【智能算法】CSO蟑螂算法求解无约束多元函数最值(Java代码实现)

简介: 【智能算法】CSO蟑螂算法求解无约束多元函数最值(Java代码实现)

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前言

本文以求解二元函数最小值为例,如果需要求解多元函数,只需要修改以下变量即可:

  • varNum:变量维度数
  • ub和lb:变量的上下界
  • vMaxArr:每个维度的搜索速度限制

优化目标

目标:在变量区间范围最小化 Z = x^2 + y^2 - xy - 10x - 4y +60

求解结果

变量取值为:[8.00000005186109, 5.999999963566031]
最优解为:7.999999999999986

迭代结果可视化

这收敛速度也太快了,已经和SMO相当了!
在这里插入图片描述

算法流程图

在这里插入图片描述

Java代码

import java.util.Arrays;
import java.util.Random;

/**
 * @Author:WSKH
 * @ClassName:CSO_Solve
 * @ClassType:
 * @Description:
 * @Date:2022/6/8/18:26
 * @Email:1187560563@qq.com
 * @Blog:https://blog.csdn.net/weixin_51545953?type=blog
 */
public class CSO_Solve {

    // 蟑螂对象
    class Cockroach {
        // 当前蟑螂的坐标(自变量数组)
        double[] curVars;
        // 当前自变量对应的目标函数值
        double curObjValue;
        // 适应度(解决最小化问题,所以适应度为目标函数值的倒数)
        double fit;

        // 全参构造
        public Cockroach(double[] curVars, double curObjValue, double fit) {
            this.curVars = curVars;
            this.curObjValue = curObjValue;
            this.fit = fit;
        }
    }

    // 算法参数
    // 变量个数
    int varNum = 2;
    // 最大迭代次数
    int maxGen = 1000;
    // 蟑螂群中蟑螂的个数
    int cockroachNum = 500;
    // 视野
    double visual = 50;
    // 残忍行为次数
    int ruthlessBehaviorCnt = 1;
    // 分散行为次数
    int dispersingBehaviorCnt = 30;
    // 步长数组(各个维度的步长)
    double[] stepArr = new double[]{1.2, 1.2};
    // 变量的上下界
    double[] ub = new double[]{1000, 1000};
    double[] lb = new double[]{-1000, -1000};
    // 随机数对象
    Random random = new Random();
    // 蟑螂群
    Cockroach[] cockroaches;
    // 最佳的蟑螂
    Cockroach bestCockroach;
    // 记录迭代过程
    public double[][][] positionArr;
    // 当前记录的行数
    int r;

    // 求解主函数
    public void solve() {
        // 初始化蟑螂群
        initCockroaches();
        // 开始迭代
        for (int t = 0; t < maxGen; t++) {
            // 聚集行为
            ChaseSwarmingBehavior();
            report();
            // 分散行为
            DispersingBehavior();
            report();
            // 残忍行为
            RuthlessBehavior();
            report();
        }
        // 输出最好的结果
        System.out.println("变量取值为:" + Arrays.toString(bestCockroach.curVars));
        System.out.println("最优解为:" + bestCockroach.curObjValue);
    }

    // 聚集行为
    void ChaseSwarmingBehavior() {
        // 找到个体最优
        Cockroach[] localBestCockroaches = new Cockroach[cockroachNum];
        for (int i = 0; i < cockroaches.length; i++) {
            localBestCockroaches[i] = findLocalBestCockroach(i);
            if(bestCockroach.fit < cockroaches[i].fit){
                bestCockroach = copyCockroach(cockroaches[i]);
            }
        }
        for (int i = 0; i < cockroaches.length; i++) {
            // 说明当前蟑螂就是个体最优(或接近个体最优)
            if(Math.abs(localBestCockroaches[i].curObjValue-cockroaches[i].curObjValue) <= 0.00001){
                // 那就朝着全局最优靠近
                Cockroach tempCockroach = copyCockroach(cockroaches[i]);
                for (int m = 0; m < varNum; m++) {
                    moveCockroach(tempCockroach,m,stepArr[m]*(bestCockroach.curVars[m]-tempCockroach.curVars[m]));
                }
                tempCockroach.curObjValue = getObjValue(tempCockroach.curVars);
                tempCockroach.fit = 1/tempCockroach.curObjValue;
                if(tempCockroach.fit > cockroaches[i].fit){
                    cockroaches[i] = tempCockroach;
                }
            }else{
                // 朝着个体最优移动
                Cockroach tempCockroach = copyCockroach(cockroaches[i]);
                for (int m = 0; m < varNum; m++) {
                    moveCockroach(tempCockroach,m,stepArr[m]*(localBestCockroaches[i].curVars[m]-tempCockroach.curVars[m]));
                }
                tempCockroach.curObjValue = getObjValue(tempCockroach.curVars);
                tempCockroach.fit = 1/tempCockroach.curObjValue;
                if(tempCockroach.fit > cockroaches[i].fit){
                    cockroaches[i] = tempCockroach;
                }
            }
        }
    }

    // 分散行为
    void DispersingBehavior() {
        for (int i = 0; i < cockroaches.length; i++) {
            for (int j = 0; j < dispersingBehaviorCnt; j++) {
                Cockroach tempCockroach = copyCockroach(cockroaches[i]);
                for (int m = 0; m < varNum; m++) {
                    double move = stepArr[m] * (random.nextDouble()-0.5)*2;
                    moveCockroach(tempCockroach,m,move);
                }
                if(tempCockroach.fit > cockroaches[i].fit){
                    cockroaches[i] = tempCockroach;
                    if(tempCockroach.fit > bestCockroach.fit){
                        bestCockroach = copyCockroach(tempCockroach);
                    }
                }
            }
        }
    }

    // 残忍行为
    void RuthlessBehavior() {
        for (int i = 0; i < ruthlessBehaviorCnt; i++) {
            cockroaches[random.nextInt(cockroachNum)] = copyCockroach(bestCockroach);
        }
    }

    // 寻找个体最优蟑螂
    Cockroach findLocalBestCockroach(int j) {
        Cockroach localBest = copyCockroach(cockroaches[j]);
        for (int i = 0; i < cockroaches.length; i++) {
            if (i != j) {
                if (localBest.fit < cockroaches[i].fit && getDistance(cockroaches[j], cockroaches[i]) <= visual) {
                    localBest = copyCockroach(cockroaches[i]);
                }
            }
        }
        return localBest;
    }

    // 记录
    void report() {
        for (int i = 0; i < cockroaches.length; i++) {
            for (int j = 0; j < varNum; j++) {
                positionArr[r][i][j] = cockroaches[i].curVars[j];
            }
        }
        r++;
    }

    // 求两个蟑螂之间的距离
    double getDistance(Cockroach f1, Cockroach f2) {
        double dis = 0d;
        for (int i = 0; i < varNum; i++) {
            dis += Math.pow(f1.curVars[i] - f2.curVars[i], 2);
        }
        return Math.sqrt(dis);
    }

    // 初始化蟑螂群
    private void initCockroaches() {
        positionArr = new double[3 * maxGen][cockroachNum][varNum];
        cockroaches = new Cockroach[cockroachNum];
        for (int i = 0; i < cockroachNum; i++) {
            cockroaches[i] = getRandomCockroach();
            if (i == 0 || bestCockroach.fit < cockroaches[i].fit) {
                bestCockroach = copyCockroach(cockroaches[i]);
            }
        }
    }

    // 控制蟑螂在第m个维度上移动n个距离
    public void moveCockroach(Cockroach cockroach, int m, double n) {
        // 移动
        cockroach.curVars[m] += n;
        // 超出定义域的判断
        if (cockroach.curVars[m] < lb[m]) {
            cockroach.curVars[m] = lb[m];
        }
        if (cockroach.curVars[m] > ub[m]) {
            cockroach.curVars[m] = ub[m];
        }
    }

    // 获取一个随机生成的蟑螂
    Cockroach getRandomCockroach() {
        double[] vars = new double[varNum];
        for (int j = 0; j < vars.length; j++) {
            vars[j] = lb[j] + random.nextDouble() * (ub[j] - lb[j]);
        }
        double objValue = getObjValue(vars);
        return new Cockroach(vars.clone(), objValue, 1 / objValue);
    }

    /**
     * @param vars 自变量数组
     * @return 返回目标函数值
     */
    public double getObjValue(double[] vars) {
        //目标:在变量区间范围最小化 Z = x^2 + y^2 - xy - 10x - 4y +60
        return Math.pow(vars[0], 2) + Math.pow(vars[1], 2) - vars[0] * vars[1] - 10 * vars[0] - 4 * vars[1] + 60;
    }

    // 复制蟑螂
    Cockroach copyCockroach(Cockroach old) {
        return new Cockroach(old.curVars.clone(), old.curObjValue, old.fit);
    }

}

可视化代码

import javafx.animation.KeyFrame;
import javafx.animation.Timeline;
import javafx.application.Application;
import javafx.geometry.Pos;
import javafx.scene.Scene;
import javafx.scene.canvas.Canvas;
import javafx.scene.canvas.GraphicsContext;
import javafx.scene.control.Button;
import javafx.scene.input.MouseEvent;
import javafx.scene.layout.BorderPane;
import javafx.scene.layout.HBox;
import javafx.scene.paint.Color;
import javafx.stage.Stage;
import javafx.util.Duration;

/**
 * @Author:WSKH
 * @ClassName:PlotUtil
 * @ClassType:
 * @Description:
 * @Date:2022/6/6/18:31
 * @Email:1187560563@qq.com
 * @Blog:https://blog.csdn.net/weixin_51545953?type=blog
 */
public class PlotUtil extends Application {

    //当前的时间轴
    private Timeline nowTimeline;
    //绘图位置坐标
    private double[][][] positionArr;

    public static void main(String[] args) {
        launch(args);
    }

    @Override
    public void start(Stage primaryStage) throws Exception {

        // 调用算法获取绘图数据
        CSO_Solve solver = new CSO_Solve();
        solver.solve();
        positionArr = solver.positionArr;

        // 画图
        try {
            BorderPane root = new BorderPane();
            root.setStyle("-fx-padding: 20;");
            Scene scene = new Scene(root, 1600, 900);
            double canvasWid = 800;
            double canvasHei = 800;
            //根据画布大小缩放坐标值
            this.fixPosition(canvasWid - 100, canvasHei - 100);

            //画布和画笔
            HBox canvasHbox = new HBox();
            Canvas canvas = new Canvas();
            canvas.setWidth(canvasWid);
            canvas.setHeight(canvasHei);
            canvasHbox.setPrefWidth(canvasWid);
            canvasHbox.getChildren().add(canvas);
            canvasHbox.setAlignment(Pos.CENTER);
            canvasHbox.setStyle("-fx-spacing: 20;" +
                    "-fx-background-color: #87e775;");
            root.setTop(canvasHbox);
            GraphicsContext paintBrush = canvas.getGraphicsContext2D();

            //启动
            HBox hBox2 = new HBox();
            Button beginButton = new Button("播放迭代过程");
            hBox2.getChildren().add(beginButton);
            root.setBottom(hBox2);
            hBox2.setAlignment(Pos.CENTER);
            //启动仿真以及暂停仿真
            beginButton.addEventHandler(MouseEvent.MOUSE_CLICKED, event -> {
                nowTimeline.play();
            });

            //创建扫描线连接动画
            nowTimeline = new Timeline();
            createAnimation(paintBrush);

            primaryStage.setScene(scene);
            primaryStage.show();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 修正cityPositionArr的坐标,让画出来的点在画布内
     *
     * @param width
     * @param height
     */
    private void fixPosition(double width, double height) {
        double minX = Double.MAX_VALUE;
        double maxX = -Double.MAX_VALUE;
        double minY = Double.MAX_VALUE;
        double maxY = -Double.MAX_VALUE;

        for (int i = 0; i < this.positionArr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < this.positionArr[0].length; j++) {
                minX = Math.min(minX, this.positionArr[i][j][0]);
                maxX = Math.max(maxX, this.positionArr[i][j][0]);
                minY = Math.min(minY, this.positionArr[i][j][1]);
                maxY = Math.max(maxY, this.positionArr[i][j][1]);
            }
        }

        double multiple = Math.max((maxX - minX) / width, (maxY - minY) / height);

        //转化为正数数
        for (int i = 0; i < this.positionArr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < this.positionArr[0].length; j++) {
                if (minX < 0) {
                    this.positionArr[i][j][0] = this.positionArr[i][j][0] - minX;
                }
                if (minY < 0) {
                    this.positionArr[i][j][1] = this.positionArr[i][j][1] - minY;
                }
            }
        }

        for (int i = 0; i < this.positionArr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < this.positionArr[0].length; j++) {
                this.positionArr[i][j][0] = this.positionArr[i][j][0] / multiple;
                this.positionArr[i][j][1] = this.positionArr[i][j][1] / multiple;
            }
        }

    }

    /**
     * 用画笔在画布上画出所有的孔
     * 画第i代的所有粒子
     */
    private void drawAllCircle(GraphicsContext paintBrush, int i) {
        paintBrush.clearRect(0, 0, 2000, 2000);
        paintBrush.setFill(Color.RED);
        for (int j = 0; j < this.positionArr[i].length; j++) {
            drawCircle(paintBrush, i, j);
        }
    }

    /**
     * 用画笔在画布上画出一个孔
     * 画第i代的第j个粒子
     */
    private void drawCircle(GraphicsContext paintBrush, int i, int j) {
        double x = this.positionArr[i][j][0];
        double y = this.positionArr[i][j][1];
        double radius = 2;
        // 圆的直径
        double diameter = radius * 2;
        paintBrush.fillOval(x, y, diameter, diameter);
    }

    /**
     * 创建动画
     */
    private void createAnimation(GraphicsContext paintBrush) {
        for (int i = 0; i < this.positionArr[0].length; i++) {
            int finalI = i;
            KeyFrame keyFrame = new KeyFrame(Duration.seconds(i * 0.05), event -> drawAllCircle(paintBrush, finalI));
            nowTimeline.getKeyFrames().add(keyFrame);
        }
    }

}
相关实践学习
部署高可用架构
本场景主要介绍如何使用云服务器ECS、负载均衡SLB、云数据库RDS和数据传输服务产品来部署多可用区高可用架构。
负载均衡入门与产品使用指南
负载均衡(Server Load Balancer)是对多台云服务器进行流量分发的负载均衡服务,可以通过流量分发扩展应用系统对外的服务能力,通过消除单点故障提升应用系统的可用性。 本课程主要介绍负载均衡的相关技术以及阿里云负载均衡产品的使用方法。
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