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NSGA2算法MATLAB实现(能够自定义优化函数)

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发表于 2020-11-3 14:31 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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x

* i! _( b+ Q* G6 {3 ~) Q! TNSGA2的算法不具有普遍性,下面参考课国外的课题小组的代码重新修改了内部冗余内容,使之能够自定义优化函数。, `/ Y/ o0 c# G! e+ F# n
" O) v6 L1 K: c: A- d) M

6 u0 N1 D9 s' Q) |
% _8 }& z. D/ u  fNSGA2的过程为:" U2 F( j! A3 C2 U4 i. E+ _* r0 D; }
& _' J, K) D; S* H+ Y  j5 g- b
1、随机产生一个初始父代Po,在此基础上采用二元锦标赛选择、交叉和变异操作产生子代Qo, Po 和Qo群体规模均为N9 ~2 i: i% S$ o" a' y$ p2 ~

- w! _* N) W4 |3 v( o2、将Pt和Qt并入到Rt中(初始时t=0),对Rt进行快速非支配解排序,构造其所有不同等级的非支配解集F1、F2……..
3 _" p) f# K/ r1 {, b. `- o) i) Q6 a: x
3、按照需要计算Fi中所有个体的拥挤距离,并根据拥挤比较运算符构造Pt+1,直至Pt+1规模为N,图中的Fi为F3
, T0 H8 b0 O% b  [7 k; \6 Q
1 c  j$ ?4 F$ Q7 {; o' a
& `) p& l: v. A; u! q( }3 b0 [, M$ ]" Z& y/ J7 s, A
下面是完整版的代码:' ]$ F+ y* u) x$ w  P

2 ]' T3 y% w8 x& I①nsga2-optimization.m, \2 D) Q8 r- j8 Q" r

# [+ o4 O7 C6 v' k; b
  • function nsga_2_optimization
  • %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  • %此处可以更改
  • %更多机器学习内容请访问omegaxyz.com
  • pop = 500; %种群数量
  • gen = 500; %迭代次数
  • M = 2; %目标数量
  • V = 30; %维度
  • min_range = zeros(1, V); %下界
  • max_range = ones(1,V); %上界
  • %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  • chromosome = initialize_variables(pop, M, V, min_range, max_range);
  • chromosome = non_domination_sort_mod(chromosome, M, V);
  • for i = 1 : gen
  •     pool = round(pop/2);
  •     tour = 2;
  •     parent_chromosome = tournament_selection(chromosome, pool, tour);
  •     mu = 20;
  •     mum = 20;
  •     offspring_chromosome = genetic_operator(parent_chromosome,M, V, mu, mum, min_range, max_range);
  •     [main_pop,~] = size(chromosome);
  •     [offspring_pop,~] = size(offspring_chromosome);
  •     clear temp
  •     intermediate_chromosome(1:main_pop,:) = chromosome;
  •     intermediate_chromosome(main_pop + 1 : main_pop + offspring_pop,1 : M+V) = offspring_chromosome;
  •     intermediate_chromosome = non_domination_sort_mod(intermediate_chromosome, M, V);
  •     chromosome = replace_chromosome(intermediate_chromosome, M, V, pop);
  •     if ~mod(i,100)
  •         clc;
  •         fprintf('%d generations completed\n',i);
  •     end
  • end
  • if M == 2
  •     plot(chromosome(:,V + 1),chromosome(:,V + 2),'*');
  •     xlabel('f_1'); ylabel('f_2');
  •     title('Pareto Optimal Front');
  • elseif M == 3
  •     plot3(chromosome(:,V + 1),chromosome(:,V + 2),chromosome(:,V + 3),'*');
  •     xlabel('f_1'); ylabel('f_2'); zlabel('f_3');
  •     title('Pareto Optimal SuRFace');
  • end
    $ E1 Z# v7 R* K

0 ~& K; O$ F9 u$ J  @: c2 e  ^( G: O
      ②initialize_variables.m# I/ t9 v8 Z) o4 L1 A& i- j

" D" I1 Y* z8 g* s0 }
  • function f = initialize_variables(N, M, V, min_range, max_range)
  • min = min_range;
  • max = max_range;
  • K = M + V;
  • for i = 1 : N
  •     for j = 1 : V
  •         f(i,j) = min(j) + (max(j) - min(j))*rand(1);
  •     end
  •     f(i,V + 1: K) = evaluate_objective(f(i,:), M, V);
  • end
    ' V7 o; A& d. B+ K! A

' {3 M9 {( h) k& i# M1 {1 H% m
7 U- g7 L- j) H. x$ h  j- K③non_domination_sort_mod.m
& C: |) R" s: X' ]0 Y& P
! L/ s: I. G6 n7 W+ \& |
  • function f = non_domination_sort_mod(x, M, V)
  • [N, ~] = size(x);
  • clear m
  • front = 1;
  • F(front).f = [];
  • individual = [];
  • for i = 1 : N
  •     individual(i).n = 0;
  •     individual(i).p = [];
  •     for j = 1 : N
  •         dom_less = 0;
  •         dom_equal = 0;
  •         dom_more = 0;
  •         for k = 1 : M
  •             if (x(i,V + k) < x(j,V + k))
  •                 dom_less = dom_less + 1;
  •             elseif (x(i,V + k) == x(j,V + k))
  •                 dom_equal = dom_equal + 1;
  •             else
  •                 dom_more = dom_more + 1;
  •             end
  •         end
  •         if dom_less == 0 && dom_equal ~= M
  •             individual(i).n = individual(i).n + 1;
  •         elseif dom_more == 0 && dom_equal ~= M
  •             individual(i).p = [individual(i).p j];
  •         end
  •     end
  •     if individual(i).n == 0
  •         x(i,M + V + 1) = 1;
  •         F(front).f = [F(front).f i];
  •     end
  • end
  • while ~isempty(F(front).f)
  •    Q = [];
  •    for i = 1 : length(F(front).f)
  •        if ~isempty(individual(F(front).f(i)).p)
  •                 for j = 1 : length(individual(F(front).f(i)).p)
  •                     individual(individual(F(front).f(i)).p(j)).n = ...
  •                         individual(individual(F(front).f(i)).p(j)).n - 1;
  •                            if individual(individual(F(front).f(i)).p(j)).n == 0
  •                                x(individual(F(front).f(i)).p(j),M + V + 1) = ...
  •                         front + 1;
  •                     Q = [Q individual(F(front).f(i)).p(j)];
  •                 end
  •             end
  •        end
  •    end
  •    front =  front + 1;
  •    F(front).f = Q;
  • end
  • [temp,index_of_fronts] = sort(x(:,M + V + 1));
  • for i = 1 : length(index_of_fronts)
  •     sorted_based_on_front(i,:) = x(index_of_fronts(i),:);
  • end
  • current_index = 0;
  • %% Crowding distance
  • for front = 1 : (length(F) - 1)
  •     distance = 0;
  •     y = [];
  •     previous_index = current_index + 1;
  •     for i = 1 : length(F(front).f)
  •         y(i,:) = sorted_based_on_front(current_index + i,:);
  •     end
  •     current_index = current_index + i;
  •     sorted_based_on_objective = [];
  •     for i = 1 : M
  •         [sorted_based_on_objective, index_of_objectives] = ...
  •             sort(y(:,V + i));
  •         sorted_based_on_objective = [];
  •         for j = 1 : length(index_of_objectives)
  •             sorted_based_on_objective(j,:) = y(index_of_objectives(j),:);
  •         end
  •         f_max = ...
  •             sorted_based_on_objective(length(index_of_objectives), V + i);
  •         f_min = sorted_based_on_objective(1, V + i);
  •         y(index_of_objectives(length(index_of_objectives)),M + V + 1 + i)...
  •             = Inf;
  •         y(index_of_objectives(1),M + V + 1 + i) = Inf;
  •          for j = 2 : length(index_of_objectives) - 1
  •             next_obj  = sorted_based_on_objective(j + 1,V + i);
  •             previous_obj  = sorted_based_on_objective(j - 1,V + i);
  •             if (f_max - f_min == 0)
  •                 y(index_of_objectives(j),M + V + 1 + i) = Inf;
  •             else
  •                 y(index_of_objectives(j),M + V + 1 + i) = ...
  •                      (next_obj - previous_obj)/(f_max - f_min);
  •             end
  •          end
  •     end
  •     distance = [];
  •     distance(:,1) = zeros(length(F(front).f),1);
  •     for i = 1 : M
  •         distance(:,1) = distance(:,1) + y(:,M + V + 1 + i);
  •     end
  •     y(:,M + V + 2) = distance;
  •     y = y(:,1 : M + V + 2);
  •     z(previous_index:current_index,:) = y;
  • end
  • f = z();" _4 ?7 o* W) ^$ K
6 W2 j$ r; d( \- }

3 p9 o  @. i! y/ ]8 Q+ a) l      ④tournament_selection.m& z) n2 b4 a, L% _* r1 @. E8 j9 C
  • function f = tournament_selection(chromosome, pool_size, tour_size)
  • [pop, variables] = size(chromosome);
  • rank = variables - 1;
  • distance = variables;
  • for i = 1 : pool_size
  •     for j = 1 : tour_size
  •         candidate(j) = round(pop*rand(1));
  •         if candidate(j) == 0
  •             candidate(j) = 1;
  •         end
  •         if j > 1
  •             while ~isempty(find(candidate(1 : j - 1) == candidate(j)))
  •                 candidate(j) = round(pop*rand(1));
  •                 if candidate(j) == 0
  •                     candidate(j) = 1;
  •                 end
  •             end
  •         end
  •     end
  •     for j = 1 : tour_size
  •         c_obj_rank(j) = chromosome(candidate(j),rank);
  •         c_obj_distance(j) = chromosome(candidate(j),distance);
  •     end
  •     min_candidate = ...
  •         find(c_obj_rank == min(c_obj_rank));
  •     if length(min_candidate) ~= 1
  •         max_candidate = ...
  •         find(c_obj_distance(min_candidate) == max(c_obj_distance(min_candidate)));
  •         if length(max_candidate) ~= 1
  •             max_candidate = max_candidate(1);
  •         end
  •         f(i,:) = chromosome(candidate(min_candidate(max_candidate)),:);
  •     else
  •         f(i,:) = chromosome(candidate(min_candidate(1)),:);
  •     end
  • end
    + W( a9 L* _7 U4 h  X! T7 L
9 u$ T1 U% v: o. w  o, \8 Q  Z

3 L, o- a2 d0 l8 v) F2 u1 D⑤genetic_operator.m9 ?( O$ V; F( z3 q
5 c8 i9 V+ ^, b6 [  F/ P# p; F7 B
  • function f  = genetic_operator(parent_chromosome, M, V, mu, mum, l_limit, u_limit)
  • [N,m] = size(parent_chromosome);
  • clear m
  • p = 1;
  • was_crossover = 0;
  • was_mutation = 0;
  • for i = 1 : N
  •     % With 90 % probability perform crossover
  •     if rand(1) < 0.9
  •         % Initialize the children to be null vector.
  •         child_1 = [];
  •         child_2 = [];
  •         % Select the first parent
  •         parent_1 = round(N*rand(1));
  •         if parent_1 < 1
  •             parent_1 = 1;
  •         end
  •         % Select the second parent
  •         parent_2 = round(N*rand(1));
  •         if parent_2 < 1
  •             parent_2 = 1;
  •         end
  •         % Make sure both the parents are not the same.
  •         while isequal(parent_chromosome(parent_1,:),parent_chromosome(parent_2,:))
  •             parent_2 = round(N*rand(1));
  •             if parent_2 < 1
  •                 parent_2 = 1;
  •             end
  •         end
  •         % Get the chromosome information for each randomnly selected
  •         % parents
  •         parent_1 = parent_chromosome(parent_1,:);
  •         parent_2 = parent_chromosome(parent_2,:);
  •         % Perform corssover for each decision variable in the chromosome.
  •         for j = 1 : V
  •             % SBX (Simulated Binary Crossover).
  •             % For more information about SBX refer the enclosed pdf file.
  •             % Generate a random number
  •             u(j) = rand(1);
  •             if u(j) <= 0.5
  •                 bq(j) = (2*u(j))^(1/(mu+1));
  •             else
  •                 bq(j) = (1/(2*(1 - u(j))))^(1/(mu+1));
  •             end
  •             % Generate the jth element of first child
  •             child_1(j) = ...
  •                 0.5*(((1 + bq(j))*parent_1(j)) + (1 - bq(j))*parent_2(j));
  •             % Generate the jth element of second child
  •             child_2(j) = ...
  •                 0.5*(((1 - bq(j))*parent_1(j)) + (1 + bq(j))*parent_2(j));
  •             % Make sure that the generated element is within the specified
  •             % decision space else set it to the appropriate extrema.
  •             if child_1(j) > u_limit(j)
  •                 child_1(j) = u_limit(j);
  •             elseif child_1(j) < l_limit(j)
  •                 child_1(j) = l_limit(j);
  •             end
  •             if child_2(j) > u_limit(j)
  •                 child_2(j) = u_limit(j);
  •             elseif child_2(j) < l_limit(j)
  •                 child_2(j) = l_limit(j);
  •             end
  •         end
  •         child_1(:,V + 1: M + V) = evaluate_objective(child_1, M, V);
  •         child_2(:,V + 1: M + V) = evaluate_objective(child_2, M, V);
  •         was_crossover = 1;
  •         was_mutation = 0;
  •     % With 10 % probability perform mutation. Mutation is based on
  •     % polynomial mutation.
  •     else
  •         % Select at random the parent.
  •         parent_3 = round(N*rand(1));
  •         if parent_3 < 1
  •             parent_3 = 1;
  •         end
  •         % Get the chromosome information for the randomnly selected parent.
  •         child_3 = parent_chromosome(parent_3,:);
  •         % Perform mutation on eact element of the selected parent.
  •         for j = 1 : V
  •            r(j) = rand(1);
  •            if r(j) < 0.5
  •                delta(j) = (2*r(j))^(1/(mum+1)) - 1;
  •            else
  •                delta(j) = 1 - (2*(1 - r(j)))^(1/(mum+1));
  •            end
  •            % Generate the corresponding child element.
  •            child_3(j) = child_3(j) + delta(j);
  •            % Make sure that the generated element is within the decision
  •            % space.
  •            if child_3(j) > u_limit(j)
  •                child_3(j) = u_limit(j);
  •            elseif child_3(j) < l_limit(j)
  •                child_3(j) = l_limit(j);
  •            end
  •         end
  •         child_3(:,V + 1: M + V) = evaluate_objective(child_3, M, V);
  •         % Set the mutation flag
  •         was_mutation = 1;
  •         was_crossover = 0;
  •     end
  •     if was_crossover
  •         child(p,:) = child_1;
  •         child(p+1,:) = child_2;
  •         was_cossover = 0;
  •         p = p + 2;
  •     elseif was_mutation
  •         child(p,:) = child_3(1,1 : M + V);
  •         was_mutation = 0;
  •         p = p + 1;
  •     end
  • end
  • f = child;
    * ^- [; W0 K" v! [7 Z

+ j% ]2 x9 d/ @
- C9 y" i4 n0 g1 J  D   ⑥replace_chromosome.m% c+ G1 Z5 h6 K; r

/ S* L& P3 O$ [
  • function f  = replace_chromosome(intermediate_chromosome, M, V,pop)
  • [N, m] = size(intermediate_chromosome);
  • % Get the index for the population sort based on the rank
  • [temp,index] = sort(intermediate_chromosome(:,M + V + 1));
  • clear temp m
  • % Now sort the individuals based on the index
  • for i = 1 : N
  •     sorted_chromosome(i,:) = intermediate_chromosome(index(i),:);
  • end
  • % Find the maximum rank in the current population
  • max_rank = max(intermediate_chromosome(:,M + V + 1));
  • % Start adding each front based on rank and crowing distance until the
  • % whole population is filled.
  • previous_index = 0;
  • for i = 1 : max_rank
  •     % Get the index for current rank i.e the last the last element in the
  •     % sorted_chromosome with rank i.
  •     current_index = max(find(sorted_chromosome(:,M + V + 1) == i));
  •     % Check to see if the population is filled if all the individuals with
  •     % rank i is added to the population.
  •     if current_index > pop
  •         % If so then find the number of individuals with in with current
  •         % rank i.
  •         remaining = pop - previous_index;
  •         % Get information about the individuals in the current rank i.
  •         temp_pop = ...
  •             sorted_chromosome(previous_index + 1 : current_index, :);
  •         % Sort the individuals with rank i in the descending order based on
  •         % the crowding distance.
  •         [temp_sort,temp_sort_index] = ...
  •             sort(temp_pop(:, M + V + 2),'descend');
  •         % Start filling individuals into the population in descending order
  •         % until the population is filled.
  •         for j = 1 : remaining
  •             f(previous_index + j,:) = temp_pop(temp_sort_index(j),:);
  •         end
  •         return;
  •     elseif current_index < pop
  •         % Add all the individuals with rank i into the population.
  •         f(previous_index + 1 : current_index, :) = ...
  •             sorted_chromosome(previous_index + 1 : current_index, :);
  •     else
  •         % Add all the individuals with rank i into the population.
  •         f(previous_index + 1 : current_index, :) = ...
  •             sorted_chromosome(previous_index + 1 : current_index, :);
  •         return;
  •     end
  •     % Get the index for the last added individual.
  •     previous_index = current_index;
  • end
    # N: J" x# R7 W8 ?

8 @( X2 j: w6 P2 ], r. c* j
# Y6 ~* K; W, V            ⑦自定义评价函数(我选用的ZDT1函数)0 f6 l. A6 Q, k& f

: h* J) G/ |3 J" g) o8 l
  • function f = evaluate_objective(x, M, V)
  • f = [];
  • f(1) = x(1);
  • g = 1;
  • sum = 0;
  • for i = 2:V
  •     sum = sum + x(i);
  • end
  • g = g + 9*sum / (V-1));
  • f(2) = g * (1 - sqrt(x(1) / g));
  • end
    * L3 m) \/ O/ T# B) U9 `
$ T/ e3 p1 |" d( Z  b9 b
2 U1 r: L; K, R1 ~
500个种群运行500代的结果:
0 M" R! C& B) l" U$ B7 ^  N2 n6 l3 E5 x; w- L$ s) |$ Y
) W0 h: T4 C- U6 ~

/ F$ c+ P& o! ]  S: z3 _4 f/ v , [3 N1 e: Y) ^

: m! y' \1 O4 ]4 B# H" G2 ]) L
$ k- c) D4 |! f$ }2 d

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