遗传算法解决多目标规划,遗传算法多目标优化实例
主要介绍python遗传算法的单/多目标规划问题，通过实例代码进行了非常详细的介绍，对大家的学习或工作有一定的参考价值。有需要的朋友下面跟边肖学习。
00-1010 1.运行环境2。面向对象原则3。约束单目标优化问题3.1继承问题类完成问题模型的描述3.2调用算法模板求解3.3结果4。约束多目标优化问题4.1继承问题类完成问题模型的描述4.2调用算法模板求解4.3结果5。参考资料在上一篇博客中，我们学习了python遗传算法包geatpy。它显示了一个无约束的单目标规划问题。对前面内容感兴趣的同学可以参考：
链接： python遗传算法的Geatpy学习。
在上一期的介绍中，我们使用遗传算法求解问题时，采用了类似于matlab的非面向对象编程，导致每一步的编写都很繁琐。今天，我们使用面向对象编程来简化求解过程。
目录
先介绍一下运行环境。
系统：Windows10配置：i7-6700 16Gpython版本：3.10geatpy版本：2.7.0
1. 运行环境
上一章我们介绍了遗传算法主要分为算法模板类(algorithm)、种群类(Population)、多染色体混合编码种群类(PsyPopulation)和问题类(Problem)。其中，Population类和PsyPopulation类是可以直接实例化成对象使用的类；算法类和问题类是父类，它们的子类需要实例化才能使用。下面通过一个案例来演示一下用法。
2. 面向对象的原理
3. 带约束的单目标优化问题
这一步主要是根据模板把我们的问题描述清楚，包括目标函数和约束条件。
将numpy作为np导入
将geatpy作为ea导入
ClassProblem (ea.Problem) : #继承了problem的父类。
def __init__(self):
name= my problem # Initialize name(函数名，可以随意设置)
M=1 #初始化M(目标尺寸)
Maxormins=[-1] #初始化目标最大化标志列表，1:min；-1:最大
Dim=3 #初始化Dim(决策变量维度)
VarTypes=[0] * Dim #初始化决策变量类型，0:连续；1.分离的
Lb=[0，0，0] #决策变量的下界
Ub=[1，1，2] #决策变量的上界
Lbin=[1，1，0] #决策变量的下限
Ubin=[1，1，0] #决策变量的上界
#调用父类构造函数完成实例化。
ea.Problem.__init__(self，name，M，maxormins，Dim，varTypes，lb，
ub，lbin，ubin)
Deffunc (self，pop) : #目标函数，而pop是传入的人口对象。
Vars=pop。Phen #获得决策变量矩阵
X1=vars [3360，[0]] #取出第一列，得到所有个体的X1组成的列向量。
X2=vars [3360，[1]] #取出第二列，得到所有个体的X2组成的列向量。
X3=vars [3360，[2]] #取出第三列得到所有个体的X3组成的列向量#计算目标函数值，赋给pop人口对象的ObjV属性。
pop.ObjV = 4 * x1 + 2 * x2 + x3
# 采用可行性法则处理约束，生成种群个体违反约束程度矩阵
pop.CV = np.hstack([2 * x1 + x2 - 1, # 第一个约束
x1 + 2 * x3 - 2, # 第二个约束
np.abs(x1 + x2 + x3 - 1)]) # 第三个约束
3.2 调用算法模板进行求解
在第二步中，我们主要编写的是算法模板对第一步中问题的定义进行求解，这里需要依次设置种群、算法参数、种群进化、结果的输出。
"""main_solve.py"""import geatpy as ea # import geatpy
from myaim import MyProblem # 导入自定义问题接口
"""============================实例化问题对象========================"""
problem = MyProblem() # 实例化问题对象
"""==============================种群设置==========================="""
Encoding = RI # 编码方式
NIND = 50 # 种群规模
Field = ea.crtfld(Encoding, problem.varTypes, problem.ranges,problem.borders) # 创建区域描述器
population = ea.Population(Encoding, Field, NIND) # 实例化种群对象（此时种群还没被真正初始化，仅仅是生成一个种群对象）
"""===========================算法参数设置=========================="""
myAlgorithm = ea.soea_DE_best_1_L_templet(problem, population) # 实例化一个算法模板对象
myAlgorithm.MAXGEN = 1000 # 最大进化代数
myAlgorithm.mutOper.F = 0.5 # 差分进化中的参数F
myAlgorithm.recOper.XOVR = 0.7 # 设置交叉概率
myAlgorithm.logTras = 1 # 设置每隔多少代记录日志，若设置成0则表示不记录日志
myAlgorithm.verbose = True # 设置是否打印输出日志信息
myAlgorithm.drawing = 1 # 设置绘图方式（0：不绘图；1：绘制结果图；2：绘制目标空间过程动画；3：绘制决策空间过程动画）
"""==========================调用算法模板进行种群进化==============="""
[BestIndi, population] = myAlgorithm.run() # 执行算法模板，得到最优个体以及最后一代种群
BestIndi.save() # 把最优个体的信息保存到文件中
"""=================================输出结果======================="""
print(评价次数：%s % myAlgorithm.evalsNum)
print(时间花费 %s 秒 % myAlgorithm.passTime)
if BestIndi.sizes != 0:
print(最优的目标函数值为：%s % BestIndi.ObjV[0][0])
print(最优的控制变量值为：)
for i in range(BestIndi.Phen.shape[1]):
print(BestIndi.Phen[0, i])
else:
print(此次未找到可行解。)
3.3 结果
种群进化的结果为：
最终的结果为：
4. 带约束的多目标优化问题
4.1 继承 Problem 问题类完成对问题模型的描述
对于多目标的问题，依旧是先编写目标规划问题。
import numpy as npimport geatpy as ea
class MyProblem(ea.Problem): # 继承Problem父类
def __init__(self):
name = BNH # 初始化name（函数名称，可以随意设置）
M = 2 # 初始化M（目标维数）
maxormins = [1] * M # 初始化maxormins
Dim = 2 # 初始化Dim（决策变量维数）
varTypes = [0] * Dim # 初始化varTypes（决策变量的类型，0：实数；1：整数）
lb = [0] * Dim # 决策变量下界
ub = [5, 3] # 决策变量上界
lbin = [1] * Dim # 决策变量下边界
ubin = [1] * Dim # 决策变量上边界 # 调用父类构造方法完成实例化
ea.Problem.__init__(self, name, M, maxormins, Dim, varTypes, lb,ub, lbin, ubin)
def aimFunc(self, pop): # 目标函数
Vars = pop.Phen # 得到决策变量矩阵
x1 = Vars[:, [0]] # 注意这样得到的x1是一个列向量，表示所有个体的x1
x2 = Vars[:, [1]]
f1 = 4*x1**2 + 4*x2**2
f2 = (x1 - 5)**2 + (x2 - 5)**2
# 采用可行性法则处理约束
pop.CV = np.hstack([(x1 - 5)**2 + x2**2 - 25,-(x1 - 8)**2 - (x2 - 3)**2 + 7.7])
# 把求得的目标函数值赋值给种群pop的ObjV
pop.ObjV = np.hstack([f1, f2])
## 目标函数主要需要计算出CV和ObjV
4.2 调用算法模板进行求解
模板求解，和单目标规划类似。
import geatpy as ea # import geatpyfrom ga_more_aim import MyProblem # 导入自定义问题接口
import numpy as np
"""=======================实例化问题对象==========================="""
problem = MyProblem() # 实例化问题对象
"""=========================种群设置=============================="""
Encoding = RI # 编码方式
NIND = 100 # 种群规模
Field = ea.crtfld(Encoding, problem.varTypes, problem.ranges,problem.borders) # 创建区域描述器
population = ea.Population(Encoding, Field, NIND) # 实例化种群对象（此时种群还没被真正初始化，仅仅是生成一个种群对象）
"""=========================算法参数设置============================"""
myAlgorithm = ea.moea_NSGA2_templet(problem, population) # 实例化一个算法模板对象
myAlgorithm.mutOper.Pm = 0.2 # 修改变异算子的变异概率
myAlgorithm.recOper.XOVR = 0.9 # 修改交叉算子的交叉概率
myAlgorithm.MAXGEN = 200 # 最大进化代数
myAlgorithm.logTras = 1 # 设置每多少代记录日志，若设置成0则表示不记录日志
myAlgorithm.verbose = False # 设置是否打印输出日志信息
myAlgorithm.drawing = 1 # 设置绘图方式（0：不绘图；1：绘制结果图；2：绘制目标空间过程动画；3：绘制决策空间过程动画）
"""==========================调用算法模板进行种群进化==============
调用run执行算法模板，得到帕累托最优解集NDSet以及最后一代种群。
NDSet是一个种群类Population的对象。
NDSet.ObjV为最优解个体的目标函数值；NDSet.Phen为对应的决策变量值。
详见Population.py中关于种群类的定义。
"""
[NDSet, population] = myAlgorithm.run() # 执行算法模板，得到非支配种群以及最后一代种群
NDSet.save() # 把非支配种群的信息保存到文件中
"""===========================输出结果========================"""
print(用时：%s 秒 % myAlgorithm.passTime)
print(非支配个体数：%d 个 % NDSet.sizes) if NDSet.sizes != 0 else print(没有找到可行解！)
if myAlgorithm.log is not None and NDSet.sizes != 0:
print(GD, myAlgorithm.log[gd][-1])
print(IGD, myAlgorithm.log[igd][-1])
print(HV, myAlgorithm.log[hv][-1])
print(Spacing, myAlgorithm.log[spacing][-1])
"""======================进化过程指标追踪分析=================="""
metricName = [[igd], [hv]]
Metrics = np.array([myAlgorithm.log[metricName[i][0]] for i in range(len(metricName))]).T
# 绘制指标追踪分析图
ea.trcplot(Metrics, labels=metricName, titles=metricName)
4.3 结果
很多初学者可能不太清楚评价多目标规划的一些指标GD、IGD、HV等，这里给大家参考: 多目标进化算法的性能评价指标总结.
帕累托前沿结果：
hv的趋势：
最后结果：
5. 参考资料
geatpy官网教程: https://geatpy.com.
多目标规划评价指标: 多目标进化算法的性能评价指标总结.
到此这篇关于python遗传算法之单/多目标规划问题的文章就介绍到这了,更多相关python 单/多目标规划 内容请搜索盛行IT软件开发工作室以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持盛行IT软件开发工作室！
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