi)容:
　　(1)提出一種基于類細(xì)胞膜計(jì)算模型的單目標(biāo)演化膜算法。針對(duì)單目標(biāo)優(yōu)化問題，對(duì)類細(xì)胞膜計(jì)算模型中的對(duì)象、反應(yīng)規(guī)則和膜結(jié)構(gòu)三要素進(jìn)行改進(jìn)。在表層膜區(qū)域，為改善對(duì)象在搜索空間內(nèi)的分布，提出一種基于混沌系統(tǒng)初始化對(duì)象的機(jī)制。在基本膜區(qū)域，提出通過細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模

3、型調(diào)用重寫規(guī)則來進(jìn)化對(duì)象的操作，該操作可以產(chǎn)生良好的候選對(duì)象。當(dāng)基本膜內(nèi)的反應(yīng)規(guī)則被執(zhí)行后，將基本膜內(nèi)的對(duì)象發(fā)送回表層膜。在表層膜區(qū)域，將來白不同基本膜的對(duì)象進(jìn)行重新組合，并將組合后的對(duì)象集發(fā)送到基本膜進(jìn)行再次進(jìn)化，該對(duì)象集可以實(shí)現(xiàn)不同基本膜內(nèi)的對(duì)象信息共享。當(dāng)所提算法滿足終止條件時(shí)，表層膜區(qū)域存放的最優(yōu)對(duì)象即為優(yōu)化問題的全局最優(yōu)解。
　　(2)提出一種以演化膜算法為基礎(chǔ)的多目標(biāo)演化膜算法。與單目標(biāo)優(yōu)化問題不同，多目標(biāo)優(yōu)化問題含有

4、多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)之間存在相互制約的關(guān)系，其中一個(gè)目標(biāo)性能的提升可能導(dǎo)致其它目標(biāo)性能的降低。針對(duì)這類問題，多目標(biāo)演化膜算法建立在演化膜算法基礎(chǔ)上，對(duì)演化膜算法中的對(duì)象初始化方式和重寫規(guī)則的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。此外，由于候選對(duì)象的多樣性和空間分布直接影響著所提方法的求解性能，所以將非支配排序和擁擠距離引入到所提算法中。為避免尋優(yōu)過程中最優(yōu)對(duì)象的流失，在表層膜區(qū)域引入可以記錄整個(gè)尋優(yōu)過程中最優(yōu)對(duì)象的歸檔對(duì)象集，該對(duì)象集可以加快所提算法的收斂速

5、度。
　　(3)提出一種基于類細(xì)胞膜計(jì)算模型的動(dòng)態(tài)演化膜算法。針對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題，對(duì)類細(xì)胞膜計(jì)算模型的三要素進(jìn)行改進(jìn)。為改善所提動(dòng)態(tài)演化膜算法的求解性能，提出4種特殊的對(duì)象，這些對(duì)象既可以提高所提算法的收斂性又可以增強(qiáng)候選對(duì)象的多樣性。針對(duì)基本膜個(gè)數(shù)設(shè)置問題，引入一種基于單鏈?zhǔn)綄哟尉垲惖姆椒▉碛?jì)算基本膜個(gè)數(shù)的操作。當(dāng)利用重寫規(guī)則對(duì)對(duì)象進(jìn)行進(jìn)化時(shí)，其中的一些對(duì)象可能出現(xiàn)在過度擁擠區(qū)域或者跳出當(dāng)前基本膜的區(qū)域。針對(duì)對(duì)象過度擁擠的問題，提

6、出一個(gè)刪除當(dāng)前膜內(nèi)擁擠對(duì)象的擁擠規(guī)則，該規(guī)則可以增強(qiáng)候選對(duì)象的多樣性。針對(duì)對(duì)象從當(dāng)前基本膜區(qū)域跳到另一個(gè)基本膜區(qū)域的問題，引入重疊規(guī)則將兩個(gè)膜合并，這可以避免兩個(gè)膜因搜索相同區(qū)域所導(dǎo)致的搜索效率降低的問題。在此基礎(chǔ)上，利用環(huán)境變化檢測(cè)規(guī)則對(duì)新環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，從而提高所提動(dòng)態(tài)演化膜算法適應(yīng)環(huán)境變化的能力。
　　選用國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)，對(duì)上述所提基于類細(xì)胞膜計(jì)算的優(yōu)化方法的有效性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證和分析。另外，針對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程中的