07第七章人工蜂群算法.pdf
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1、 第七章 人工蜂群算法 习题与答案 1.填空题(1)人工蜂群算法的缩写是 ,它模拟了 机制,可以解决 问题。(2)在人工蜂群算法中,有三种蜜蜂执行不同的任务,它们分别是 、和 。解释:本题考查人工蜂群算法的基础知识。具体内容请参考课堂视频“第 7 章人工蜂群算法”及其课件。答案:(1)ABC,蜜蜂的采蜜,优化(2)引领蜂、跟随蜂、侦察蜂 2.下图能够基本反映工蜂采蜜的基本过程。理解该图,下列说法正确的是()。舞蹈区潜在蜜源B非蜜源潜在蜜源A非蜜源蜂巢SSSS非蜜源潜在蜜源C工蜂工蜂工蜂工蜂舞蹈区蜜源B非蜜源蜜源A非蜜源卸下来自B的花蜜EF1EF2卸下来自A的花蜜蜂巢SEF1UFUFEF2EF1
2、EF1S潜在蜜源C非蜜源(a)工蜂搜索蜜源阶段 (b)工蜂采蜜阶段 A)一个蜂群的工蜂在没有任何周围蜜源的信息时,均留在蜂巢内值“内勤”。B)引领蜂从蜜源(A 和 B)处携带花蜜返回蜂巢,并将花蜜卸载到储存花蜜的位置,在卸下花蜜以后放弃蜜源。C)引领蜂到舞蹈区跳上一只圆圈舞蹈或“8”字形舞蹈招募其他工蜂到该蜜源处采蜜,舞蹈的持续时间暗示蜜源与蜂巢之间的距离。D)引领蜂在找到蜜源后选择继续在该蜜源采蜜而不招募任何蜜蜂,直到蜜源采集殆尽,再去开采新的蜜源。解释:本题考查对工蜂采蜜过程的掌握及理解。具体内容请参考课堂视频“第 7 章人工蜂群算法”及其课件。答案:C 一个蜂群在没有任何周围蜜源的信息时
3、,大多数的工蜂都首先留在蜂巢内值“内勤”,仍有少数工蜂作为“侦察员”专门搜索新的蜜源,因此 A 错误。侦察蜂将从蜜源 A 和 B 处分别携带花蜜返回蜂巢,并将花蜜卸载到储存花蜜的位置,在卸下花蜜以后,侦察蜂有以下三种可能:(1)到舞蹈区招募其他工蜂到该蜜源处采蜜,此时的侦察蜂称为引领蜂,被招募来的工蜂称为跟随蜂,具体过程如下:引领蜂在舞蹈区跳上一支圆圈舞蹈或“8”字形舞蹈招募蜜蜂到该蜜源处采蜜(如图中过程 EF1),其中,舞蹈的持续时间暗示蜜源与蜂巢之间的距离,舞蹈的剧烈程度反映蜜源的质量,身上附着的花粉味道则反映蜜源的种类。蜜源离蜂巢越近、花蜜越多,代表蜜源越好,所招募的跟随蜂也越多;(2)
4、放弃蜜源成为未雇佣蜂进入舞蹈区(如图中过程 UF),未雇佣蜂包括跟随蜂和侦察蜂;(3)继续在该蜜源采蜜而不招募任何蜜蜂(如图中过程EF2)。在此过程中,随着采蜜的进行,已发现的蜜源会逐渐变差,少量跟随蜂不再去已经发现的蜜源采蜜,而是去开采新的蜜源,即少量转化为侦察蜂。这里需要说明的是并非所有的蜜蜂都参与采蜜。因此 B、D 错误,C 正确。3.关于人工蜂群算法的特点,下列说法不正确的是()。A)人工蜂群算法具有系统性、分布式、自组织和反馈的特点。B)人工蜂群算法是由蜜蜂的觅食行为抽象出来的,多只蜜蜂构成迭代种群,其优化效果好于一只蜜蜂的单独求解效果,蜂群作为一个整体可以完成单独个体不能完成的很多
5、行为,显示了整体突现原理。C)人工蜂群算法的种群中每个个体都在独立求解,整体的求解效果不会因为某个个体的求解效果变差而受到影响,体现出群体行为的分布式特征。D)人工蜂群算法中,初始状态的个体类似于独立寻找最优解,但经过一段时间的算法进化,蜂群越来越趋向于寻找到接近最优解的一些解,整个的进化过程反映了算法的自组织性。E)人工蜂群算法中随机化搜索和对部分解的舍弃会导致蜜蜂个体远离优秀蜜源,这体现了算法的正反馈特征。解释:本题考查对人工蜂群算法特点的掌握及理解。具体内容请参考课堂视频“第 7 章人工蜂群算法”及其课件。答案:E(1)人工蜂群算法是一种解决单目标优化问题的新型计算智能算法,主要具有系统
6、性、分布式、自组织和反馈的特点。所以A 选项正确。(2)人工蜂群算法的系统性。自然界中的蜂群具备系统学中的典型特点,如关联性、整体性等。蜂群中的蜜蜂个体独立有序地工作,但个体之间相互影响、相互协作,这些都体现了系统的关联性;而蜂群作为一个整体可以完成单独个体不能完成的很多行为,例如觅食行为,这就显示了整体突现原理,即系统整体大于部分之和。而 ABC 算法是由蜜蜂的觅食行为抽象出来的,多只蜜蜂构成迭代种群,其优化效果好于一只蜜蜂的单独求解效果,也就是说如果把算法本身看作一个整体,那么它本身就具备系统的所有特点,这是所有计算智能算法最重要的特征之一。所以 B 选项正确。(3)人工蜂群算法的分布式。
7、对于自然界中的真实蜂群,在完成某种任务时,如觅食,蜂群中的大部分蜜蜂都进行相同工作,不会因为某个蜜蜂没有完成任务而使整体受到影响。作为由觅食行为抽象出来的 ABC 算法,也体现出群体行为的分布式特征。简言之,在处理优化问题时,在定义域中,种群中的每个个体都在独立求解,整体的求解效果不会因为某个个体的求解效果变差而受到影响。所以 C 选项正确。(4)人工蜂群算法的自组织。自组织性是指在一定条件下,系统可以自发的从无序到有序,或从低级有序走向高级有序。在 ABC 算法中,初始状态的个体类似于独立搜索,无序地寻找最优解,但经过一段时间的算法进化,蜂群越来越趋向于寻找到接近最优解的一些解,整个的进化过
8、程恰恰反映了算法的自组织性,可以自动的从无序到有序。所以 D 选项正确。(5)人工蜂群算法的反馈。蜜蜂通过在蜂巢舞蹈区跳摇摆舞来传递信息,花蜜越多所招募的蜜蜂也越多,又会吸引更多的蜜蜂来采蜜,这是一个正反馈过程,逐步引导蜂群的进化方向。而随机化搜索和对部分解的舍弃会导致蜜蜂个体远离优秀蜜源,这体现了 ABC 算法的负反馈特征,解在一定程度上的退化能够维持搜索范围在一段时间内足够大、避免早熟收敛。ABC 算法在正反馈和负反馈的共同作用下,逐步求得最优解。所以 E 选项不正确。4.请简述人工蜂群算法的基本流程。解释:本题考查人工蜂群算法的操作流程。具体内容请参考课堂视频“第 7 章人工蜂群算法”及
9、其课件。答案:人工蜂群算法的基本过程主要包括:初始化过程、引领蜂搜索、跟随蜂搜索和侦查蜂搜索。具体操作流程如下:(1)初始化相关参数,包括种群个数NP、limit 和最大迭代次数 G 等;(2)在设计变量可行空间内随机产生初始种群,设置进化代数 t=0;(3)计算种群中各个体的适应度值;(4)由适应度值较优的一半个体构成引领蜂种群,另一半个体为跟随蜂种群;(5)引领蜂种群中个体按第 7 章式(7.2)搜索产生新个体,择优保留形成新的引领蜂种群;(6)跟随蜂种群按照轮盘赌选择方式在步骤(5)的种群中选择较优个体,搜索产生新个体,形成跟随蜂种群;(7)结合步骤(5)和步骤(6)中个体构成迭代种群;
10、(8)判断是否发生侦察蜂行为。如某个体连续 limit 代不变,则发生侦察蜂行为,并更新迭代种群;(9)判断是否满足算法的终止条件,若满足则输出最优解,否则转至步骤(3)。5.下列关于人工蜂群算法中三种蜜蜂的行为,说法不正确的是()。A)在引领蜂搜索和跟随蜂搜索中,都需要产生新个体,两个过程中新个体的生成方法相同。B)在引领蜂搜索时,需要比较新个体与目标个体的适应度值,择优进入引领蜂种群。在跟随蜂搜索时也需要进行同样的操作。C)侦察蜂搜索可以改善因引领蜂和跟随蜂收敛过快而导致的种群多样性变差问题,能避免种群陷入局部最优。D)侦察蜂行为由参数 limit 控制,即如果某个体连续 limit 代不
11、变,相应个体直接转换成侦察蜂。解释:本题考查人工蜂群算法的基本原理和三种蜜蜂的行为。具体内容请参考课堂视频“第 7 章人工蜂群算法”及其课件。答案:B(1)引领蜂种群中个体和跟随蜂种群中的个体,都是根据下式进行搜索的:1()()(12)()()tttiirjjrandjj Vxxx 其中tix和itrx表示两个不同的个体,逐维度进行交叉搜索,产生新的个体。所以选项 A 正确。(2)引领蜂搜索中产生新个体后,需要比较该新个体与目标个体的适应度值,选择适应度值较优的个体进入引领蜂种群。但在跟随蜂搜索时,跟随蜂种群直接根据个体交叉搜索生成,并不与原跟随蜂种群进行一对一的适应度值比较。所以选项 B 不
12、正确。(3)引领蜂和跟随蜂种群的快速收敛,可能导致种群整体的多样性变差,为避免种群陷入局部最优,ABC 算法特别设计了侦察蜂的搜索机制。所以选项C 正确。(4)侦察蜂搜索具体方式如下:对于经过引领蜂种群搜索和跟随蜂种群搜索以后结合形成的新种群,如果某个体连续 limit 代不变,相应个体直接转换成侦察蜂,按第七章式(7.1)搜索产生新个体,并与原个体按第七章式(7.3)进行一对一比较,择优保留至迭代种群。所以选项D 正确。6利用人工蜂群算法求解函数521=ii=fx的最小值问题,ix的取值范围是-5,5。设种群大小为 4,在种群初始化过程中产生的初始个体为12-1 0 2 1p=,2-3 0
13、1-1 4p=,30 1-1 2 4p=,40 1-3 2 0p=,试采用计算的方式说明引领蜂搜索过程,并确定迭代引领蜂种群。解释:本题考查人工蜂群算法中的引领蜂搜索过程。具体内容请参考课堂视频“第 7 章人工蜂群算法”及其课件。答案:根据需要求解的函数521iifx可知问题的维度为 5,且初始个体已经给出。因为是要求函数最小值,个体的适应度值可以选为函数值,适应度值越低表示该个体越优。引领蜂搜索过程如下:(1)计算初始种群的适应度值 110fitp,227fitp,322fitp,414fitp。依初始种群适应度值优劣划分出引领蜂种群14,p p和跟随蜂种群32,p p(2)引领蜂个体1p和
14、4p分别生成对应的新个体。针对引领蜂个体1p,选择不同的引领蜂4p产生一个新个体,搜索公式如下:114()()(12)()()jjrandjj vppp。为讨论方便,假设用于产生新个体每个维度的随机数是0.5 0.6 0.4 0 1rand,则新个体为12-1.4-0.6 2 2v,产生过程可用下图表示:p12 -1 0 2 10 1 -3 2 0p42+(-1+20.5)(2-0)=21+(-1+21)(1-0)=20.5 0.6 0.4 0 1rand=中间计算过程v1 =2 -1.4 -0.6 2 2 针对引领蜂个体4p,根据上述同样的方法,假设用于产生新个体每个维度的随机数0.4 0.
15、5 0.4 0 1rand,则新个体为40.4 1-2.4 2-1v。(3)计算新个体的适应度值并与原个体进行比较,114.32fitv,49.92fitv。因为 111014.32fitfitpv,选择1p进入下一代引领蜂种群;449.9214fitfitvp,选择4v进入下一代引领蜂种群。所以新的引领蜂种群为14,p v。7借助第 6 题的部分结果,利用人工蜂群算法求解函数521=ii=fx的最小值问题,初始条件与第 6 题相同。试分析跟随蜂搜索过程并说明跟随蜂搜索的作用。解释:本题考查人工蜂群算法中的跟随蜂搜索过程。具体内容请参考课堂视频“第 7 章人工蜂群算法”及其课件。答案:根据第
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