DEEM — 精英主义和多群体的差分进化算法

文摘   2024-12-25 10:27   安徽  
摘要:本文介绍了DEEM(Differential Evolution with Elitism and Multi-populations),这是一种差分进化家族的新型启发式优化算法。DEEM集成了精英主义和多群体策略,以提高收敛速度和准确性。此外,采用基于多样性的重启策略,显著降低了算法陷入局部最小值的敏感性。通过敏感性研究展示了算法参数选择对优化成功的影响。该算法的有效性通过CEC 2015、2017、2020和2022的基准函数进行了验证,显示出相较于最先进的差分进化算法具有更优越的性能。此外,DEEM的应用通过一个复杂的地质工程优化问题进行了展示:校准用于预测单调加载和循环加载下土壤应力-应变行为的先进本构模型。这一校准过程非常耗时。DEEM不仅实现了更好的目标值,而且以更少的迭代次数实现了这一目标,从而显著减少了计算时间。

1. 引言 (Introduction)

- 背景:文章介绍了启发式优化算法在各个领域的应用,特别是在岩土工程中的应用,如桩基设计、基础设计、挡土结构设计等。

- 研究动机:文章提出了DEEM算法的开发动机,旨在解决岩土工程中的优化问题,并扩展到其他领域。

2. DEEM算法描述 (Differential Evolution with Elitism and Multi-populations (DEEM))

- 算法概述:详细介绍了DEEM算法,包括子群体、精英策略和重启策略的概念,以及重新初始化策略和边界处理。

- 子群体:描述了如何将总体种群划分为子群体,并在每个子群体中识别精英候选解。

- 位置更新:详细说明了全局最佳候选解、精英候选解和普通候选解的位置更新策略。

- 边界条件:讨论了如何处理有界约束的优化问题,包括阻尼反射法和周期性边界条件执行方法。

- 重新初始化:为了防止算法陷入局部最小值,介绍了基于密度的重新初始化技术。

3. 参数选择和性能比较 (Application to CEC 2015, 2017, 2020 and 2022 benchmark functions)

- 参数选择:通过CEC 2017基准函数对DEEM算法的参数进行敏感性研究,提出了默认参数值。

- 性能比较:将DEEM算法与其他差分进化算法(如DE、DE-JADE和DE-LSHADE)在CEC 2015、2017、2020和2022的基准函数上进行性能比较。

4. 在岩土工程中的应用 (Application to automatic parameter calibration of advanced constitutive soil models)

- 实际应用:展示了DEEM算法在自动校准高级土体本构模型中的应用,特别是在单调和循环加载下预测土壤应力-应变行为的模型。

- 校准过程:描述了使用DEEM算法进行参数校准的过程,包括初始估计、模拟实验结果和优化算法迭代改进。

5. 总结和结论 (Summary and conclusion)

- 算法优势:总结了DEEM算法在基准测试中的优势,特别是在提高收敛速度和准确性方面。

- 实际应用价值:强调了DEEM算法在实际工程应用中的潜力,尤其是在复杂的优化问题中。

- 未来工作:提出了未来可能的研究方向,包括进一步改进算法及其在其他复杂实际问题中的应用。

文章通过理论分析和实际应用案例,展示了DEEM算法的有效性和实用性,并与现有的差分进化算法进行了比较,证明了其在多种优化问题中的优越性能。

参考文献

Machaček, J., Siegel, S., & Zachert, H. (2024). DEEM — Differential Evolution with Elitism and Multi-populations. Swarm and Evolutionary Computation, 92, 101818. https://doi.org/10.1016/j.swevo.2024.101818

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