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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
+ X( E# Z& Q( Q7 Y& Y, V* u8 {4 f
NSGA2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。
+ |; m: T1 e  J9 S/ P% P* {( H. G5 r, i
# L/ f' T" M. T/ H
) V) x& U$ b. g* V
7 L$ L' p, R  s* I. C, eNSGA2的过程为:" l* b8 ~8 l3 U- V/ v( w& M
7 B: `# b& F5 a1 @/ {) \
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N
7 `, c: g3 y0 c7 ~5 @! c$ c' r' |+ `6 S) U' q  }9 `
2、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……..5 u3 {8 }$ g  o3 O! @

& h& x* H  f# j' R3、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
( r9 i7 N$ g0 K9 e' M3 m& t0 T8 U6 m' U: H2 P% Z1 x

0 K+ z) e1 |0 K$ h/ ^3 k5 U" w
4 j+ a. f! Z$ i下面是完整版的代码:# ~; O3 f$ H% w; |7 f( h6 f5 z% c

0 _$ x6 ~: ?# ~9 U1 B①nsga2-optimization.m) D6 n: U' y# s0 r
; @0 F* n' S+ G# L3 a2 F
  • 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- v% o* f" L5 @0 e* H

. U$ I, O& Y# R+ ^( n4 @5 A# C- N; }7 x$ d8 s
      ②initialize_variables.m
/ D  v% q) F- b! S: G
/ w' |' U! ~* v9 A' \+ s0 m* B2 y
  • 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
    " q- Y, K( |3 F3 S, Z2 u

# ?/ J3 i8 M, g
; ?; h$ @9 k& _+ k% j③non_domination_sort_mod.m
# ]% k, Z3 X! f7 s  E
) e0 {8 h; b0 E1 |- i  K
  • 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();
    & @& ~$ Q' X' r; P

9 K1 g" d  X) R) I
' Z! U9 \1 o2 m8 h5 T      ④tournament_selection.m
0 P4 \/ k" R% X. T) k
  • 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
  • end0 q9 f1 H$ i- w

$ e# l+ N% v" d7 k! P6 Y+ p4 n% ~4 n7 _7 F, o9 o$ C
⑤genetic_operator.m
" [, P) ^% D% B- a& a/ d& F4 l- p
  • 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;6 I/ n$ ?) H: ]1 S% V8 q9 |

4 F2 I- o1 u8 t& s( m! p. q- X' Y
   ⑥replace_chromosome.m9 x. C8 m7 U8 j- u+ X$ @6 b: Q

( D8 u1 S8 q' M" M  {
  • 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
    ' |) }- p( h" K! L3 b6 n5 T' k7 a

' s8 g. [! }) H& X
5 l( `( j6 t' u% M            ⑦自定义评价函数(我选用的ZDT1函数)* e# w9 v. p* p! Y5 g: m  p+ t0 b
) K& I6 L( ^" f% b
  • 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% a! y- t  f( o  o: t3 t# n; {
5 M2 b( Z! @3 r" O$ V2 ?

9 e0 k" l( C4 a8 S3 h5 x& F; E6 ]500个种群运行500代的结果:
1 a  Y4 G) A% y: p* J9 o1 E% b0 {% A; G* G

9 [" I5 Y* T5 X" n  W, L3 P% O2 O9 j9 H
3 i& b+ y) |. ~- i  d6 |
! _8 v1 v/ `" q& o8 T: t
# }" [4 M, R+ X: T6 O6 k

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