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改进自适应人工免疫算法求解函数优化问题

孟亚峰 王涛 李泽西 蔡金燕 朱赛 韩春辉

孟亚峰, 王涛, 李泽西, 等 . 改进自适应人工免疫算法求解函数优化问题[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(5): 894-903. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0058
引用本文: 孟亚峰, 王涛, 李泽西, 等 . 改进自适应人工免疫算法求解函数优化问题[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(5): 894-903. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0058
MENG Yafeng, WANG Tao, LI Zexi, et al. Improved adaptive artificial immune algorithm for solving function optimization problems[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(5): 894-903. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0058(in Chinese)
Citation: MENG Yafeng, WANG Tao, LI Zexi, et al. Improved adaptive artificial immune algorithm for solving function optimization problems[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(5): 894-903. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0058(in Chinese)

改进自适应人工免疫算法求解函数优化问题

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0058
基金项目: 

国家自然科学基金 61601495

详细信息
    作者简介:

    孟亚峰  男,博士,副教授,硕士生导师。主要研究方向:电子装备可靠性理论、电子装备故障检测与自修复理论

    王涛  男,博士,工程师。主要研究方向:电子装备故障检测与自修复理论、可靠性评估理论、非线性规划问题优化

    蔡金燕  女,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:电子装备可靠性理论、电子装备故障检测与自修复理论、非线性规划问题优化

    通讯作者:

    王涛, E-mail:wangtao920110@126.com

  • 中图分类号: TP183;O232

Improved adaptive artificial immune algorithm for solving function optimization problems

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61601495

More Information
  • 摘要:

    为克服经典人工免疫算法(AIA)在函数优化过程中存在的计算量大、收敛精度不高和收敛速度较慢等不足,引入多个自适应免疫算子,提出了一种改进自适应人工免疫算法(IAAIA)。在经典人工免疫算法中,引入迭代次数对抗体激励度计算算子进行自适应设计,引入种群抗体平均激励度与抗体激励度对免疫选择算子、克隆算子、变异算子与克隆抑制算子进行自适应设计,提升人工免疫算法的收敛速度、收敛精度和稳定性。选择9个典型测试函数作为实验对象,同时选择4种典型人工免疫算法作为对比算法优化实验函数,对比实验结果表明了改进的自适应人工免疫算法在求解函数优化问题的有效性和优越性。

     

  • 图 1  人工免疫算法的流程

    Figure 1.  Flowchart of AIA

    图 2  测试函数f1(x)在5种人工免疫算法下的优化过程

    Figure 2.  Optimization process of test function f1(x)with 5 kinds of AIAs

    图 3  测试函数f3(x)在5种人工免疫算法下的优化过程

    Figure 3.  Optimization process of test function f3(x) with 5 kinds of AIAs

    图 4  测试函数f4(x)在5种人工免疫算法下的优化过程

    Figure 4.  Optimization process of test function f4(x) with 5 kinds of AIAs

    图 5  测试函数f5(x)在5种人工免疫算法下的优化过程

    Figure 5.  Optimization process of test function f5(x) with 5 kinds of AIAs

    图 6  测试函数f7(x)在5种人工免疫算法下的优化过程

    Figure 6.  Optimization process of test function f7(x) with 5 kinds of AIAs

    表  1  人工免疫算法与生物免疫系统中生物概念间对应关系

    Table  1.   Biology concept corresponding relationship between AIA and biology immune system

    生物免疫系统中生物概念 AIA
        抗原 待优化问题
        抗体 可行解
        亲和度 可行解的质量
        细胞活化 免疫选择
        细胞分化 克隆
        亲和度成熟 变异
        克隆抑制 克隆抑制
        维持动态平衡 种群刷新
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    表  2  九个典型测试函数的基本特性

    Table  2.   Basic characteristics of 9 typical test functions

    函数 函数维数D 搜索空间 最大迭代次数Gmax 最优解
    f1(x) 10 [-20, 20] 1 000 最小值为0
    f2(x) 1 [1, 20] 1 000 最小值为-1.293 7
    f3(x) 10 [-100, 100] 1 000 最小值为0
    f4(x) 2 [-20, 20] 1 000 最小值为0
    f5(x) 10 [-5.12, 5.12] 1 000 最小值为0
    f6(x) 10 [-600, 600] 1 000 最小值为0
    f7(x) 2 [-100, 100] 1 000 最小值为0
    f8(x) 10 [-500, 500] 1 500 最小值为-4.189 8×103
    f9(x) 10 [-5, 5] 1 500 最小值为-78.332 3
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    表  3  9个测试函数在5种人工免疫算法下的优化结果分析

    Table  3.   Optimization results analysis of 9 test functions with 5 kinds of AIAs

    函数 对比项目 AIA GMAIA GAIA DQABCIA IAAIA
    f1(x) 最优解 1.540 5×10-6 0.027 2 0.029 8 0 0
    最差解 8.287 9×10-6 0.221 4 0.960 1 0 0
    平均最优解 5.447 4×10-6 0.069 6 0.237 7 0 0
    最优解方差 8.672 2×10-6 0.247 2 1.101 6 0 0
    平均迭代次数 919.7 341.857 1 11.871 0 915.9 715.2
    迭代次数方差 354.756 7 900.238 1 19.169 9 210.662 5 179.846 6
    平均优化时间/s 43.456 8 26.525 7 0.637 7 37.647 2 29.609 3
    收敛到全局最优解成功率/% 0 0 0 100 100
    f2(x) 最优解 -1.293 7 -1.293 7 -1.293 7 -1.293 7 -1.293 7
    最差解 -1.293 7 -1.293 7 -1.293 7 -1.293 7 -1.293 7
    平均最优解 -1.293 7 -1.293 7 -1.293 7 -1.293 7 -1.293 7
    最优解方差 0 0 0 0 0
    平均迭代次数 749.575 8 390.700 0 548.500 0 573.200 0 176
    迭代次数方差 3.756 8×104 3.152 3×104 4.501 1×104 8.782 6×104 2.064 9×104
    平均优化时间/s 3.486 9 5.828 8 5.861 1 3.760 5 0.578 1
    收敛到全局最优解成功率/% 100 100 100 100 100
    f3(x) 最优解 0 0 0 0 0
    最差解 0 0 0 0 0
    平均最优解 0 0 0 0 0
    最优解方差 0 0 0 0 0
    平均迭代次数 11.562 5 32.857 1 8.529 4 5.564 1 4.625 0
    迭代次数方差 6.623 8 41.452 2 3.804 0 5.439 6 3.391 2
    平均优化时间/s 0.551 4 2.262 4 0.492 0 0.228 6 0.192 8
    收敛到全局最优解成功率/% 100 100 100 100 100
    f4(x) 最优解 4.266 1×10-4 0.031 7 0.179 3 0 0
    最差解 0.001 2 1.999 5 2.062 7 0 0
    平均最优解 8.449 9×10-4 0.238 2 0.989 7 0 0
    最优解方差 8.312 5×10-4 2.477 4 2.913 2 0 0
    平均迭代次数 785.303 0 22.030 3 2.135 1 342 214.393 9
    迭代次数方差 917.073 0 96.555 5 28.431 0 116.944 4 66.857 2
    平均优化时间/s 20.035 4 1.307 2 0.075 4 7.880 7 6.363 4
    收敛到全局最优解成功率/% 0 0 0 100 100
    f5(x) 最优解 2.985 1 9.220 9 4.482 5 0 0
    最差解 16.914 4 25.479 4 20.679 9 0 0
    平均最优解 9.628 7 17.891 4 13.115 9 0 0
    最优解方差 15.756 6 23.313 1 23.370 3 0 0
    平均迭代次数 932.787 9 44.888 9 6.062 5 62.055 6 48.289 5
    迭代次数方差 414.525 7 138.483 1 8.824 7 94.445 2 28.457 3
    平均优化时间/s 44.309 3 3.124 4 0.255 4 2.647 4 1.689 5
    收敛到全局最优解成功率/% 0 0 0 100 100
    f6(x) 最优解 0.019 2 0.605 6 0.257 6 0 0
    最差解 0.095 5 3.160 1 2.169 4 0 0
    平均最优解 0.057 7 1.635 9 0.968 1 0 0
    最优解方差 0.109 7 3.121 7 2.371 4 0 0
    平均迭代次数 933.969 7 132.727 3 9.925 0 212.789 5 44.500 0
    迭代次数方差 330.649 3 145.425 4 15.125 3 183.222 0 19.912 3
    平均优化时间/s 46.585 5 9.960 1 0.522 0 8.799 5 2.152 7
    收敛到全局最优解成功率/% 0 0 0 100 100
    f7(x) 最优解 0.009 7 0.009 7 0.009 7 0 0
    最差解 0.078 2 0.498 9 0.154 4 0 0
    平均最优解 0.067 8 0.074 4 0.043 9 0 0
    最优解方差 0.213 5 0.336 6 0.232 2 0 0
    平均迭代次数 661.647 1 2.657 9 1.382 4 22.947 4 9.542 9
    迭代次数方差 1.548 4×103 13.287 3 3.745 6 22.757 3 11.344 0
    平均优化时间/s 16.399 6 0.166 4 0.053 1 0.496 3 0.351 8
    收敛到全局最优解成功率/% 0 0 0 100 100
    f8(x) 最优解 -3.953 0×103 -4.071 4×103 -4.189 8×103 -4.189 8×103 -4.189 8×103
    最差解 -3.299 6×103 -3.558 0×103 -4.189 8×103 -4.189 8×103 -4.189 8×103
    平均最优解 -3.607 2×103 -3.755 5×103 -4.189 8×103 -4.189 8×103 -4.189 8×103
    最优解方差 0.026 3 0.021 2 0 0 0
    平均迭代次数 1 416.8 868.363 6 855 904.300 0 404.500 0
    迭代次数方差 5.960×103 1.170 0×104 3.403 7×104 1.313 4×105 6.685 4×104
    平均优化时间/s 44.445 8 47.129 6 34.009 0 32.291 4 16.743 5
    收敛到全局最优解成功率/% 0 0 100 100 100
    f9(x) 最优解 -78.332 3 -78.329 2 -78.332 0 -78.332 3 -78.332 3
    最差解 -72.677 6 -75.500 8 -78.305 4 -78.332 3 -78.332 3
    平均最优解 -76.752 9 -76.208 9 -78.317 7 -78.332 3 -78.332 3
    最优解方差 2.453 2 1.498 3 1.022 2×10-4 0 0
    平均迭代次数 1 375.4 752.875 0 294.900 0 558 421.400 0
    迭代次数方差 1.273 5×104 5.940 7×104 5.090 3×104 7.992 3×104 9.140 5×104
    平均优化时间/s 42.202 8 71.875 4 12.189 1 15.948 5 7.028 1
    收敛到全局最优解成功率/% 43.33 0 0 100 100
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-28
  • 录用日期:  2020-07-10
  • 网络出版日期:  2021-05-20

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