智能优化算法——粒子群优化算法（PSO）（小白也能看懂）

news2025/1/11 0:03:07

前言：

暑假期间，因科研需要，经常在论文中看到各种优化算法，所以自己学习了一些智能优化的算法，做了一些相关的纸质性笔记，寒假一看感觉又有点遗忘了，并且笔记不方便随时查看，所以希望将学过的知识从新捡一捡，作为几篇博客发表一下，会用最通俗的小白语言讲述只要逐字认真看一般都能看得懂（也是从我一个小白的角度自己对算法的理解），如有讲错的地方，希望大神能够批评指正。

理论知识：

形象讲解：如下面一张图片所示。在一个范围内，假如此时A点为目前的最优点，那么B点和C点都可能会向A点靠，但不是直接到A点而是下一步（下一个迭代循环）会向A点靠。
在这里插入图片描述
C—直接—>A：（1，1） = （2，3）+（-1，-2）
A点原始位置位移的方向和大小
C—靠近—>A：（1，1） = （2，3）+rand*（-1，-2）
A点原始位置位移的方向和大小(rand为0-1之间的随机数)
在实际中，C点的位移方向大小由三个参数所确定
1、惯性（上一次迭代时候的位移大小和方向）
2、自身希望的位移大小和方向
3、全局最优的位移大小和方向
由这三个参数共同确定其最后的位移方向和大小

数学模型：

在一个D维空间中，有N个粒子，每个粒子可以表示一个D维的向量，如下：
Xi = (xi1, xi2, xi3…xiD)，其中i=1,2,3…N
第i个粒子的“飞行”速度，也是一个D维的向量，如下：
Vi = (vi1, vi2, vi3…viD), 其中i=1,2,3…N
在第t代中的某个粒子，向比t+1代更新时的更新公式如下：
先计算位移大小：Vij(t+1) = wvij(t) + c1r1(t)[Pij(t) - xij(t)] + c2r2(t)[Pgi(t) - xij(t)]
再更新位置：xij(t+1) = xij(t) + Vij(t+1)
下面我逐一解释一下上述方程的各个变量的意思：
w:惯性权重
vij(t):上一次迭代的速度。其与w相乘=wvij(t)就得到了整个惯性变量。
c1:参数1，可以理解为学习率，就是控制每次迭代粒子步幅的权重。
r1(t):0-1之间的随机数，与c1一起起作用。
Pij(t)：个体认为的最优点。
至此c1r1(t)[Pij(t) - xij(t)]：向每个个体粒子飞行的具体方向和大小。
c2:社会学习率，就是控制整个种群（所有变量粒子）的学习率。
r2:同理r1与c2一起起作用。
Pgi(t)：全局认为的最优点。
至此c2r2(t)[Pgi(t) - xij(t)]：向全局最优点应该飞行的具体方向和大小
注意：不是更新位置就一定是更新位置，若更新后的点xij(t+1)的适应度不如原位置xij(t)，则不更新位置，保留在原位置。（适应度后面解释）

算法流程：

首先：设置各个参数：w:0.5-0.8；c1、c2:0.1-2；以及vmax和xmax：粒子的飞行边界，取决于优化函数。
接下来介绍算法具体步骤：

初始化粒子群：设定粒子个数N，并将所有的粒子初始到某个值（位置）上
计算所有粒子的适应度。
计算待更新的粒子的新速度，以及待更新粒子的新位置（大小和方向）
计算新位置的适应度，若新位置适应度更高，则将粒子位置更新，否则不更新
判断迭代次数等条件是否满足终止循环条件，若满足，则退出且输出最优结果，否则返回第二步继续迭代计算。
PS：适应度的解释：就是满足我们需要优化的函数的结果的程度。例如，我们需要优化一个函数，并找到其的最小值，那么这个适应度就是值该粒子的函数值是不是全局最小的，或者比上一次的粒子的函数值更小，这个粒子的函数值就是否更小就作为本次迭代的粒子的适应度。
PS：在第三步中，计算出下一步粒子的速度和位置后，需要先进行一个边界检测，看速度和位置是否大于边界值，若速度或位置大于边界值，则直接用边界值替换该计算结果即可。
提醒：在初始化比如50个粒子时，在100次迭代中，找到了全局最优解（例如最小值），但不是意味着所有50个粒子全都收敛到了最小值的位置，我们只需要在100次迭代后有至少一个粒子收敛到了全局最优的位置，我们就能够得到这个最优解。别的粒子可能因为学习率等原因没能向最优解靠近，也没问题。但是这种模型的参数肯定是不如那种能够全体收敛至最优解的模型的参数来得好的。

优缺点分析：

优点：原理简单，容易实现，参数较少。
缺点：容易早熟收敛，导致局部最优，且迭代后期的收敛速度很慢
解释：w参数前期要大一些，保证粒子的个体独立性强一些，能够多搜索一些位置，后期要小一些，多向其他粒子学习，尽可能收敛到全局最优。
参数设置的一些其他规律：前期：c1大一些c2小一些，保证粒子独立性。后期：c1小一些c2大一些，尽快收敛至全局最优。