优化算法 | Gaining Sharing Knowledge based Algorithm(附MATLAB代码)

本文主要是介绍优化算法 | Gaining Sharing Knowledge based Algorithm(附MATLAB代码),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

今天为各位讲解Gaining‑sharing knowledge based algorithm(GSK)为什么讲解这个算法呢,因为自适应GSK算法(Adaptive Gaining-Sharing Knowledge Based Algorithm,AGSK)是CEC2020比赛的优胜算法。在讲解性能强悍的AGSK算法前,有必要先理解GSK的基本思想,而后再向深刻理解AGSK算法迈进。


1.GSK算法基本思想

GSK算法的灵感来源于人在一生中获取和共享知识的过程,这个过程分为两个阶段:

1)初级获取和共享知识阶段,即人一生的前中期。在这一阶段,相比于通过大型网络(如工作、社交、朋友等)获取知识,人们更多地会通过小型网络(如家人、邻居、亲戚等)获取知识。虽然这一阶段的人们想法、观点尚未成熟,但是他们努力尝试分享自己的观点

2)高级获取和共享知识阶段,即人一生的中后期。这一阶段的人们通常会通过大型网络(如工作、社交、朋友等)获取知识,比如,这一阶段的人们通常喜欢成功学,相信成功者的观点,以使他们避免失败。这一阶段的人们思想十分成熟,他们会积极向他人分享自己的观点,期望帮助他人能从自己的分享中受益。


2.GSK算法数学描述

在了解GSK算法基本思想后,接下来对GSK算法进行数学描述:

假设第 i i i个体 x i = ( x i 1 , x i 2 , . . . , x i D ) , i = 1 , 2 , . . . , N x_i=(x_{i1},x_{i2},...,x_{iD}),i=1,2,...,N xi=(xi1,xi2,...,xiD),i=1,2,...,N的适应度值为 f i , i = 1 , 2 , . . . , N f_i,i=1,2,...,N fi,i=1,2,...,N,其中 D D D为问题维数, N N N为种群数目。下图可以清晰地展示两个阶段个体中初级部分高级部分的变化情况。

从上述分析过程和上图中可以看出,初级要素数目和高级要素数目是变化的,则个体中初级要素数目的计算公式如下:
D ( juniorphase  ) = ( problemsize  ) × ( 1 − G G E N ) k D(\text { juniorphase })=(\text { problemsize }) \times\left(1-\frac{G}{G E N}\right)^k D( juniorphase )=( problemsize )×(1GENG)k
个体中高级要素数目的计算公式如下:
D ( seniorphase  ) = problemsize  − D ( juniorphase  ) D(\text { seniorphase })=\text { problemsize }-D(\text { juniorphase }) D( seniorphase )= problemsize D( juniorphase )
其中, D ( juniorphase  ) D(\text { juniorphase }) D( juniorphase )表示初级要素数目, D ( seniorphase ) D(\text { seniorphase}) D( seniorphase)表示高级要素数目, p r o b l e m s i z e problemsize problemsize表示问题维数, G E N GEN GEN表示总迭代次数, G G G表示当前迭代次数, k ( k > 0 ) k(k>0) k(k>0)表示知识学习率。


3.GSK算法基本步骤

如GSK基本思想所阐述的一样,GSK算法也分为初级和高级获取与共享知识两个阶段。

01 | 初级获取和共享知识阶段

假设求解函数最小值问题,在这一阶段,更新 x i , i = 1 , 2 , . . . , N x_i,i=1,2,...,N xi,i=1,2,...,N的方法如下:

(1)将种群中的个体按照适应度值从小到大的顺序进行排序,排序结果如下: x best  , … … , x i − 1 , x i , x i + 1 , … … x worst  x_{\text {best }}, \ldots \ldots, x_{i-1}, x_i, x_{i+1}, \ldots \ldots x_{\text {worst }} xbest ,……,xi1,xi,xi+1,……xworst 

(2) x i , i = 1 , 2 , . . . , N x_i,i=1,2,...,N xi,i=1,2,...,N的更新公式如下:
x i n e w = { x i + k f × [ ( x i − 1 − x i + 1 ) + ( x r − x i ) ] f ( x i ) > f ( x r ) x i + k f × [ ( x i − 1 − x i + 1 ) + ( x i − x r ) ] f ( x i ) ≤ f ( x r ) x_i^{n e w}= \begin{cases}x_i+k_f \times\left[\left(x_{i-1}-x_{i+1}\right)+\left(x_r-x_i\right)\right] & f\left(x_i\right)>f\left(x_r\right) \\ x_i+k_f \times\left[\left(x_{i-1}-x_{i+1}\right)+\left(x_i-x_r\right)\right] & f\left(x_i\right) \leq f\left(x_r\right)\end{cases} xinew={xi+kf×[(xi1xi+1)+(xrxi)]xi+kf×[(xi1xi+1)+(xixr)]f(xi)>f(xr)f(xi)f(xr)
其中 x i n e w x_i^{n e w} xinew为更新后的个体, x r x_r xr为随机选择的个体, k f k_f kf为知识因素参数。
初级获取和共享知识阶段算法伪代码如下,其中 k r k_r kr为知识比率:

02 | 高级获取和共享知识阶段

假设求解函数最小值问题,在这一阶段,更新 x i , i = 1 , 2 , . . . , N x_i,i=1,2,...,N xi,i=1,2,...,N的方法如下:

(1)将种群中的个体按照适应度值从小到大的顺序进行排序,然后将排序后的个体分成3类,即最佳个体、中等个体、最差个体,其中最佳个体占比 p p p,最差个体占比 p p p,中等个体占比 1 − 2 p 1-2p 12p,通常取 p = 0.1 p=0.1 p=0.1

(2) x i , i = 1 , 2 , . . . , N x_i,i=1,2,...,N xi,i=1,2,...,N的更新公式如下:
x i n e w = { x i + k f × [ ( x p b e s t − x p w o r s t ) + ( x m − x i ) ] f ( x i ) > f ( x m ) x i + k f × [ ( x p b e s t − x p w o r s t ) + ( x i − x m ) ] f ( x i ) ≤ f ( x m ) x_i^{n e w}= \begin{cases}x_i+k_f \times\left[\left(x_{pbest}-x_{pworst}\right)+\left(x_m-x_i\right)\right] & f\left(x_i\right)>f\left(x_m\right) \\ x_i+k_f \times\left[\left(x_{pbest}-x_{pworst}\right)+\left(x_i-x_m\right)\right] & f\left(x_i\right) \leq f\left(x_m\right)\end{cases} xinew={xi+kf×[(xpbestxpworst)+(xmxi)]xi+kf×[(xpbestxpworst)+(xixm)]f(xi)>f(xm)f(xi)f(xm)
其中 x i n e w x_i^{n e w} xinew为更新后的个体, x p b e s t x_{pbest} xpbest最佳个体中随机选择的个体, x p w o r s t x_{pworst} xpworst最差个体中随机选择的个体, x m x_{m} xm中等个体中随机选择的个体, k f k_f kf为知识因素参数。
高级获取和共享知识阶段算法伪代码如下,其中 k r k_r kr为知识比率:

03 | GSK算法伪代码及流程图


4.GSK算法MATLAB代码

GSK算法MATLAB代码链接为:https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/73730-gaining-sharing-knowledge-based-algorithm,各位也可在公号后台回复【GSK】即可提取代码(不包括【】)。

求解CEC2017为例,GSK算法文件夹共包含如下文件:

主函数GSK.m代码如下所示:

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%Gaining-Sharing Knowledge Based Algorithm for Solving Optimization
%%Problems: A Novel Nature-Inspired Algorithm
%% Authors: Ali Wagdy Mohamed, Anas A. Hadi , Ali Khater Mohamed
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%clc;
clear all;format long;
Alg_Name='GSK';
n_problems=30;
ConvDisp=1;
Run_No=51;for problem_size = [10 30 50 100]max_nfes = 10000 * problem_size;rand('seed', sum(100 * clock));val_2_reach = 10^(-8);max_region = 100.0;min_region = -100.0;lu = [-100 * ones(1, problem_size); 100 * ones(1, problem_size)];fhd=@cec17_func;analysis= zeros(30,6);for func = 1 : n_problemsoptimum = func * 100.0;%% Record the best resultsoutcome = [];fprintf('\n-------------------------------------------------------\n')fprintf('Function = %d, Dimension size = %d\n', func, problem_size)dim1=[];dim2=[];for run_id = 1 : Run_Nobsf_error_val=[];run_funcvals = [];pop_size = 100;G_Max=fix(max_nfes/pop_size);%% Initialize the main populationpopold = repmat(lu(1, :), pop_size, 1) + rand(pop_size, problem_size) .* (repmat(lu(2, :) - lu(1, :), pop_size, 1));pop = popold; % the old population becomes the current populationfitness = feval(fhd,pop',func);fitness = fitness';nfes = 0;bsf_fit_var = 1e+300;%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% for outfor i = 1 : pop_sizenfes = nfes + 1;%%      if nfes > max_nfes; exit(1); endif nfes > max_nfes; break; endif fitness(i) < bsf_fit_varbsf_fit_var = fitness(i);endrun_funcvals = [run_funcvals;bsf_fit_var];end%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Parameter settings%%%%%%%%%%KF=0.5;% Knowledge FactorKR=0.9;%Knowledge RatioK=10*ones(pop_size,1);%Knowledge Rateg=0;%% main loopwhile nfes < max_nfesg=g+1;D_Gained_Shared_Junior=ceil((problem_size)*(1-g/G_Max).^K);D_Gained_Shared_Senior=problem_size-D_Gained_Shared_Junior;pop = popold; % the old population becomes the current population[valBest, indBest] = sort(fitness, 'ascend');[Rg1, Rg2, Rg3] = Gained_Shared_Junior_R1R2R3(indBest);[R1, R2, R3] = Gained_Shared_Senior_R1R2R3(indBest);R01=1:pop_size;Gained_Shared_Junior=zeros(pop_size, problem_size);ind1=fitness(R01)>fitness(Rg3);if(sum(ind1)>0)Gained_Shared_Junior (ind1,:)= pop(ind1,:) + KF*ones(sum(ind1), problem_size) .* (pop(Rg1(ind1),:) - pop(Rg2(ind1),:)+pop(Rg3(ind1), :)-pop(ind1,:)) ;endind1=~ind1;if(sum(ind1)>0)Gained_Shared_Junior(ind1,:) = pop(ind1,:) + KF*ones(sum(ind1), problem_size) .* (pop(Rg1(ind1),:) - pop(Rg2(ind1),:)+pop(ind1,:)-pop(Rg3(ind1), :)) ;endR0=1:pop_size;Gained_Shared_Senior=zeros(pop_size, problem_size);ind=fitness(R0)>fitness(R2);if(sum(ind)>0)Gained_Shared_Senior(ind,:) = pop(ind,:) + KF*ones(sum(ind), problem_size) .* (pop(R1(ind),:) - pop(ind,:) + pop(R2(ind),:) - pop(R3(ind), :)) ;endind=~ind;if(sum(ind)>0)Gained_Shared_Senior(ind,:) = pop(ind,:) + KF*ones(sum(ind), problem_size) .* (pop(R1(ind),:) - pop(R2(ind),:) + pop(ind,:) - pop(R3(ind), :)) ;endGained_Shared_Junior = boundConstraint(Gained_Shared_Junior, pop, lu);Gained_Shared_Senior = boundConstraint(Gained_Shared_Senior, pop, lu);D_Gained_Shared_Junior_mask=rand(pop_size, problem_size)<=(D_Gained_Shared_Junior(:, ones(1, problem_size))./problem_size); D_Gained_Shared_Senior_mask=~D_Gained_Shared_Junior_mask;D_Gained_Shared_Junior_rand_mask=rand(pop_size, problem_size)<=KR*ones(pop_size, problem_size);D_Gained_Shared_Junior_mask=and(D_Gained_Shared_Junior_mask,D_Gained_Shared_Junior_rand_mask);D_Gained_Shared_Senior_rand_mask=rand(pop_size, problem_size)<=KR*ones(pop_size, problem_size);D_Gained_Shared_Senior_mask=and(D_Gained_Shared_Senior_mask,D_Gained_Shared_Senior_rand_mask);ui=pop;ui(D_Gained_Shared_Junior_mask) = Gained_Shared_Junior(D_Gained_Shared_Junior_mask);ui(D_Gained_Shared_Senior_mask) = Gained_Shared_Senior(D_Gained_Shared_Senior_mask);children_fitness = feval(fhd, ui', func);children_fitness = children_fitness';for i = 1 : pop_sizenfes = nfes + 1;if nfes > max_nfes; break; endif children_fitness(i) < bsf_fit_varbsf_fit_var = children_fitness(i);bsf_solution = ui(i, :);endrun_funcvals = [run_funcvals;bsf_fit_var];end[fitness, Child_is_better_index] = min([fitness, children_fitness], [], 2);popold = pop;popold(Child_is_better_index == 2, :) = ui(Child_is_better_index == 2, :);% fprintf('NFES:%d, bsf_fit:%1.6e,pop_Size:%d,D_Gained_Shared_Junior:%2.2e,D_Gained_Shared_Senior:%2.2e\n', nfes,bsf_fit_var,pop_size,problem_size*sum(sum(D_Gained_Shared_Junior))/(pop_size*problem_size),problem_size*sum(sum(D_Gained_Shared_Senior))/(pop_size*problem_size))end % end while loopbsf_error_val = bsf_fit_var - optimum;if bsf_error_val < val_2_reachbsf_error_val = 0;end         fprintf('%d th run, best-so-far error value = %1.8e\n', run_id , bsf_error_val)outcome = [outcome bsf_error_val];%% plot convergence figuresif (ConvDisp)run_funcvals=run_funcvals-optimum;run_funcvals=run_funcvals';dim1(run_id,:)=1:length(run_funcvals);dim2(run_id,:)=log10(run_funcvals);end%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%end %% end 1 run%% save ststiatical output in analysis file%%%%analysis(func,1)=min(outcome);analysis(func,2)=median(outcome);analysis(func,3)=max(outcome);analysis(func,4)=mean(outcome);analysis(func,5)=std(outcome);median_figure=find(outcome== median(outcome));analysis(func,6)=median_figure(1);file_name=sprintf('Results\\%s_CEC2017_Problem#%s_problem_size#%s',Alg_Name,int2str(func),int2str(problem_size));save(file_name,'outcome');%% print statistical output and save convergence figures%%%fprintf('%e\n',min(outcome));fprintf('%e\n',median(outcome));fprintf('%e\n',mean(outcome));fprintf('%e\n',max(outcome));fprintf('%e\n',std(outcome));dim11=dim1(median_figure,:);dim22=dim2(median_figure,:);file_name=sprintf('Figures\\Figure_Problem#%s_Run#%s',int2str(func),int2str(median_figure));save(file_name,'dim1','dim2');end %% end 1 function runfile_name=sprintf('Results\\analysis_%s_CEC2017_problem_size#%s',Alg_Name,int2str(problem_size));save(file_name,'analysis');
end %% end all function runs in all dimensions

5.GSK算法实例验证

以求解CEC2017第6个测试函数为例,该函数为Shifted and Rotated Schaffer’s F7 Function:
F 6 ( x ) = f 20 ( M ( 0.5 ( x − o 6 ) 100 ) ) + F 6 ∗ F_6(\boldsymbol{x})=f_{20}\left(\mathbf{M}\left(\frac{0.5\left(\boldsymbol{x}-\boldsymbol{o}_6\right)}{100}\right)\right)+F_6 * F6(x)=f20(M(1000.5(xo6)))+F6
该函数具有4个特性:多模态、不可分离、不对称、局部最优点数量巨大,该函数图像如下:

当求解问题维数为10维时,求解结果如下,求解最优值为600,已经达到全局最优值:

参考文献

[1] Mohamed A W, Hadi A A, Mohamed A K. Gaining-sharing knowledge based algorithm for solving optimization problems: a novel nature-inspired algorithm[J]. International Journal of Machine Learning and Cybernetics, 2020, 11(7): 1501-1529.

[2] https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/73730-gaining-sharing-knowledge-based-algorithm


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咱们下期再见

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