python粒子群算法的实现

参考博客：

http://blog.csdn.net/zuochao_2013/article/details/53431767?ref=myread

http://blog.csdn.net/chen_jp/article/details/7947059

算法介绍

 粒子群算法(particle swarm optimization，PSO)由Kennedy和Eberhart在1995年提出，该算法对于Hepper的模拟鸟群(鱼群)的模型进行修正，以使粒子能够飞向解空间，并在最好解处降落，从而得到了粒子群优化算法。同遗传算法类似，也是一种基于群体叠代的，但并没有遗传算法用的交叉以及变异，而是粒子在解空间追随最优的粒子进行搜索

 PSO的优势在于简单，容易实现，无需梯度信息，参数少，特别是其天然的实数编码特点特别适合于处理实优化问题。同时又有深刻的智能背景，既适合科学研究，又特别适合工程应用。
 设想这样一个场景：一群鸟在随机的搜索食物。在这个区域里只有一块食物，所有的鸟都不知道食物在哪。但是它们知道自己当前的位置距离食物还有多远。那么找到食物的最优策略是什么？最简单有效的就是搜寻目前离食物最近的鸟的周围区域。

算法流程

参数定义每个寻优的问题解都被想像成一只鸟，称为“粒子”。所有粒子都在一个d维空间进行搜索。所有的粒子都由一个fitness-function确定适应值以判断目前的位置好坏。每一个粒子必须赋予记忆功能，能记住所搜寻到的最佳位置。每一个粒子还有一个速度以决定飞行

的距离和方向。这个速度根据它本身的飞行经验以及同伴的飞行经验进行动态调整。

 

在d维空间中，有m个粒子，在某一时刻时，

粒子i的位置为：

粒子i的速度为：

粒子i经过的历史最好位置：

种群所经过的历史最好位置：

PSO的关系公式

鸟在捕食的过程中会根据自己的经验以及鸟群中的其他鸟的位置决定自己的速度，根据当前的位置和速度，可以得到下一刻的位置，这样每只鸟通过向自己和鸟群学习不断的更新自己的速度位置，最终找到食物，或者离食物足够近的点。

 

t时刻到t+1时刻的速度：

下一时刻位置：

 

 

以求解函数最小值为例：

种群产生：随机产生处在[-10, 10]范围内的随机点，速度初始的为[0,1]

 在本例中，适应度就是函数值，适应度越小越好。在粒子群算法中，适应度不一定要越大越好，而是确定适应度的好坏，只需要根据是适应度好坏确定最佳位置。

 在迭代过程中，会有粒子跑出范围，在这种情况下，一般不强行将粒子重新拉回到初始化解空间。因为即使粒子跑出空间，随着迭代的进行，如果在初始化空间内有更好的解存在，那么粒子也可以自行返回到初始化空间。研究表明，即使将初始化空间不设为问题的约束空间，粒子也可能找到最优解

 

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt


class PSO(object):
    def __init__(self, population_size, max_steps):
        self.w = 0.6  # 惯性权重
        self.c1 = self.c2 = 2
        self.population_size = population_size  # 粒子群数量
        self.dim = 2  # 搜索空间的维度
        self.max_steps = max_steps  # 迭代次数
        self.x_bound = [-10, 10]  # 解空间范围
        self.x = np.random.uniform(self.x_bound[0], self.x_bound[1],
                                   (self.population_size, self.dim))  # 初始化粒子群位置
        self.v = np.random.rand(self.population_size, self.dim)  # 初始化粒子群速度
        fitness = self.calculate_fitness(self.x)
        self.p = self.x  # 个体的最佳位置
        self.pg = self.x[np.argmin(fitness)]  # 全局最佳位置
        self.individual_best_fitness = fitness  # 个体的最优适应度
        self.global_best_fitness = np.min(fitness)  # 全局最佳适应度

    def calculate_fitness(self, x):
        return np.sum(np.square(x), axis=1)

    def evolve(self):
        fig = plt.figure()
        for step in range(self.max_steps):
            r1 = np.random.rand(self.population_size, self.dim)
            r2 = np.random.rand(self.population_size, self.dim)
            # 更新速度和权重
            self.v = self.w*self.v+self.c1*r1*(self.p-self.x)+self.c2*r2*(self.pg-self.x)
            self.x = self.v + self.x
            plt.clf()
            plt.scatter(self.x[:, 0], self.x[:, 1], s=30, color='k')
            plt.xlim(self.x_bound[0], self.x_bound[1])
            plt.ylim(self.x_bound[0], self.x_bound[1])
            plt.pause(0.01)
            fitness = self.calculate_fitness(self.x)
            # 需要更新的个体
            update_id = np.greater(self.individual_best_fitness, fitness)
            self.p[update_id] = self.x[update_id]
            self.individual_best_fitness[update_id] = fitness[update_id]
            # 新一代出现了更小的fitness，所以更新全局最优fitness和位置
            if np.min(fitness) < self.global_best_fitness:
                self.pg = self.x[np.argmin(fitness)]
                self.global_best_fitness = np.min(fitness)
            print('best fitness: %.5f, mean fitness: %.5f' % (self.global_best_fitness, np.mean(fitness)))


pso = PSO(100, 100)
pso.evolve()
plt.show()