智能优化算法:金豺优化算法- 附代码

智能优化算法:金豺优化算法

1.金豺优化算法简介

金豺优化(Golden jackal optimization,GJO)算法是2022年提出的一种新的元启发式算法,该算法是一种模仿金豺的合作狩猎行为的新型智能优化算法。GJO算法包括三个基本步骤是搜索猎物、包围猎物和攻击猎物。

2.金豺优化算法基本原理

2.1灵感来源

金豺狩猎过程主要分为三个基本阶段:

(1)搜索猎物,并逼近猎物;

(2)包围猎物,并刺激猎物直到它们停止运动;

(3)攻击猎物。

2.2 数学模型与算法

2.2.1 搜索空间模型

金豺种群初始化数学描述如下:
Y 0 = Y min ⁡ + rand ⁡ × ( Y max ⁡ − Y min ⁡ ) (1) Y_{0}=Y_{\min }+\operatorname{rand} \times\left(Y_{\max }-Y_{\min }\right) \tag{1} Y0=Ymin+rand×(YmaxYmin)(1)
式中: Y 0 Y_0 Y0为初始金豺种群的位置;是 r a n d rand rand[0,1]范围内的随机数; Y m a x Y_{max} Ymax Y m i n Y_{min} Ymin分别是求解问题的上下边界。

在GJO算法中,猎物矩阵表示为:
 Prey  = [ Y 1 , 1 ⋯ Y 1 , j ⋯ Y 1 , d ⋮ ⋱ ⋮ ⋮ Y i , 1 ⋯ Y i , j ⋯ Y i , d ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ Y n , 1 ⋯ Y n , j ⋯ Y n , d ] (2) \text { Prey }=\left[\begin{array}{ccccc} Y_{1,1} & \cdots & Y_{1, j} & \cdots & Y_{1, d} \\ \vdots & \ddots & \vdots & & \vdots \\ Y_{i, 1} & \cdots & Y_{i, j} & \cdots & Y_{i, d} \\ \vdots & & \vdots & \ddots & \vdots \\ Y_{n, 1} & \cdots & Y_{n, j} & \cdots & Y_{n, d} \end{array}\right] \tag{2}  Prey =Y1,1Yi,1Yn,1Y1,jYi,jYn,jY1,dYi,dYn,d(2)

式中: P r e y Prey Prey为猎物矩阵; Y i , j Y_{i,j} Yi,j为第 i i i个猎物的第 j j j维位置;中第1和 P r e y Prey Prey第2的胜者一起作为豺狼对;n为猎物的数量;d为问题求解的维度。

在优化过程中,采用适应度(目标)函数估计每个猎物的适应度值,所有猎物的适应度值矩阵表示如下:
F O A = [ f ( Y 1 , 1 ; Y 1 , 2 ; ⋯   ; Y 1 , d ) f ( Y 2 , 1 ; Y 2 , 1 ; ⋯   ; Y 2 , d ) ⋮ f ( Y n , 1 ; Y n , 2 ; ⋯   ; Y n , d ) ] (3) F_{O A}=\left[\begin{array}{c} f\left(Y_{1,1} ; Y_{1,2} ; \cdots ; Y_{1, d}\right) \\ f\left(Y_{2,1} ; Y_{2,1} ; \cdots ; Y_{2, d}\right) \\ \vdots \\ f\left(Y_{n, 1} ; Y_{n, 2} ; \cdots ; Y_{n, d}\right) \end{array}\right] \tag{3} FOA=f(Y1,1;Y1,2;;Y1,d)f(Y2,1;Y2,1;;Y2,d)f(Yn,1;Yn,2;;Yn,d)(3)

式中: F O A F_{OA} FOA为猎物的适应度值矩阵; f ( ) f() f()为适应度函数或目标函数;适应度值最优的作为雄豺,适应度值次优的作为雌豺。豺狼对得到相应猎物的位置。

2.2.2 搜索猎物(勘探阶段)

正如豺狼的本性,它们知道如何感知并跟随猎物,但偶尔猎物不会轻易被抓住从而逃脱。因此,豺狼就会等待和寻找其他的猎物。狩猎工作由雄性豺狼领导。雌性豺狼跟随雄性豺狼。
Y 1 ( t ) = Y M ( t ) − E ⋅ ∣ Y M ( t ) − r l ⋅ Prey ⁡ ( t ) ∣ (4) Y_{1}(t)=Y_{M}(t)-E \cdot\left|Y_{M}(t)-r l \cdot \operatorname{Prey}(t)\right| \tag{4} Y1(t)=YM(t)EYM(t)rlPrey(t)(4)

Y 2 ( t ) = Y F M ( t ) − E ⋅ ∣ Y F M ( t ) − r l ⋅ Prey ⁡ ( t ) ∣ (5) Y_{2}(t)=Y_{F M}(t)-E \cdot\left|Y_{F M}(t)-r l \cdot \operatorname{Prey}(t)\right| \tag{5} Y2(t)=YFM(t)EYFM(t)rlPrey(t)(5)

式中: t t t为当前迭代次数; P r e y ( t ) Prey(t) Prey(t)为第 t t t次迭代的猎物的位置; Y M ( t ) , Y F M ( t ) Y_M(t),Y_{FM}(t) YM(t),YFM(t)分别为第 t t t次迭代的雄性豺狼和雌性豺狼的位置; Y 1 ( t ) , Y 2 ( t ) Y_1(t),Y_2(t) Y1(t),Y2(t)分别为第 t t t次迭代的与猎物相应的雄性豺狼和雌性豺狼更新后的位置。

E E E为猎物的逃脱能量,可用如下公式计算:
E = E 1 ∗ E 0 (6) E=E1*E_0 \tag{6} E=E1E0(6)
E 1 E_1 E1表示猎物能量的下降过程, E 0 E_0 E0表示猎物能量的初始状态。
E 0 = 2 ∗ r − 1 (7) E_0=2*r-1 \tag{7} E0=2r1(7)
式中:r为[0,1]范围内的随机数。
E 1 = c 1 ∗ ( 1 − ( t / T ) ) (8) E_1=c_1*(1-(t/T))\tag{8} E1=c1(1(t/T))(8)
式中: T T T为最大迭代次数; c 1 c_1 c1为一个常数,取值为1.5; t t t为当前迭代次数。在整个迭代过程中, E 1 E_1 E1从1.5线性减少到0。

在公式(4)和(5)中, r l rl rl表示一个基于莱维分布的随机数,可用如下公式计算:
r l = 0.05 ∗ L F ( y ) (9) rl=0.05*LF(y)\tag{9} rl=0.05LF(y)(9)
L F ( ) LF() LF()是莱维飞行函数,其计算方法如下:
L F ( y ) = 0.01 × ( μ × σ ) / ( ∣ v ( 1 / β ) ∣ ) ; σ = ( Γ ( 1 + β ) × sin ⁡ ( π β / 2 ) Γ ( 1 + β 2 ) × β × ( 2 β − 1 2 ) ) 1 / β (10) L F(y)=0.01 \times(\mu \times \sigma) /\left(\left|v^{(1 / \beta)}\right|\right) ; \sigma=\left(\frac{\Gamma(1+\beta) \times \sin (\pi \beta / 2)}{\Gamma\left(\frac{1+\beta}{2}\right) \times \beta \times\left(2^{\frac{\beta-1}{2}}\right)}\right)^{1 / \beta}\tag{10} LF(y)=0.01×(μ×σ)/(v(1/β));σ=Γ(21+β)×β×(22β1)Γ(1+β)×sin(πβ/2)1/β(10)
式中: μ \mu μ v v v为(0,1)范围内的随机数; β \beta β为一个默认常数,取值为1.5。

综上,豺狼的位置更新公式如下:
Y ( t + 1 ) = Y 1 ( t ) + Y 2 ( t ) 2 (11) Y(t+1)=\frac{Y_{1}(t)+Y_{2}(t)}{2} \tag{11} Y(t+1)=2Y1(t)+Y2(t)(11)

式中: Y ( t + 1 ) Y(t+1) Y(t+1)为第t+1次迭代后的豺狼的位置。

2.2.3 包围并攻击猎物(开发阶段)

当猎物被豺狼侵扰时,它们的逃脱能量会减少,然后豺狼对会将在前一阶段检测到的猎物包围起来。当豺狼对将猎物包围后,开始攻击并吞食猎物。雄性和雌性豺狼一起捕猎的行为的数学模型如下:
Y 1 ( t ) = Y M ( t ) − E ⋅ ∣ r l ⋅ Y M ( t ) − Prey ⁡ ( t ) ∣ (12) Y_{1}(t)=Y_{M}(t)-E \cdot\left|r l \cdot Y_{M}(t)-\operatorname{Prey}(t)\right| \tag{12} Y1(t)=YM(t)ErlYM(t)Prey(t)(12)

Y 2 ( t ) = Y F M ( t ) − E ⋅ ∣ r l ⋅ Y F M ( t ) − Prey ⁡ ( t ) ∣ (13) Y_{2}(t)=Y_{F M}(t)-E \cdot\left|r l \cdot Y_{F M}(t)-\operatorname{Prey}(t)\right| \tag{13} Y2(t)=YFM(t)ErlYFM(t)Prey(t)(13)

式中: t t t为当前迭代次数; P r e y ( t ) Prey(t) Prey(t)为第 t t t次迭代的猎物的位置; Y M ( t ) , Y F M ( t ) Y_M(t),Y_{FM}(t) YM(t),YFM(t)分别为第 t t t次迭代的雄性豺狼和雌性豺狼的位置;; Y 1 ( t ) , Y 2 ( t ) Y_1(t),Y_2(t) Y1(t),Y2(t)分别为第 t t t次迭代的与猎物相应的雄性豺狼和雌性豺狼更新后的位置。

最后,豺狼的位置更新仍然按照公式(11)计算。

算法伪代码如下:
智能优化算法:金豺优化算法- 附代码_第1张图片

3.实验结果

智能优化算法:金豺优化算法- 附代码_第2张图片

4.参考文献

[1] Nc A , Mma B . Golden Jackal Optimization: A Novel Nature-Inspired Optimizer for Engineering Applications. 2022.

5.Matlab代码

你可能感兴趣的:(智能优化算法,算法,机器学习,线性代数)