智能优化算法之灰狼优化算法（GWO）

智能优化算法是一类基于自然界中生物、物理或社会现象的优化技术。这些算法通过模拟自然界中的一些智能行为，如遗传学、蚁群觅食、粒子群体运动等，来解决复杂的优化问题。智能优化算法广泛应用于各种工程和科学领域，因其具有全局搜索能力、鲁棒性强以及易于实现等优点。

灰狼优化算法（GWO）

灰狼优化算法（Grey Wolf Optimizer, GWO)是一种新兴的智能优化算法，灵感来源于灰狼的捕猎行为。该算法由Seyedali Mirjalili等人在2014年提出，模拟了灰狼的社会层次结构和合作狩猎的策略。

GWO算法自2014年提出以来，受到了广泛关注和研究。它不仅在学术界被广泛研究和引用，而且在工程优化、机器学习、图像处理等多个领域得到了成功应用。GWO最初只是作者在研究其他优化算法时的灵感，但最终却发展成为一个独立且强大的优化工具。

灰狼被认为是顶级捕食者，位于食物链的顶端。灰狼喜欢群居，每群平均有5至12只灰狼。如附图所示，群体中的所有个体都具有非常严格的社会支配等级。

图2 灰狼的社会等级*

Alpha (α) 狼被视为狼群中的主导狼，狼群成员必须服从它的命令。
Beta (β) 是从属狼，帮助 Alpha 做出决策，被视为成为 Alpha 的最佳候选人。
Delta（δ）狼必须服从 Alpha 和 Beta，但它们主宰 Omega。δ 狼有不同的类别，如侦察兵、哨兵、长老、猎人、看守者等。
Omega (ω) 狼被视为狼群中的替罪羊，是狼群中最不重要的个体，只能在最后才被允许进食。

灰狼狩猎的主要阶段：

追踪、追逐并接近猎物。
追逐、包围、骚扰猎物，直到其停止移动。
向猎物发起攻击。

通过数学建模来设计灰狼的社会等级和狩猎行为，以设计 GWO。

数学模型与算法

社会等级

最适合的解决方案是Alpha狼（α）
第二最佳解决方案是 Beta 狼（β）
第三最佳解决方案是 Delta 狼（δ）
其余候选解决方案为 Omega 狼（ω）

数学模型

灰狼优化算法的数学模型描述了某个目标函的优化方法（寻找最优值，即猎物）

(1)需要优化的函数

其中是维向量。首先，随机生成个解

(2)初始化解决方案

其中，对应于特定维度分量，从和向量中返回随机值，这些向量是所有的下限和上限。根据狼的等级制度，三个最佳（达到最低值）解决方案α、β和δ（通常为）分别映射到 α、β 和 δ 狼。我们假设领导者对猎物的位置有最丰富的经验，因此他们会指挥其他狼。猎物位置（由领导者确定）与狼群其他成员之间的距离计算为

(3)距离计算

其中是每个领导者的位置分量（与猎物位置大致相同），是每个解决方案的分量，是来自 [0, 2] 的特殊随机参数。此参数指定“随机性”——在猎物邻域中搜索。在计算与领导者相关的三个距离后，我们应该计算他们的新位置，如下所示（这里的与分量不同，它只是另一个变量）

(4)领导职位

最后一个等式意味着我们通过距离值乘以某个随机因子来接近猎物。值和是算法的关键参数。第一个等式增加了特殊的随机性，即如果（探索阶段），它允许狼通过偏离

来寻找更好的猎物。否则，如果，那么狼的新位置可以位于先前位置和猎物位置之间的任何区域。这意味着狼开始攻击猎物。在迭代过程中，该值通过以下公式进行更改

(5)计算

这里是从 2（初始值）下降到 0 的递减（通常是线性的）因子

(6)递减因子计算

其中是当前迭代次数，是预先定义的总迭代次数，是中的随机值。

参数（也是中的随机值*）

(7)C_p计算

可以看作是狼在野外接近猎物时遇到的障碍物的影响。在自然界中，这些障碍物通常表现为狼狩猎路线上的障碍物，有效地阻碍了它们迅速轻松地接近猎物的能力。换句话说，它可能会随机为猎物分配一个难度或距离等级，使狼要么更难接近猎物，要么更难接近猎物，或者相反，更容易接近猎物。迫使狼进行探索而不是开发，并有助于避免局部最小值。

生成值后，可以计算出狼的新位置，作为的平均值

(8)计算新解

所描述的过程如下所示。

img

算法详见：https://doi.org/10.1016/j.knosys.2019.01.018IF: 7.2 Q1

GWO 算法的伪代码

1. 初始化解的数量 N、总迭代次数T和边界向量 x^{ub}, x^{lb}；
2. 使用公式 (2) 随机生成 N 个解；
3. 确定三个最佳解 (领导者) X^p，p=1..3；
3. 对于 t=1..N（迭代循环）：
4. 通过 (6) 计算值 a；
5. 对于每个第 i 个解：
6. 对于每个第 j 个维度：
7. 使用 (5) 和 (7) 计算 A_p 和 C_p；
8. 通过 (3) 计算三个距离 D_p；
9. 通过 (4) 计算三个 x^p；
10. 通过 (8) 生成新的解分量 x^{new}_{i,j}；
11. 如果 x^{new}_{i,j} 位于 x^{ub} 或 x^{lb} 之外，
              则将相应的 x^{ub} 或 x^{lb} 分配给 x^{new}_{i,j}；
12. 如果 f(x^{new}_i)>f(x_i)，则丢弃 x^{new}_i，保留前一个
         x_i，即 x^{new}_i = x_i （与 x_i(t+1) = x_i(t) 相同）；
13. 更新三个最佳解（领导者）X^p，p=1..3。

详情参见：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0965997813001853

应用领域和场景

灰狼优化算法因其简单、高效和全局搜索能力强，广泛应用于：

多层感知器的训练算法
训练 q-高斯径向基函数链接网络
经济调度问题
特征子集选择
电力系统电网
进化种群动态
优化关键值

网址：https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0287405

参考资料：https://medium.com/@deneb.acyg/grey-wolf-optimizer-in-c-part-1-intuition-232be414f4ad

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0287405

https://transpireonline.blog/2019/08/09/behavior-of-grey-wolf-optimization-gwo-algorithm-using-meta-heuristics-method/

基于Python的可视化算法实例

下面是一个基于Python实现的GWO算法实例，并通过可视化展示其优化过程：

import numpy as np  # 导入NumPy库，用于数值计算
import matplotlib.pyplot as plt  # 导入matplotlib的pyplot模块，用于绘图

# 定义一个灰狼优化器类
class GreyWolfOptimizer:
    # 初始化方法
    def __init__(self, objective_function, dimension, lower_bound, upper_bound, population_size, iterations):
        self.objective_function = objective_function  # 目标函数
        self.dimension = dimension  # 问题的维度
        self.lower_bound = np.array(lower_bound)  # 参数的下界
        self.upper_bound = np.array(upper_bound)  # 参数的上界
        self.population_size = population_size  # 群体大小
        self.iterations = iterations  # 迭代次数
        # 初始化种群
        self.population = np.random.rand(population_size, dimension) * (self.upper_bound - self.lower_bound) + self.lower_bound
        self.alpha = self.population[0]  # 初始化alpha狼
        self.beta = self.population[1]  # 初始化beta狼
        self.delta = self.population[2]  # 初始化delta狼

    # 优化方法
    def optimize(self):
        for _ in range(self.iterations):  # 对每一代进行迭代
            for i in range(self.population_size):  # 遍历种群中的每一个个体
                # 计算每个维度的系数A, C和距离D
                A = 2 * np.random.rand(self.dimension) - 1
                C = 2 * np.random.rand()
                D_alpha = np.abs(C * self.alpha - self.population[i])
                X1 = self.alpha - A * D_alpha

                A = 2 * np.random.rand(self.dimension) - 1
                C = 2 * np.random.rand()
                D_beta = np.abs(C * self.beta - self.population[i])
                X2 = self.beta - A * D_beta

                A = 2 * np.random.rand(self.dimension) - 1
                C = 2 * np.random.rand()
                D_delta = np.abs(C * self.delta - self.population[i])
                X3 = self.delta - A * D_delta

                self.population[i] = (X1 + X2 + X3) / 3  # 更新个体位置

            # 计算种群的适应度
            fitness = np.array([self.objective_function(ind) for ind in self.population])
            # 根据适应度排序并更新alpha, beta, delta
            best_indexes = np.argsort(fitness)[:3]
            self.alpha, self.beta, self.delta = self.population[best_indexes]

# 定义电网优化的目标函数
def power_system_optimization(x):
    return np.sum(x**2)  # 返回所有参数的平方和

# 初始化优化器参数
dimension = 5
lower_bound = [0]*dimension
upper_bound = [100]*dimension
population_size = 30
iterations = 50

# 创建灰狼优化器实例
gwo = GreyWolfOptimizer(power_system_optimization, dimension, lower_bound, upper_bound, population_size, iterations)
gwo.optimize()  # 进行优化

# 可视化优化过程中Alpha, Beta, Delta的变化
plt.plot(gwo.alpha, label='Alpha')
plt.plot(gwo.beta, label='Beta')
plt.plot(gwo.delta, label='Delta')
plt.xlabel('Iteration')
plt.ylabel('Value')
plt.legend()
plt.title('GWO Optimization Process')
plt.show()  # 显示图表

在上面的示例中，GWO算法被用于优化一个简化的电力系统模型，其中目标函数定义为所有变量的平方和，代表了一个假设的优化目标。代码初始化一个包含随机值的种群，然后通过迭代过程不断更新种群中个体的位置，以寻找最小化目标函数的解。这个过程中，算法更新了三个最优解，即 Alpha、Beta 和 Delta，它们代表了种群中的最优个体。

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