进化计算解决昂贵优化问题的进展与前景

2023年08月11日 由 samoyed 发表 357 0

术语“昂贵优化问题”(EOP)是指任何需要昂贵甚至无法承受的成本来评估候选解决方案的问题。这些问题存在于许多重要的实际应用程序中。


一方面,“昂贵的成本”可以指评估本身需要大量的时间、金钱等。另一方面,在许多现实问题中,“昂贵成本”是一个相对的概念,而不是一个绝对的概念。


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例如,当遇到流行病或自然灾害等突发事件时,为了支持日常运营和挽救生命,运输和调度可能是紧急的,此时优化的时间成本将变得过于昂贵而无法接受。


在许多领域,更有效地解决EOP已变得越来越重要。然而,由于评估候选解的成本昂贵,优化算法很难辅助EOP。


进化计算(EC)被广泛应用于求解EOP,是一个快速发展的研究领域。一般来说,EC是一种受生物进化和活生物体特性启发的优化方法。常见的EC算法包括进化算法(EAs),如遗传算法(GAs)和差分进化(DE),以及群体智能算法,如粒子群优化(PSO)和蚁群优化(ACO)。


EC算法利用自然进化中的“适者生存”思想,通过相应的进化算子产生新个体,并选择适合度较好的个体作为下一代的新种群。基于这种方法,EC算法可以在不需要梯度信息的情况下高效地找到满意的解,非常适合解决现实问题。


到目前为止,人们已经对EOP的EC进行了各种研究,并取得了相当大的成功。然而,EC for EOP 的研究成果仍散见于文献中,有待系统整理。因此,鉴于用于 EOP 的 EC 取得了快速而重要的进展,有必要对这些进展进行回顾,以便综合和理解以往的研究成果。


为此,本文对此进行一个系统和全面的调查,以全面回顾和分析如何实现和开发EC算法来有效地解决困难的EOP。此外,为了更简洁、清晰地呈现综述,本文根据文献来源、出版年份、影响以及本文所调查主题不同方面的覆盖范围等因素,选择并引用了相关文献。

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综上所述,本文的主要贡献如下:


首先,从数学上分析了利用EC解决EOP的总成本。在此基础上,进一步提出了降低总成本的三个方向:问题逼近和替代、算法设计和增强、以及并行和分布式计算。本文首次通过分析利用EC解决EOP的总昂贵成本,推导出潜在的研究方向。


其次,引入系统的分类法,系统地、结构化地回顾现有的工作,根据他们在上述方向上的努力,有效地解决EOP。分类法包含四个部分。

第一部分,问题逼近和替换,包括问题简化、适应度逼近、约束逼近和多保真度替换。


第二部分,算法设计与改进,介绍了优化框架与范式、新算子、适应度继承和混合算法与配置。


第三部分,并行和分布式计算,考虑了近似和优化的加速。


第四部分,真实世界的应用,是关于真实世界的。


在每一部分中,对已有的相关工作进行了进一步的分类和介绍。因此,这样一个系统的分类法可以更好地理解为什么、以及如何使用EC算法来高效地解决EOP,并为帮助各个领域的研究人员更有效地解决EOP提供参考。


第三,探讨了利用EC解决企业绩效问题的未来研究方向和有待解决的问题。

第四,本文考虑并讨论了来自理论-方法-应用三个层面的五个潜在未来方向:更深入的理论分析、更大的搜索多样性、更自适应的配置和控制、更好的知识学习和利用、在不同问题上的进一步测试。

文章来源:https://techxplore.com/news/2023-08-evolutionary-expensive-optimization-survey.html
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