NSGA-II 学习笔记

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代码在jmetal中可以找到,建议下载5.0以前的版本,封装的少

NSGA2主要是对NSGA算法的改进。NSGA是N. Srinivas 和 K. Deb在1995年发表的一篇名为《Multiobjective function optimization using nondominated sorting genetic algorithms》的论文中提出的。该算法在快速找到Pareto前沿和保持种群多样性方面都有很好的效果,不过在这么多年的应用中也出现了如下的一些问题:

  • 非支配排序的时间复杂的很大,为 O(MN2) 。其中M为目标函数的数量,N为种群数量。
  • 缺少精英机制。
  • 需要自己指定共享参数。该参数将对种群的多样性产生很大的影响。

NSGA2算法将在以下方面进行改进:

1. 快速的非支配排序

在NSGA进行非支配排序时,规模为 N 的种群中的每个个体都要针对 M 个目标函数和种群中的 N1 个个体进行比较,复杂度为 O(MN) ,因此种群中的 N 个个体都比较结束的复杂度为 O(MN2) ,即每进行一次Pareto分级的时间复杂度为 O(MN2)

### NSGA-II算法概述 NSGA-II(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II)是一种高效的多目标优化算法,它通过引入快速非支配排序和拥挤距离计算机制显著提升了传统NSGA算法的性能[^1]。该算法不仅降低了时间复杂度,还通过精英策略确保了最优解的质量得以保留。 --- ### NSGA-II算法的核心组成部分 #### 1. 非支配排序 NSGA-II采用基于 Pareto 的非支配排序技术,将种群划分为多个层次。每个层代表一组具有相同非支配等级的个体。这种分层方式使得算法能够更高效地处理大规模种群数据[^2]。 #### 2. 拥挤距离计算 为了维持种群多样性,NSGA-II重新定义了“拥挤距离”的概念来替代传统的共享函数方法。拥挤距离衡量的是某个体周围邻居之间的密度,从而帮助算法在选择过程中优先保留分布在边界上的解[^3]。 #### 3. 精英策略 NSGA-II通过保存父代与子代共同形成的混合种群中的优秀个体,实现了对当前最佳解集的有效保护。这一特性极大地增强了算法收敛到全局最优的能力。 --- ### NSGA-II算法的具体实现步骤 以下是 NSGA-II 算法的一个典型实现框架: ```python import random def nsga_ii(population_size, generations, crossover_rate, mutation_rate): # 初始化种群 population = initialize_population(population_size) for generation in range(generations): # 计算适应度并执行非支配排序 frontiers = fast_non_dominated_sort(population) # 计算拥挤距离 crowding_distance_assignment(frontiers) # 创建新种群 offspring = [] while len(offspring) < population_size: parent1, parent2 = tournament_selection(population) child = crossover(parent1, parent2, crossover_rate) mutate(child, mutation_rate) offspring.append(child) # 合并父代与子代种群 combined_population = population + offspring # 执行环境选择得到下一代种群 next_generation = environmental_selection(combined_population, population_size) population = next_generation return population # 辅助函数 (伪代码形式展示核心逻辑) def initialize_population(size): ... def fast_non_dominated_sort(population): ... def crowding_distance_assignment(frontiers): ... def tournament_selection(population): ... def crossover(parent1, parent2, rate): ... def mutate(individual, rate): ... def environmental_selection(population, size): ... ``` 上述代码展示了如何构建一个基本的 NSGA-II 流程,其中涉及初始化、非支配排序、拥挤距离分配以及遗传操作等多个环节。 --- ### 关键优势分析 相比原始版本的 NSGANSGA-II 主要具备以下几个方面的改进: - **降低时间复杂度**:通过快速非支配排序减少不必要的重复计算; - **增强稳定性**:借助精英策略防止优质基因丢失; - **提高分布质量**:用拥挤距离取代共享参数,简化配置过程的同时改善最终解的空间覆盖范围。 这些特点共同决定了为什么 NSGA-II 成为解决实际工程领域中遇到的各种复杂多目标优化难题的理想工具之一。 ---
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