湘潭大学-人工智能课件-群智能优秀PPT.ppt
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1、Artificial Intelligence(AI)人工智能人工智能第九章:群智第九章:群智能系统能系统内容提要第九章:群智能系统第九章:群智能系统1.1.粒子群优化算法粒子群优化算法2.2.蚁群算法蚁群算法内容提要第九章:群智能系统第九章:群智能系统1.1.粒子群优化算法粒子群优化算法2.2.蚁群算法蚁群算法n描述描述n 群智能作为一种新兴的演化计算技术已成为探讨群智能作为一种新兴的演化计算技术已成为探讨焦点,它与人工生命,特殊是进化策略以及遗传算焦点,它与人工生命,特殊是进化策略以及遗传算法有着极为特殊的关系。法有着极为特殊的关系。n特性特性n 指无智能的主体通过合作表现出智能行为的特性
2、,指无智能的主体通过合作表现出智能行为的特性,在没有集中限制且不供应全局模型的前提下,为找在没有集中限制且不供应全局模型的前提下,为找寻困难的分布式问题求解方案供应了基础。寻困难的分布式问题求解方案供应了基础。群智能n优点优点n 敏捷性:群体可以适应随时变更的环境;敏捷性:群体可以适应随时变更的环境;稳健性:即使个体失败,整个群体仍能完成任务;稳健性:即使个体失败,整个群体仍能完成任务;n 自我组织:活动既不受中心限制,也不受局部监自我组织:活动既不受中心限制,也不受局部监管。管。n典型算法典型算法n 蚁群算法(蚂蚁觅食)蚁群算法(蚂蚁觅食)n 粒子群算法(鸟群捕食)粒子群算法(鸟群捕食)群智
3、能粒子群算法原理vv粒子群算法(粒子群算法(粒子群算法(粒子群算法(PSOPSOPSOPSO)粒子群算法原理vv粒子群算法(粒子群算法(粒子群算法(粒子群算法(PSOPSOPSOPSO)粒子群算法原理vv粒子群算法(粒子群算法(粒子群算法(粒子群算法(PSOPSOPSOPSO)粒子群算法原理vv粒子群算法(粒子群算法(粒子群算法(粒子群算法(PSOPSOPSOPSO)n由由James Kenney(社会心理学博士)和(社会心理学博士)和Russ Eberhart(电子工程学博士,(电子工程学博士,:/engr.iupui.edu/eberhart/)于)于1995年提出粒子群年提出粒子群算法(
4、算法(Particle Swarm Optimization,PSO)粒子群算法的提出粒子群算法的提出粒子群算法的提出粒子群算法的提出粒子群算法原理粒子群算法原理vvPSOPSO的思想来源的思想来源的思想来源的思想来源生物界现象生物界现象群体行为群体行为群体迁徙群体迁徙生物觅食生物觅食社会心理学社会心理学群体智慧群体智慧个体认知个体认知社会影响社会影响粒子群粒子群粒子群粒子群优化算法优化算法优化算法优化算法 人工生命人工生命鸟群觅食鸟群觅食鱼群学习鱼群学习群理论群理论粒子群算法原理vv从生物现象到从生物现象到从生物现象到从生物现象到 PSOPSO算法算法算法算法鸟群觅食现象鸟群觅食现象粒子群优
5、化算法粒子群优化算法粒子群算法原理vv从生物现象到从生物现象到从生物现象到从生物现象到 PSOPSO算法算法算法算法鸟群觅食现象鸟群觅食现象鸟群鸟群觅食空间觅食空间飞行速度飞行速度所在位置所在位置个体认知与群体协作个体认知与群体协作找到食物找到食物粒子群优化算法粒子群优化算法搜索空间的一组有效搜索空间的一组有效解解问题的搜索空间问题的搜索空间解的速度向量解的速度向量解的位置向量解的位置向量速度与位置的更新速度与位置的更新找到全局最优解找到全局最优解粒子群优化算法粒子群优化算法类比关系类比关系鸟群觅食现象鸟群觅食现象n源于对鸟群捕食行为的探讨,是基于迭代的方法源于对鸟群捕食行为的探讨,是基于迭代
6、的方法n简洁易于实现,须要调整的参数相对较少简洁易于实现,须要调整的参数相对较少n在函数优化、神经网络训练、工业系统优化和模糊在函数优化、神经网络训练、工业系统优化和模糊系统限制等领域得到了广泛的应用。系统限制等领域得到了广泛的应用。粒子群算法原理 粒子群算法的提出粒子群算法的提出粒子群算法的提出粒子群算法的提出n鸟群:鸟群:n 假设一个区域,全部的鸟都不知道食物的位置,假设一个区域,全部的鸟都不知道食物的位置,但是它们知道当前位置离食物还有多远。但是它们知道当前位置离食物还有多远。nPSO算法算法 n 每个解看作一只鸟,称为每个解看作一只鸟,称为“粒子粒子(particle)”,全部的粒子都
7、有一个适应值,每个粒子都有一个速全部的粒子都有一个适应值,每个粒子都有一个速度确定它们的翱翔方向和距离,粒子们追随当前最度确定它们的翱翔方向和距离,粒子们追随当前最优粒子在解空间中搜寻。优粒子在解空间中搜寻。粒子群算法的原理描述粒子群算法的原理描述粒子群算法的原理描述粒子群算法的原理描述粒子群算法原理算法流程vvPSOPSO算法的相关定义算法的相关定义算法的相关定义算法的相关定义vvPSOPSO中的个体,也叫粒子,在多维搜寻空间中飞行。中的个体,也叫粒子,在多维搜寻空间中飞行。中的个体,也叫粒子,在多维搜寻空间中飞行。中的个体,也叫粒子,在多维搜寻空间中飞行。vvPSOPSO中的每个粒子维护两
8、个向量中的每个粒子维护两个向量中的每个粒子维护两个向量中的每个粒子维护两个向量vv位置向量位置向量位置向量位置向量xi xi:粒子在解空间中的当前位置:粒子在解空间中的当前位置:粒子在解空间中的当前位置:粒子在解空间中的当前位置vv速度向量速度向量速度向量速度向量vi vi:粒子在解空间中的飞行速度:粒子在解空间中的飞行速度:粒子在解空间中的飞行速度:粒子在解空间中的飞行速度vvpBest pBest:粒子自身的历史最优位置:粒子自身的历史最优位置:粒子自身的历史最优位置:粒子自身的历史最优位置vvgBest gBest:群体全局最优向量:群体全局最优向量:群体全局最优向量:群体全局最优向量v
9、v lBest lBest:邻域中的最好位置:邻域中的最好位置:邻域中的最好位置:邻域中的最好位置nPSO算法算法 初始化为一群随机粒子,通过迭代找到最优。初始化为一群随机粒子,通过迭代找到最优。每次迭代中,粒子通过跟踪每次迭代中,粒子通过跟踪“个体极值(个体极值(pbest)”和和“全局极值全局极值(gbest)”来来 更新自己的位置。更新自己的位置。算法流程算法流程vv粒子速度与位置的更新粒子速度与位置的更新粒子速度与位置的更新粒子速度与位置的更新 令令 表示表示t t时刻第时刻第i i 个粒子个粒子 在超空间的位置。在超空间的位置。把速度矢量把速度矢量 加至当前位置,则加至当前位置,则
10、的位置变为:的位置变为:算法流程vvPSOPSO算法驱动优化过程的是速度算法驱动优化过程的是速度算法驱动优化过程的是速度算法驱动优化过程的是速度vi(t)vi(t)向量。向量。向量。向量。vv速度向量反映了粒子自身的阅历学问和来自邻域粒子速度向量反映了粒子自身的阅历学问和来自邻域粒子速度向量反映了粒子自身的阅历学问和来自邻域粒子速度向量反映了粒子自身的阅历学问和来自邻域粒子的社会交换信息。的社会交换信息。的社会交换信息。的社会交换信息。vv粒子的阅历学问通常叫做认知部分,它和粒子与其自粒子的阅历学问通常叫做认知部分,它和粒子与其自粒子的阅历学问通常叫做认知部分,它和粒子与其自粒子的阅历学问通常
11、叫做认知部分,它和粒子与其自身的历史最优位置(身的历史最优位置(身的历史最优位置(身的历史最优位置(pbest pbest)的距离成正比。)的距离成正比。)的距离成正比。)的距离成正比。vv社会交换信息叫做速度方程的社会部分。社会交换信息叫做速度方程的社会部分。社会交换信息叫做速度方程的社会部分。社会交换信息叫做速度方程的社会部分。vv邻域大小不同的两种算法邻域大小不同的两种算法邻域大小不同的两种算法邻域大小不同的两种算法vvgbest PSOgbest PSO,全局最佳粒子群优化,全局最佳粒子群优化,全局最佳粒子群优化,全局最佳粒子群优化vvlbest PSOlbest PSO,局部最佳粒子
12、群优化,局部最佳粒子群优化,局部最佳粒子群优化,局部最佳粒子群优化算法流程vvgbest PSOgbest PSO:全局最佳粒子群优化:全局最佳粒子群优化:全局最佳粒子群优化:全局最佳粒子群优化粒子群算法v粒子群算法的特点粒子群算法的特点vPSOPSO算法收敛速度快,特殊是在算法的早期,但也算法收敛速度快,特殊是在算法的早期,但也存在着精度较低,易发散等缺点。存在着精度较低,易发散等缺点。v若加速系数、最大速度等参数太大,粒子群可能若加速系数、最大速度等参数太大,粒子群可能错过最优解,算法不收敛;错过最优解,算法不收敛;v而在收敛的状况下,由于全部的粒子都向最优解而在收敛的状况下,由于全部的粒
13、子都向最优解的方向飞去,所以粒子趋向同一化(失去了多样的方向飞去,所以粒子趋向同一化(失去了多样性),使得后期收敛速度明显变慢,同时算法收性),使得后期收敛速度明显变慢,同时算法收敛到确定精度时,无法接着优化,所能达到的精敛到确定精度时,无法接着优化,所能达到的精度也不高。度也不高。内容提要第九章:群智能系统第九章:群智能系统1.1.粒子群优化算法粒子群优化算法2.2.蚁群算法蚁群算法蚁群算法原理vv蚁群的觅食行为蚁群的觅食行为蚁群的觅食行为蚁群的觅食行为蚁群算法原理vv蚁群的分工蚁群的分工蚁群的分工蚁群的分工蚁群算法原理vv蚁穴的结构蚁穴的结构蚁穴的结构蚁穴的结构蚁群算法原理vv蚁穴的结构蚁
14、穴的结构蚁穴的结构蚁穴的结构育婴室育婴室储备室储备室寝室寝室蚁后室蚁后室日光浴场日光浴场入口入口蚁群算法原理vv蚁群觅食的蚁群觅食的蚁群觅食的蚁群觅食的“双桥试验双桥试验双桥试验双桥试验”通过遗留在来往路径上的信息素通过遗留在来往路径上的信息素(Pheromone)的挥发性化学物质来进行)的挥发性化学物质来进行 通信和通信和协调。协调。蚁群算法v蚁群觅食过程蚁群觅食过程算法基本原理自然界蚂蚁觅食行为自然界蚂蚁觅食行为蚁群优化算法蚁群优化算法蚁群蚁群搜寻空间的一组有效解搜寻空间的一组有效解问题的搜寻空间问题的搜寻空间信息素浓度变量信息素浓度变量一个有效解一个有效解问题的最优解问题的最优解觅食空间
15、觅食空间信息素信息素蚁巢到食物的一条路径蚁巢到食物的一条路径找到的最短路径找到的最短路径对对应应关关系系算法基本原理vv蚁群优化算法(蚁群优化算法(蚁群优化算法(蚁群优化算法(Ant Colony Optimization,ACO Ant Colony Optimization,ACO)vv蚂蚁在找寻食物的过程中往往是随机选择路径的,但蚂蚁在找寻食物的过程中往往是随机选择路径的,但蚂蚁在找寻食物的过程中往往是随机选择路径的,但蚂蚁在找寻食物的过程中往往是随机选择路径的,但它们能感知当前地面上的信息素浓度,并倾向于往信它们能感知当前地面上的信息素浓度,并倾向于往信它们能感知当前地面上的信息素浓度
16、,并倾向于往信它们能感知当前地面上的信息素浓度,并倾向于往信息素浓度高的方向行进。信息素由蚂蚁自身释放,是息素浓度高的方向行进。信息素由蚂蚁自身释放,是息素浓度高的方向行进。信息素由蚂蚁自身释放,是息素浓度高的方向行进。信息素由蚂蚁自身释放,是实现蚁群内间接通信的物质。实现蚁群内间接通信的物质。实现蚁群内间接通信的物质。实现蚁群内间接通信的物质。vv由于较短路径上蚂蚁的来回时间比较短,单位时间内由于较短路径上蚂蚁的来回时间比较短,单位时间内由于较短路径上蚂蚁的来回时间比较短,单位时间内由于较短路径上蚂蚁的来回时间比较短,单位时间内经过该路径的蚂蚁多,所以信息素的积累速度比较长经过该路径的蚂蚁多
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