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基于混合策略改进的鹈鹕优化算法

苏莹莹 任曼铜

苏莹莹, 任曼铜. 基于混合策略改进的鹈鹕优化算法[J]. 制造技术与机床, 2024, (3): 85-93. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.012
引用本文: 苏莹莹, 任曼铜. 基于混合策略改进的鹈鹕优化算法[J]. 制造技术与机床, 2024, (3): 85-93. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.012
SU Yingying, REN Mantong. Pelican optimization algorithm improved based on hybrid strategy[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (3): 85-93. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.012
Citation: SU Yingying, REN Mantong. Pelican optimization algorithm improved based on hybrid strategy[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (3): 85-93. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.012

基于混合策略改进的鹈鹕优化算法

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.012
基金项目: 中央引导地方科技发展计划(2021JH6/10500149)
详细信息
    作者简介:

    苏莹莹,女,1983年生,博士,教授,主要研究领域为智能算法、物流与供应链管理。E-mail:suyingying@syu.edu.cn

    通讯作者:

    任曼铜,女,1999年生,硕士研究生,主要研究领域为智能算法、物流与供应链管理。E-mail:renmantong@163.com

  • 中图分类号: TP391.41

Pelican optimization algorithm improved based on hybrid strategy

  • 摘要: 针对鹈鹕优化算法求解精度低、稳定性不足、易陷入局部最优等问题,文章提出一种混合策略改进的鹈鹕优化算法(IPOA)。首先,为了增强种群的随机性和多样性,扩大种群的搜索范围,引入反向折射学习机制;其次,利用正余弦算法和鹈鹕算法融合,改进鹈鹕搜索猎物的方式,增强算法的局部搜索与全局搜索能力;然后,采用Levy飞行机制对鹈鹕位置进行更新,从而提高算法的搜索能力以寻找最优值;最后,引入自适应t分布变异算子,使用算法的迭代次数作为t分布的自由度参数来增强鹈鹕种群的多样性,避免算法陷入局部最优。通过12个标准测试函数对改进算法与海鸥优化算法、黑猩猩优化算法、鲸鱼优化算法、蛇群优化算法和基本鹈鹕优化算法进行测试比较,结果表明,IPOA具有更好的收敛速度和稳定性。最后将改进鹈鹕算法应用于压力容器设计优化问题,进一步证实改进后的算法具有较好的求解性能。

     

  • 图  1  折射反向学习机制

    图  2  t分布函数分布图

    图  3  改进鹈鹕优化算法流程图

    图  4  测试函数收敛曲线图

    图  5  压力容器问题示意图

    图  6  压力容器设计求解收敛曲线图

    表  1  12个基准测试函数

    函数 表达式 搜索范围 理论最优值 类型
    F1 $ f(x) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^D {x_i^2} \quad $ [−100,100] 0 单峰
    F2 $ f(x) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^D | {x_i}| + \prod\limits_{i = 1}^D | {x_i}| $ [−100,100] 0 单峰
    F3 $ f(x) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^D {{{\left( {\displaystyle\sum\limits_{j = 1}^D {{x_j}} } \right)}^2}} $ [−100,100] 0 单峰
    F4 $ f(x) = \max \{ |{x_i}|,1 \leqslant i \leqslant D\} $ [−100,100] 0 单峰
    F5 $f(x) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^D {[100{{({x_{i + 1}} - x_i^2)}^2} + {{({x_i} - 1)}^2}]} $ [−30,30] 0 单峰
    F6 $f(x) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^D {{{([{x_i} + 0.5])}^2}} $ [−100,100] 0 单峰
    F7 $f(x) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^D {ix_i^4 + random[0,1)} $ [−1.28,1.28] 0 多峰
    F8 $f(x) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^D {\left[ {x_i^2 - 10\cos (2{\text{π}} {x_i}) + 10} \right]} $ [−5.12,5.12] 0 多峰
    F9 $f(x) = - 20\exp \left( { - 0.2\sqrt {\dfrac{1}{D}\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^D {x_i^2} } } \right) - \exp \left( {\dfrac{1}{D}\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^D {\cos (2{\text{π}} {x_i})} } \right) + 20 + {\mathrm{e}}$ [−32,32] 0 多峰
    F10 $f(x) = \dfrac{1}{{4000}}\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^D {{x_i}^2} - \prod\limits_{i = 1}^D {\cos \left( {\dfrac{{{x_i}}}{{\sqrt i }}} \right) + 1} $ [−600,600] 0 多峰
    F11 $f(x) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^{11} {{{\left[ {{a_{ij}} - \dfrac{{{x_1}(b_i^2 + {b_i}{x_2})}}{{b_i^2 + {b_i}{x_3} + {x_4}}}} \right]}^2}} $ [−5,5] 0.003 固定维多峰
    F12 $f(x) = 1 - \cos (2{\text{π}} \sqrt {\displaystyle\sum {x^2}} ) + 0.1\sqrt {\displaystyle\sum {x^2}} $ [−100,100] 0 固定维多峰
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    表  2  算法的参数设置

    算法 参数
    ChOA r1=rand(0,1),f=(0,2)
    SO c1=0.5,c2=0.5,c3=2
    WOA b=1,r1=rand(0,1),r2=rand(0,1)
    SOA fc=2,u=1,v=1
    POA I=round(1+rand(1,1))
    IPOA I=round(1+rand(1,1))
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    表  3  测试函数结果

    函数类别 算法类别 最优值 平均值 标准差
    F1 SOA 1.2817×10−06 0.00074019 0.0024644
    ChOA 7.2276×10−11 5.7943×10−07 1.5957×10−06
    WOA 3.1843×10−85 2.134×10−74 7.453×10−74
    SO 6.2284×10−99 3.9337×10−94 1.3736×10−93
    POA 4.3359×10−116 5.3779×10−99 2.9456×10−98
    IPOA 0 0 0
    F2 SOA 1.8844×10−06 7.102×10−05 0.00010577
    ChOA 1.7949×10−07 5.0017×10−06 7.6574×10−06
    WOA 6.1468×10−58 1.1847×10−50 5.0739×10−50
    SO 2.2867×10−46 3.1123×10−43 4.5493×10−43
    POA 7.4278×10−61 6.8143×10−51 3.2436×10−50
    IPOA 0 0 0
    F3 SOA 12.722 979.8366 1251.3207
    ChOA 0.033222 51.446 95.0067
    WOA 18753.5852 43341.6722 15550.335
    SO 2.0135×10−66 2.428×10−59 7.055×10−59
    POA 3.8683×10−118 2.9871×10−99 1.6082×10−98
    IPOA 0 0 0
    F4 SOA 0.3055 2.2097 1.8886
    ChOA 0.0083578 0.083467 0.08557
    WOA 0.019008 49.4673 29.9742
    SO 4.6713×10−43 2.3126×10−40 4.0125×10−40
    POA 1.584×10−59 1.2775×10−52 3.478×10−52
    IPOA 0 0 0
    F5 SOA 28.2474 29.5468 2.1301
    ChOA 27.3715 28.6896 0.39306
    WOA 27.036 28.0725 0.43906
    SO 0.20864 20.4655 11.5303
    POA 26.3145 27.9957 0.73619
    IPOA 27.7267 28.5496 0.1894
    F6 SOA 0.64814 1.3556 0.36828
    ChOA 3.2598 4.0428 0.37938
    WOA 0.046487 0.34955 0.16708
    SO 9.2147×10−05 0.93838 0.59081
    POA 1.6533 2.6795 0.53552
    IPOA 0.24875 0.42499 0.15814
    F7 SOA 0.02711 0.065908 0.025239
    ChOA 0.0001363 0.0022616 0.0024384
    WOA 8.4256×10−05 0.003232 0.0036762
    SO 1.1888×10−05 0.00024132 0.00025515
    POA 6.1107×10−05 0.00020485 0.00010637
    IPOA 8.0705×10−07 3.5086×10−05 3.4089×10−05
    F8 SOA 8.0472×10−07 0.46101 1.9764
    ChOA 1.5579×10−07 2.7549 4.3314
    WOA 0 1.8948×10−15 1.0378×10−14
    SO 0 5.385 12.183
    POA 0 0 0
    IPOA 0 0 0
    F9 SOA 0.00026382 0.0021107 0.0023593
    ChOA 19.9609 19.9631 0.00088
    WOA 8.8818×10−16 4.3225×10−15 2.1847×10−15
    SO 4.4409×10−15 0.22986 0.71194
    POA 8.8818×10−16 4.0856×10−15 1.084×10−15
    IPOA 8.8818×10−16 8.8818×10−16 0
    F10 SOA 6.4982×10−05 0.1466 0.17616
    ChOA 2.2204×10−16 0.018022 0.030174
    WOA 0 0.0046618 0.025534
    SO 0 0.079687 0.17691
    POA 0 0 0
    IPOA 0 0 0
    F11 SOA 0.00031889 0.00044598 9.1969×10−05
    ChOA 0.0012244 0.0013211 5.857×10−05
    WOA 0.00030884 0.00078246 0.0005734
    SO 0.00030767 0.0015877 0.0041397
    POA 0.00030749 0.0010144 0.0036583
    IPOA 0.00030609 0.00034569 6.7507×10−05
    F12 SOA 0.2419 0.85384 0.38464
    ChOA 0.099873 0.13461 0.045879
    WOA 9.098×10−40 0.10657 0.082729
    SO 0.099874 0.099962 0.00019438
    POA 1.8861×10−49 0.046368 0.048552
    IPOA 0 0 0
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    表  4  不同改进策略算法的寻优结果对比

    函数类别 算法类别 最优值 平均值 标准差
    F1 RPOA 1.6971×10−176 1.1547×10−109 5.3196×10−115
    SCPOA 1.0343×10−159 0 0
    LPOA 0 0 0
    TPOA 0 0 0
    POA 4.3359×10−116 5.3779×10−99 2.9456×10−98
    IPOA 0 0 0
    F2 RPOA 1.2451×10−73 3.4845×10−62 1.3756×10−67
    SCPOA 1.4055×10−85 2.51×10−62 0
    LPOA 0 0 0
    TPOA 0 0 0
    POA 7.4278×10−61 6.8143×10−51 3.2436×10−50
    IPOA 0 0 0
    F3 RPOA 2.9033×10−161 5.3846×10−121 2.9487×10−120
    SCPOA 0 0 2.3568×10−109
    LPOA 0 0 0
    TPOA 0 0 0
    POA 3.8683×10−118 2.9871×10−99 1.6082×10−98
    IPOA 0 0 0
    F4 RPOA 6.3066×10−81 1.6851×10−63 5.8057×10−63
    SCPOA 0 0 0
    LPOA 0 0 0
    TPOA 0 0 0
    POA 1.584×10−59 1.2775×10−52 3.478×10−52
    IPOA 0 0 0
    F5 RPOA 26.1742 27.7336 0.69743
    SCPOA 27.3715 28.6896 0.39306
    LPOA 28.5131 28.8335 0.10808
    TPOA 26.1685 27.848 0.667196
    POA 26.3145 27.9957 0.73619
    IPOA 27.7267 28.5496 0.1894
    F6 RPOA 1.3393 2.0406 0.48835
    SCPOA 0.24671 2.5789 0.37938
    LPOA 1.5833 2.7241 0.53634
    TPOA 1.5836 2.6785 0.61492
    POA 1.6533 2.6795 0.53552
    IPOA 0.24875 0.42499 0.15814
    F7 RPOA 5.9051×10−07 2.8631×10−05 2.3605×10−05
    SCPOA 0.0001363 0.00022616 0.00024384
    LPOA 1.4304×10−07 4.7076×10−05 3.8692×10−05
    TPOA 1.4252×10−05 0.0001616 0.00015165
    POA 6.1107×10−05 0.00020485 0.00010637
    IPOA 8.0705×10−07 3.5086×10−05 3.4089×10−05
    F8 RPOA 0 0 0
    SCPOA 0 0 0
    LPOA 0 0 0
    TPOA 0 0 0
    POA 0 0 0
    IPOA 0 0 0
    F9 RPOA 8.8818×10−16 3.8488×10−15 0
    SCPOA 8.8818×10−16 8.8818×10−16 0
    LPOA 8.8818×10−16 8.8818×10−16 0
    TPOA 8.8818×10−16 8.8818×10−16 0
    POA 8.8818×10−16 4.0856×10−15 1.084×10−15
    IPOA 8.8818×10−16 8.8818×10−16 0
    F10 RPOA 0 0 0
    SCPOA 0 0 0
    LPOA 0 0 0
    TPOA 0 0 0
    POA 0 0 0
    IPOA 0 0 0
    F11 RPOA 0.00030749 0.00097991 7.7666×10−09
    SCPOA 0.0012244 0.0013211 7.7324×10−05
    LPOA 0.00030749 0.00038514 0.00028272
    TPOA 0.00030749 0.00037243 0.00023224
    POA 0.00030749 0.00037243 0.00023224
    IPOA 0.00030609 0.00034569 6.7507×10−05
    F12 RPOA 4.6602×10−65 3.2851×10−57 1.1091×10−56
    SCPOA 1.5678×10−75 1.1042×10−53 6.0276×10−53
    LPOA 0 0 0
    TPOA 0 0 0
    POA 1.8861×10−49 0.046368 0.048552
    IPOA 0 0 0
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    表  5  压力容器设计问题求解结果

    算法 最优值 平均值 标准差
    POA 7456.814 7436.795 935.171
    IPOA 5579.147 6553.923 510.168
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