（计算机应用技术专业论文）满意优化理论在网络优化设计中的应用.pdf

两南交通文学硕士研究生举位论文 第1 页 摘骠 近年来，瑾阚终飞速发展与簧及，嬲终戆建设瞧毙跑誊是。套这秘鸳景 下，网络的优化设计变得越来越覆要。这方面的研究有助于建立起经济、高 性能、w 靠的网络。 。 簧绫静线纯设计强调鬣纯娶标静“最优解”，然嚣，计算瓤疆络豹钱纯藩 于多约束、多目橼的复杂优化问题，通常是n p 完全问题。要找到这类问题 的最优解不仪计算复杂，且花费的时间过长，从而失去了实际应用的意义。 本文旋蹬嗣满意解代替最撬解，灞满懑饶亿的疆论来研究弼络侥纯淘题。 本文分柝了最优化理论的一些局限性，综述了满意优他的发震现状，深 入系统地研究了多目标满意优化问题，提出了多目标满意优化模型。将该模 垄作为优亿方案鹃译价体系，采溺遗传算法作为寻优方法来找寻潜在的优亿 方嶷，犍这二者统一到一起形成了竞整鳆多基标瀵意谯识求瓣攫墼。本文鼹 该求解模型研究了骨干网优化问题和q o s 组播路由问题。 在设计计算梳通信网，特剐是骨干网时，需要确定拓扑萄中的每条链路 抟容量以及任意对遴信缝点数路壶方案，镬慰网终豹建造费用最低。翳时， 还要考虑到套网的利用率，使得设计的网络达到最高的使用效率。本文将提 出的多胬标满意优化求解模型用于该问题的研究，设计了适合该问题求解的 遗传算法。遴过鼹实铡静计算，寝弱了本文提爨浆方法求解震羹离，浚敛速 度快。 随着不断增长的多媒体应用需求，对网络的服务质量( o o s ：q u a l i t vo f s e 抖i ) 提囊了雯毫静要求，离羧静国s 交持交褥越来靛重要。q o s 路由是 实现q o s 保证的关键技术之一。组掇是q o s 业务威用驰一秽重要形式，组 播将同一信息从源结点传输到网络中的多个结点。实现缎播的一般方式是建 立缀播树，缀播黯鑫算法主簧焉采建立一裸往髓蠢好静缀播树，并使它能够 满足各釉业务的服务质囊霰求。本文簧先分板了组攘和缎援路由选择技本戆 原理，随后用多目标满意优化求解模型来求解q o s 缎播路由树。设计了适台 模獾求解豹逡传算法。在随机生成的网络上铡试了本文提出的组播路由算法， 劳与己知的冀法( k p p ，b s 气，c d l ( s ) 进行了魄较。络栗表鹗，在满楚用 户q o s 要求下，算法的效率较高，在均衡网络流量方面的效襞良好。 关键词；溃爨优化，遗传冀法，渤s 路盘，缓接秘，容羹与流耋分琵 西南交邋大学硕士勰究生学位谂文 繁珏羧 b s t r a c t kf e c e n y e a r s ，w i 圭h 黼p 避d e v 畦神m 撼t 骥dp e 越l e a l i o 轻醴臻鞋e t 释o f 酶，盎e n s t m c t i o no fi pn e 觚o r l 【sc a nb es e 强主n 。v e f y w 珏e l eo f 也ew o t r l d kt h i s s i t i i a t i o n ，t h es t u d yo fn e t w o r k s0 p t i m i z a t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r o i m p o n 缸t ，w h i c hc a i ih e l pc o n s t r u c te c o n o m i c a l ，l l i g i ip e r f o l r m 姐c ea n ds t a b l e n e 咖r k s 秣et 豫d i t i o n a io p t i m j z a t i o nd c s i 鲥f o 跚s e s 佃g e t t i n gt h e e s t ”s 0 1 u t i o n b u t b 嚣c a 硅s co f氆o s tn e 辩o f 醛 o p t i 黼i z 毫t i o np 确m e m s璐u a l l yb e l o n g t o 煳u 燃- 致s 她薹球粕dm 毽撼一螂e c 蛙v e 印差至撵i z 鑫l i 溅秘两l e m s ，氇毒t f 箱i t 沁矗越 o p t i m i z a t j o nd e s 堙a f en p - c o m p l e t e 印b l e m s 。孙o b t 斑蠕e “b e s ”鞠k | 主。鑫 n e e d sn o to n l yc o m p l 。xa 1 9 0 r i t h m 曲u ta l s oal o n gt i m ed u r i n gt h ea l g o r 主t 胁艇l s 。 t h eb m ec a nb e c o m es ol o n gt h a tt h ea 1 9 0 r i t h mc a n n o tb eu s c dt os o l v et l l e p r a c t i c ep r o b l e m s 1 nt h j sd i s s e n a t j o n ，ac o n c e p to fs a t i s f a c t o r ys o l u t i o ni s p r o p o s o dt ot a k ep l a c eo p t 妇u ms o l u t i o n ，at h e o r yo fs a t i s 如c t o r yo p t i m i z a t i o ni s p “) 玲s e d os l u d y 稚e l w o 攮so p 娃m i z a 畦o np r d b l e m s 戳s 越s s e 娃越。建鑫鑫蘸y z e s 氇el 主m i 稚i o 嚣侥eo p l i 翻黼氇e o 嘞r e v i e w s 氆e s n l d yo fs a t i s f a c t 艇yt h 秭s t n 娃i e s 娃l i s 妇c l o 垮m h l 蛀- 蕊抟娃v ea 舜氆i z 采i 鳓 d e e p l y 直d d s y s t e m a t i c a n y a n d e s t a b l i s h e st h c s a t 强重c t o f ym l l h i - o 毯e e 蛀v e o p t i m i z a t i o nm o d c l 1 w sp a p c ru s e st l l i sm o d e l t ob em ce v a l u a t i o ns y s t e mo f o p t i n l i z a t i o ns c h e m c ，a n ds c l e c t sg a ( g e n e t j ca l g o r i t h m ) t ob et h es e a r c hm e t h o d s e a r c h i n gt h ep o t e n t i a lo p t i m i z a t i o ns c h c m e 骶e “a l u a t i o ns y s t e m 明dg aa r e 醢砖篷e d 穗es 矗m ea 托h i t e c t u f et ob e o o m eac o m p l e t es o l v i n gm o d e lo fs a t i f a c t o r y 搬鼙珏i - o 毯e e 妻主v # o 珙i m 主z 鑫t o n 。t h 主sd i s s e 盘a 耄i o n 毪s e s 穗es o l 雠i o nm o d e it os t u d v m eb a c k b o n e 珏e t w o f ko p t i 蕊z a 圭主。建a n d 瞧e 鼬s ( 酝a l i l y 武s 搴f v i c 。m 鞋l t i * e a s t r o u t i n g 1 nt h et e r m0 fd e s i g nac o m p u t e rc o m 瑚u n i c a t i o n n e 撕o f k ，o s p e e i a l l ya b a c k b o n en e t w o r k ，i tn e e d st 0s e l e c tam u t ef o re a c hc 0 l m u n i c a t i l l gp a i ra n da c a p a c i t yv a l l l ef o re a c hl i n ki nt l l en e t w o r kt 0g e tm i n i l u mo v e r a l lc o s t0 ft h e n 娃w o 噱ha d d 氧i o n 。t h e1 l t i | i z 棚o no ft h ew h o l en e t w o r l cn e e d sa l s ob e e o 珏s i 娃e f e d 。霹l ep f o p o s e ds o i n t i o nm o d e li su s e dt os o l v et b eb a c k b o n en e 附o r k s o p t 溉i z a t i 鳃p f o b l 蹦1 h 璁es 箍糯e 童i 爨嚣，as 毽i t a 醚eg ai s 赴茁黔醯t os o i v et h i s b a c k b o n en e t w o r ko 誉i m i z 撕o np 粕b l 槐a c c o 砖i n g 论氇ee o 氆p 毽蛀珏go fr e a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 e x a m p l e s ，t h es o l v i n gm o d e l j sp r 0 v e dt h a ti tc 蛆g a i nh i g hq u a l i t ys o l u t i o n ，i l lt h e s a m e 蛀m e ，i t n v 嚣f g e 箍毫蠡蛾孓 a sar e 驰l lo ft h ei n c r e a s i 甥d e 越黜do f 翔珂t 主攥o d i 鑫a p p l 主c a t l 蝴s ，e 董i c i 蹦l 鞠 e f ! l b c t i v es u p p o no fq u a l n yo fs e r v i c e ( q o s ) h a sb c c o m c m o r ea n dm o r ce 辐e n t i a l q o sr o 醢磅n gi so n eo ft hk e y 触出n o l o 毋e so fr e a l i z a t i o n “掣盯撇t e eq o s a 辨l i c 采i o n s m 咄i - c a s i sa 鞋i m 则a 珏专鞋y l # o f 鼬s 鑫p 番i 祛l i o n s ，w 毯馥n s i s | s o fc o n c u r r e n t l ys e n d i n g 也es 锄ei n f o l m a t i o nf r o mas o u r c et oa 蛐b s e to fa n p o s s i b l ed e s t i n a t i o n si nac o m p u t e rn e t w o r k m u l t i c a s tu t i l i z e sat r e ea sd e i i v e r y s t 糯c 耋班e 鑫w h 至c 囊d 纛ap 疆c k e t sa 砖魏p l l 龆t e do 珏玲贰如呔珏o sa n da r e f o r w a r 如do n l yo n c eo v e re a c hl i n k 。t h em u l t i c a s tr o u l i n ga l g o r i t h mf & u s e so l l c o n s t n l c ta 9 0 0 dp e r f o m a n c e m u l t i c a s t t 他e ， o nw h i c hc v e r yk i n do f 礞翻 髓t i 蕊s s sc n s 毽臻d 。 t h j sd i s s e n a t i o na n a l y s e st h ep r 迹c i p l eo m u l 6 c 8 s l8 嬲氆饵l 至- c 鑫s tr o 毽畦n g t e c h n o l o g y ，u s e st h es a t i s f a c t i o m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o ns o l u t i o nm o d e lt o 臻s l l e taq o sm u l t 主- c a s tl 麟e as l i i t a b l eg ai sd e s i g n e dt os c a r c ht h ep o l 尊n t i a l o p l i 删z a 娃o ns c h e 搬e s 。心伪妇i n gt ot 酶糙u 王娟。珏螺撼el 糕d o 氆p r 醴h 髓d n e t w o r k s ， t l l es o l u t i o nm o d e lp m p o s e di nt l l i sd i s 8 e r t a t i o ns h o w 嚣ag o o d c 。辑v e 秽n c es p e e da n dg o o d 幻i 王i t yo fl o a d i n gb a l 粕c eo fn e 咐o r ks t r e 蛐， c o m p 甜e d 协t h e 砖l 霉a 姆o p o s 醛越鲥t 酗s 醚e s l 秘l i 豳i 鑫g 基m 翻蛀- 蕊s 耄l 臻e s u c ha sk p p b s m a ，c d k s k e y 哟r d s ： s a 魄f a c 搬翠o p 涵主z a 主i o 岛g e 珏e | ca | 鲥l ，渤sr o u 6 n 蚤 m u l l i - c a s tm e ，c a p a d t ya n d n a 缀c a s s i 鄹瞄e n t 嚣囊交通大学磺士聚究生擎馒沦文繁l 燹 第1 章绪论 1 1 网络优化设计产生的背景 随着近年来全球i n t e m e t 的飞速发腋，计算机网络的建设速度也是一日 千萋。这就使得入稍自熬而然地提出这样一个问题：怎样建设与维护一个网 络，使褥它翡费惩尽霹髓静低豢，毽葡辩簸率要尽筲能豹商，落转尽可能舔 警稳2 这个问欺可以缨分为嚣个方蘧魑终瓣设计期优纯与运撑期往纯。对 于网络的设计期。通常针对骨干网的规划设计。即谯绘逛缝点熬馕强下，螺 何设计一张豳包禽这姥缩点，并使得可靠性达到要求。确定了搦扑结构压， 如何确定任意两个结点的路豳方案，如何分配任意一条链路的容量大小，使 褥该霄干两既有较高的髋能( 平均时延，全两利用率等) ，又有尽可能低廉的 建造爨焉。潮络的设计麓淘繇通常耩予n p 宛全闷麓。本文研究拓扑己知的 燔提。 男一方嚣，m t 锨l o t 灏震提供戆嬲络服务类型不叛扩充，入稍戳不满足予 收发e 哪a i l ，浏览网员这些传统豹瞬络服务。语音黪天、视频点援镶多媒体 应用变得越来越黹遍。i n t e r n e t 正由单一的数据网络向集数攒、诿音、视频等 多媒体信息予体的综合性网络发展。随着i n t e m e t 开始提供多媒体传输服 务，糟户对菔务的质覆( q u a l i t y o f s 盯v i c c ，q o s ) 的簧求也提高了。主要是满 髭传输静连续牲( 传输对延) ，淘匀往( 对延辩动) 。然而，i n t e m c t 在设计之 甥并没有过多考虑鼹务袋鲎翔瑟，它遵循“惩力甭为”静传输原受| j ，不能对 不同的业务采取送分性憋服务，因瑟常常无法提供令人满意鹣服务履量。i p q o s 就是在这静背景下产生的， i p0 0 s 是对传统网络传输模型的全方位改造，它主要包食以下方露：溅 量整形( t r a f f i cs h a p i n g ) 【5 5 1 、包调度算法( p a c k e ts c h c d u l i n g ) 【5 6 1 、q o s 路出 算法( q o sr o u t i n g ) f ，6 。3 钟、资源预留( r e s o u f c er e s e r 、，a t j o n ) ( 3 8 3 9 1 、接入控制 ( 髓l l 缱搬i s s i o nc o n t r o i ) 等。q o s 路囱算法被认为是保证q o s 的关键所在， 它是镪含多个q 瞒参璧静动态路由髯法，算法的磊的是在网络中找到从源结 点到爨鲍结点戆路径集会；该集会中的路径均满足疑源缩点剿蟊韵绪点的时 嚣寓交遗大攀疆圭辑究囊学位论文第：贾 廷、带宽、葬壹延誊 动等经能攒标静隈潮，获悉提供裔力熬q 醛保证。鼬s 路 由算法通常是面向连接的，它与资源预黯功能相配含，提供有质量保证的服 务，它的好坏直按影响蓟网络的服务质薰。本文着麓研究o o s 路由算法，该 阉题麟予霹络运镗甥优忧淘题ew 妇g 积( 幻w 硪涯明，如果路壹楚秀令或 多个加性或乘性q o s 参量的任意组合，那么这一类路由问题属于n p 完全问 遥l n 。 1 2 网络优化的研究现状 属于设计期的骨干网优化，以往的研究大多是把该蜒题分为嚣个子阏惩 来解决，即在路幽圃定的条件下确定链路容鬣分配问题 2 】；在链路容量固定 瓣条串下确定鼹囊选择黪酒题【3 】。毽是，摄文戆踌巍选择是专链路麴容薰有 必的( 容量的大小又与费用商关) ，也与报文到达率有关。所以最佳的结果应 阉时考虑路由选释和容置分配这两个问题。g a v i s hb 和n e u m a ni i 4 僧经研 究过这个阍题，攒出该闯题爆于潆竞金闯鼹。他们采用拉格朗旦松弛帮撵 度寻优的方法来解该问题，但算法复杂，编稷计算不方便，且算法所需的计 舞量遗较大。运冬来，鸳髓冀法，铡翅模羧邋灾算法箨霸，遗抟算法掰】，藏群 算法1 5 刖，神经网络m 等，这魑算= 去在解决n p 完全问题方面表现出较之传统 方法黼得多豹效率。国内学者盱犬强溺、何翠红澜等采用遗传算法来解决骨 干网优化闯题，取褥了较好的结果。 但是，不管采用哪种方法，都面临这样一个问题：随着拓扑结构的复杂 纯，节熹鼗嚣熬增多，计算蠹会迅速瓤羚，甚至超逡了入稍所貔承受静极限， 从而使优化本身失去其工程意义。在这种情况下，追求一个最优化解变得毫 无意义了。 此羚，嚣于网设计不仅簧考虑到鄹络迄份的经游性，还要考虑劐全翳戆 利用率。以往的研究中，并没有考虑到这一点。对于网络的设计，即有经济 熬造徐，又有鞍态麴嚣震率才是稔赘好缝鞠浚计。 属于运行期的q o s 路由优化与传统的路由策略有着明显的不同，这主要 褒现在： ( 1 ) 转绞路由策蟋共没毒考虑q 醇霉求，瑟生残戆路径不一定链够涛 足用户的q o s 需求。 ( 2 ) 终统翡海宙鬣酶戳嫒短貉径优先酌憋悲采指导鼯由嚣静工作，这就 蘸南交通大学硕士掰 究生学位论文第3 贾 忽珞了疆络串还w 髓存在着其它可行豹路径，使得鳐点的流慧都会沿着同一 条最短路径米黄输，容曩罢致滚霪过度集中舔发生瓣络妫都拥塞，懂得整个 嘲终的服务拨能积吞吐蠼能下降。 通过上面的分柝可知，q 瞒鼹由策赂的爨拣就是充分发握满足鼹户q o s 要求的路径，引导数据包沿赞发掘出来的路径前进，使网络流量褥以均匀分 配，提高网络资源利用率。 国于q o s 路由通常存在多个q o s 约束条件( 最丈带宽、传输时延、时延 害薛动、最小丢龟率等) ，使褥q o s 路由成为在多约束条件下的优化问题，属 予 潆完全漆器，网样逶会采怒离效率赘餐能算法来解决途个闯戆。文献【7 】 8 】 袋用遗传冀法寒获取q 醛踌由，文献翻剡采用襻经烟络来磅究q o s 路辔策 略。 目前进行的q o s 路由研究中，大都试图尽最大能力找到能满足周户要求 的最优路由，精力放在“最优”上。然而，q o s 路由是典型的多目标优化问 题，番个目标之间分髓不同的概念，没有统一的单位量，同时，各个目标之 闯可熊存在互为矛盾豹关系。例如，多媒体通信翼求端刘端时延最小，时延 辩动最小，丢包率最低，带宽最大等。对延和对延辩动静单位是郴，带宽的 单位烂刍扛詹，费髑的单键是嚣，褥丢包率剿茺量祭；增鸯弱薅络结点的缓_ 牢区 窑量礴助予减少鬟包搴，但霹鸵会增大时延与融延拱动。恩瓣，隧终模型与 网络状态的非精确性也加大了获褥最优簸的难度。魇以，在隧终麴q o s 路峦 的优化中，通常不存在所有目标函数共同的最优解。 此外，如何将多个q o s 魔量汇聚成一个适应度函数一直是人们研究的薄 弱环节。通常的做法是，为了计算方便，将多个q o s 参数精简成2 到3 个， 虽暹常是淫定一个参数后荐采寻饶其它参数。这种骰法并不能体现q o s 的多 约寒燧以及约束熬同瓣挫，使褥勰鹄凄蠹下降。 例如，再找寻榜会要求懿q 口s 路经时，蓄走去簿不簿会带宽簧求瓣路径， 然后柱后继的搜索中不再考虑繁宽间题。这榉傲就失去7 一令港在的好处： 能够将流蹩优先分配到那蝗有较多剩余带宽的路经上，起到乎缀嬲终滤爨的 作用。 1 3 满意优化发震现状 1 9 7 8 年，诺煎尔经济学奖获得者h a ，s i m o n 在经济组织实际决策的研究 西南变通大学硕士研究生学位论文第4 页 中，首先撮出了“令人满意准则”的概念来代替微观经济学的最大化原则， 同时提出了用满意决策代耱最伍决策的思想1 1 0 1 。蚀举了一个缀形象我铡予来 说明满意解的优越性：在蛾里摘玉米。如采簧我一个最大的玉米是很困难的， 需要把地里所有的箍米都测量一下，再加以比较才能确定。并且，这个问题 翡工终耋鼗玉米速麓嚣获畿延戳，箍积戆大，工侔越霞难。僵是，强采要求 找到的不怒最大的鄢一个采米，谢是一个比较大的，即按通常的说法，到地 里去攘一令丈玉米，翘题就餐萃多了。这辩，土魏鏊瑟积大小甚至静工侔豢藿 本凭关f 1 。1 。 任平教授首先铡用模糊数学蛉知识，将潢意麟嶷定义为慕一谂域在约素 条件构成的子集的限制下所形成的截集。提出了采用模糊集合论的方法来研 究满意解集1 1 2 j 。 上 鎏纪9 0 年代，靳善教授通过魄较、毫 n n e u m a n n 计算视与入躺的结构特 点，运转机制后发现，人脑之所以在高级惰息处瑙方面远胜过电脑，主要肖 嚣令因素：( 1 ) 人簸装基黧芳露分布缕梅i ( 2 ) 入麓遵缀罨求涛纛解静运箨 法则。由此，靳蓍激授提出了“神经计算的满意解原理”【l l 】。 最近，金炜东教授研究了评价满意织幢毙雏淤意度嚣数，舒慰复杂潮惩 提蹴了“多目标满慧优纯模型”和“局部一全局型满意优化模型”，并将它们 用于列车操纵优化方法研究中【n j 。姚新胜将满意忧化用于机械的优化设计 中，取褥了良好静效采阁。 寻求满意解的满意优化方法之所以可以得到迅速发展，主要是因为它具 毒以下足方瑟特熹； ( 1 ) 满意优化方法具肖人类智能信息处理方式的基本特征之一，即在巨 大盼搜索空间中迅速地找到满意解豹毙力。 ( 2 ) 传统优化方法采用描述闯碰的数学模型。因为模溅本身是实际问题 的简化，或多或少忽略了一些因素。另外，数据采嶷的不 | l i 孽礁以及参数馈计 静举准确酃可能导致褥到豹“最优解”毪采用满意优化方法得到的满意解产 生的误差璺大。 ( 3 ) 踺予一些诗葬复杂程度较大蠡孽优辱乏瑟瑟，凌在并来我到移之有效酌 最优化方法但是采用某种按满意解原则所设计的满意优化方法却能得到满 意的优诧效果。 西南交通次学硕士讲究生学忮论文第5 页 1 。4 网络多酱标满意优能方法的提出 跌l 。2 ，j 、节瓣势掇霹知，鹬终优诧越惩，无谂是设谤鬻线诬涵题逐是运 稃期优化问题，都属于多参数，多约束条件的n p 完全问题。传统的以求最 优解为目标的优化方法在解决阉络优化问题时，会遇到计算时间过长i 最优 瓣难数求爨熬垂境。鼗辨，阏终豹动态缎毽撵获褥瓣终莱一嚣孽蘩鹣耪薅经辘 指标变得很困难，在这种情况下，追求“最优”本赢就失去了意义。本文采 用满意优化方法并结会遗传算法的强大并行搜索熊力来解决网络优化蝌题。 分裁在莺予潮设诗与q o s 路壹瓣令方嚣避行了该努法熬瘟躅疆究。 在骨干网优的优化设计中，本文不以最优解为第一追求目标，而怒从工 程实际出发，追求一个决策者认为“满意”的解。也就是说，判断网络的某 设计方案戆好舔，不怒它是否焱挽( 事安上，大多数情琵我靛瞧难豁攀握曩 伉解) ，而是其落在了王程实际限制以内的程度。程度越高，则该分配方案( 解) 的质量越商。决策者宪全可以爨化这种稷度，当决策者认为莱个解足够好， “满意”了，寻往遥獠溉霉结窳。 评价解的标准从窳际出发，以人们的需求为导向，设置简单、灵活。在 使用遗传算法进行寻优过程中，找到令人“满意”的鳃的摄率很大，邀就搬 祆了算法鹣l l 芟敛速度，获蔼有效邋缓解了毽网络麓镤增大带来的”计髯爆炸” 问题。 本文建立了同时考虑费用与全网列用率的多鞋标满意优豫模型，傍必译 价菜个设计方案麓评价体系。分别建立了费用与利用率的满意度函数，通过 线性加权的方法将这两个目标的满意度综合为一个满意度，作为设计方案的 最终评价续暴。每个鲤标的权傻代表该嚣标在总体嚣标孛所蠢懿比重，霹由 决策者禳据实际需要烫活给出。葡对，设计了适用予骨干网优化的遗传算法， 并将综合满懑度函数作为遗传算法个体的目标函数，个体的网标值代表了个 体的综合满意度，势稳保令体豹嚣蠡谴越丈，其逶疲疫越裹。 对于q o s 路由算法，本文撼出了用满意解代替最优解的方法。通_ 过引入 满意度函数，使得建溉多约束的q o s 路幽算法成为可能。本文以q o s 备性 麓臻撂( 零宽、对延、嚣延辩渤、丢毽率) 袁囊檬，建立了榻应豹多瓣标滚 意优化模型。以用户提出的各q o s 性能指标要求为基准，分别建立了备自的 满意度函数。以简单、合理为函数设计原则，再通过线性加权的方法，得出 路经( 或踌镪爨台) 黪综合渍意发，傻褥我程不盛秀楚恁霹黉臻重要豹鼬s 西南交通犬学硕士研究生学位论文 第6 页 参数。 两样遗，设计了邋合q o s 鼯由的遗橹算法，将综合满意发作为种群中个 体的臣标蘧数篷，鼹撵礁傺曩豁遗数值越大，令傣驰逶应度越寒。交予找寻 的是满意解，所以搜寻的时间可以大大缩短。此外，由于始终考虑到带宽攒 称，采用本文的求解模型，可以在确保q o s 佼能的葡提下，隐性墩实现流擞 豹均餐分毒。 1 5 本文组织结构 本文主要将满意优铯毽论盛露在辫缮静优纯设计串，论文分为5 章，分 别介绍如下； ( 1 ) 第1 章为绪论，简要介绍了计算机通信网络优化设计的研究现状， 鬻述了采焉传统簸优纯方法所懑蓟约困难。随厝对满意优纯酌概念做了简要 说瞑，磬分缨了满意优化璁论的发展瑷状。最履提出了以满意健纯代替最优 化的方法，并将其应用在骨干网优化设计以及q o s 路由算法的研究中。 ( 2 ) 第2 章较详细迪余绍了满意优能理论，给妊了满意凝与满意解的定 义，分绍了几秽鬻用的瀵意度鼹数豹形式。露孵，公绍了满意饶能翘鬟靛求 解步骤，最后提出了多目标满意优化的问题以及数学模型的一般形式。 ( 3 ) 第3 章介绍了适用于网络寻优的多霹标满意优化模戳，考虑劐遗传 算法的强大游行搜索裁力，将遗传算法与翘络多嚣标渍懑傥纯方法糖结合， 形成了一种宪整的针对网络多目标优化闻题的一般性求瓣模型。 ( 4 ) 第4 章将多黼标满意优化方法用于网络设计期的优化，同时寻求建 造总费耀与金网零l 雳率这藉令搔标熬满意解。将多瓣标满意优纯方法嵌入虱 遗传算法的瞪标黼数计算环节。并将本章提出的方法与慕于p 躲。t o 费 序蛇多 目标优化方法进行了比较。计算结果表明本章的方法具商更高的效率和更稳 定戆牧敛速发。 ( 5 ) 第5 章将多疑标满意饯化方法黑手铷s 鳃援羧壶懿疆究。q 幅缎 播路由本质上是找到一棵连接源点与所有组播终点的组播树。要求这棵树在 满足q o s 缓播需求的阉对，还簧有利予均衡网络负载。为诧，本章建立了评 价一摄组搔树的溃意模型，设计了楗应爨遗倦算法耀予搜索谴大“满意”静 组播树。最后，通过与其它启发式组播路由算法进行比较，缩果表明本章提 高的方法既肖较高的效率叉能较好地均衡网络负载。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章满意优化理论介绍 2 1 满意度、满意解的基本概念 2 1 1 狭义满意度、满意解的概念 满意度最早被许多学者作为一种准则提出。从h i a s i l o n 的令人满意准 则，任平的满意优化准则i l d 】，到靳蕃的神经计算满意解输出准则【1 l 】。这些研 究的共同点就是用满意准则来代替传统的最优化准则，且逐渐走向具体化、 应用化。 暨南大学的任平教授用模糊数学的方j 去对满意度进行了定义。考虑论域u 到目标值集合y 的一个映射： ，：u _ y ( 2 ，1 ) u 为全体可能解或可能策略的集合，矿是衡量解或策略的某种标准集。定义 矿的一个f u z z v 子集6 为“满意”。其隶属函数为： ， 、 蟾：y 【o 羽 “。 令百为u 的f u z z y 子集，有如下定义； 引用定义2 1 对满足c 。- 垂，g 。_ 中的任个 值， m 。一缸l “g ，o ) q 为，在e 上的a 一水平满意解集。 别为0 。与彘的 一水平集，即： c 。一0 l h u ，p e o ) 2 a 0 s 1 ，称 其中c 、g 分 g 一* l v 矿。卢亡( v ) 引用定义2 2 考虑e 上的一个f u z z y 子集詹，其隶属函数规定为： 引用定义2 2 考虑e 上的一个f u z z y 子集詹，其隶属函数规定为： 弘o ) 却0 ， 0 5 1 1 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 则称庙为，在e 上的满意解。这时，肛， ) 就是解“的满意解。 这一定义反映了满意度具有模糊性这一本质。但采用隶属度的表示方式， 并没有正确反映满意度的本质内涵。 基于线性取值的满意度定义较多，比较早的是胡思继教授，他在探讨铁 路运输计划指令性指标按纵向从上到下或从下到上进行分解的方法时，给出 了如下的定义： 引用定义2 3 设五为指标数值，l 与工。分别为指标的最佳解和最差解， 则指标的满意度为： ”糌 s ， 很显然，这个定义是针对具体环境提出的。对于一般应用来说，很多情况下， 解的最佳和最差的先验知识无从得知。所以，这种定义的通用性不强。 靳蕃教授从模糊神经计算智能系统输出解得一般性评定满意度的需求出 发，按照解得离散和连续性质，实时和非实时要求，给出了几种不同的满意 度表示方法m 1 。 引用定义2 4 设离散解集z - “，屯，x ) 为有效解集，对解而z 的 某种性能评价用g o ；) 表示，定义子集 工o ，) - 坛i 口0 ) 鼋o 。) ，算疋)( 2 7 ) 则当f n c i s 输出解暑时，它的满意度定义为 蹶) t 帮- 1 斜 ( 2 - 8 ) 引用定义2 5 设国) 表示定义在一m t 吼s 碍吼 一般住满意度酌定义没有限定具体的数学表现形式，县体表现 影式视阔题本身嚣定。 ( 3 ) 啦一性瀵意度是农绘定满意椽准下豹满意度。对予一个确定的 标准，每个鳃有唯一的一个满意度秘它慰应。 霹南交通大学硕士研究生学位论文第搀夏 引丽定义2 9 满意度水平在一定的满意度标猴下，每个可行解都舆有一 个满意度鱼满意度有序，谈毛为一个满意渡，如栗决策者对毛所对应的解满 意，那么也会对所有高于这个满意度的解感到满意，蒯称文为一个满意度水 平，记为a 。对于一个给定的阀趣以及一个给定的满意度黼数，满意度水平 集会记为。 零l 耀定义2 1 0 满意解在一定的满意标准下，辩于莱满意永平a ，如 采一令解蠢的满意发买有或超过满意永平a ，朝：5 搿) a ，就称解d 为满 意拳平点下懿满意解。 荨l 用定义2 1 l 满意解集 满意永平豹解静集合，帮其有一定满意程 度的闽遂的解敬集会。满意标擞f 确定鲢全局满意解集合，称为全蜀满意解 集，其中每令露素懿满意度是最大静( 全精满意解) ，记为 d ，一p l d 域，! 裂编，s g 冷s 够 。漾纛标准f 戬及五满意窳平确定静满 意鳃集会，猕戈五水平满意解集，记为t 乜l 蠢t 基d 。，s 蹿净a 。 2 ，2 满意度函数的表拳 满意函数是满意标准的的数学袭达式，它姆问题驰解映射为用户潞鼹熄 满意程度。满意度函数是为了满足科研与工程计算的需要，对一些常用的、 易搽作的、合理的表示形式进行了燕化的描述。同时，根据满意度的合成原 羹| j ，对予一些复杂阍题，虽然裔若干因素对满意度产生影响，但我们总可以 扶莱些篇萃方甏开始分析，进而胃戳通过一维满意度的某臻合成运算来获得 多缎潢惑度。 下颓给如几弛一维满意度鼹数魄表示形式。瀵懑发蘧数蚜是攀调黼数， 为了表达的一致性，下域的满意度嗵数的僮域均为鸭1 】，实嚣应用中霹以擐 据问题灵活改变。 2 2 1 单调减函数( 戒上型) ( 1 ) 降半矩形函数 西南交遗大学硕士研究生学位论文第l l 页 删龆z ( 2 。i 王) 匿2 - l 降半矩形疆数 鼙2 - 2 降半r 一添数粥2 - 3 降半正态涵数 ( 2 ) 降半r 一聪数 5 翟) 。 州卅，d ，4 其中2 o ( 3 ) 蜂半摄态殛数 聪。矗盛 5 翻) 。* i 耐如堪其中b o ：甜f ( 2 2 4 ) 薏 m 其中q 誊【o ，1 】( ft 1 ，五，埘) ，并且潢足孓啦一l 。式2 2 4 遴豢称先线蛙趣毅 综合满意度灏数，它反映出了综合备- 艇能指橛的溃意度愿多爨掾优纯超鼷 的综合满意发。本文就采用这秽线性加权形式的综食满意度涵数。综会溃意 度形式的确定有多种方法，不少学者在这方砸做了研究1 1 7 埘。 疆瘫交运大学辕士凝究生攀位论文嚣l s 茭 2 。6 小结 本章对满意优化的基本理论进行了分析介缨。 ( 1 ) 首先介绍传统的满意废、满意解的概念，介绍了静态满意度与动态 满意度的区别。然盾引入更一般的满意度、满意解的定义，分析了满意优化 的特佳。 ( 2 ) 分析了满意凌函数的特点，考虑至n 满惫度涵数的单调性，给出了几 $ 枣农实数域上鳇满意疫滠数。 ( 3 ) 绘出了满意优他翘题麴运行摄架，详纲阐述了灌意优化阗题的求编 过程。 ( 4 ) 提出了多豳标满意优化问题，给出了多目标满意优化闻题的一般形 式上的数学模型定义。 荫南交通犬学硕士研究生学位论文第l 页 第3 章网络多目标满意优化模型 3 1 网络多耳标优化闻题概述 网络多两标优化阐题是多目标优化问题在网络优化方面的实际应用，是 典挺懿多基拣、多约寒超联。嘲络静牲毙撩标蠢缀多，铡鲡逡侨、全溺稍焉 率、端剿端时延、时延抖动、丢包率等等。这些性能指标计算方法不同，量 纲不同，有的彼此独立，有的缓此藕合。 溺黠，醚络掇骞多令设置参数，镄蠡链路带宽、链路类燮、遥信结点同 的路由，结点的缓冲区大小等等。网络的设璧参数农具馋的网络孛憋受到攘 应的限削。这些参数的设鬣决定了网络的性能指标，不同的参数设置就有相 应静不蠲往熊指标。 网终多爨标优化闻题具毒以下特点： ( 1 ) 网络多目标优化同时要求在焓定设置参数的条件下，多个目檬郜尽 可麓邃好。 ( 2 ) 套照标之耀绽往存在糕互冲突，一些疑据豹改蛰缝毪会造戏另一些 目标的繇化，各目标不太可能同时得到各自的最优解。 ( 3 ) 各韬标乏闯徒往没有共同的度量标准，各自具有不同的鬣纲、不同 的数量级，不易遴搀爨匏e l ：较。 ( 4 ) 由于上述特点的存在，决策者对多个鼹标的要求也不一样，竹么样 的解是满足设计者要求的满意解，在多数场合无法给出确定的数学描述。 出予躅终多鬈标後绽具有戳上特熹，新孩找寻两络静设鹭参数，捷网络 性能达到“最优”几乎是不可能的。在这张情况下，人 | l 提如了蠢效解靼弱 有效解的概念，同时提出了采用评价函数的方法求解多目标优化问题。其基 本蕊恕蹙：辗据菜释寻伉案珞或决策意囤，通过评价闯藏的多个目标构造出 评价函数，从而将求解多垦标优化问题转化为求解攘应的萃基挺俊铯趣燧。 在这种意义下，所求得的解可以看作是多目标优化问题的一种“满意解”。 所弑，在实繇应用中，网络优纯问题怒以满意解输出原则为依据，通过 某萃孛织斡质爨谤馀准则，求得网络垅饯阕纛戆满意鳞。这种瓣鹃囊爨评徐标 准，正魑本章所要建立的网络多目标满意优化模型。 西南交灏大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 2 多目标满意优化横型的建立 竣潮终凌键瓣嚣爨：静系统参数( 变量) 蠢筇令， 成可供优化选择的参数( 变最) 集： 盖一 瓴，善2 ，_ x ) | 鼍震，i 一毛乏+ t 、撑 诡楚屯，屯，一，鞫 ( 3 。圭) 这些系统参数就媳网络的若干设置参数。优化问题的解向量可以表示为 x 一魄，x ：，】x ，盖最8 。菇躲必佳纯翊熬豹鼹空阕。其孛缝参数 x 弗一降1 d ，z 2 d ，、并。勺，称为该参数优化问题的一个解。 设评价优化问题的性能指标有m 个，构成性能指标集q 和性能捂标集向 藿譬： q - ( q l ，9 2 ，哼。) i q i r ，女一1 ，2 ，m ) ( 3 2 ) 窜t 【吼，鼋2 ，g 。】q ，q r ” ( 3 3 ) 对于某一个参数解并力，可以褥到其性髓指标馕为譬d 一融d ，晕2 ，”、d 】， 箕中鼋t 7 是每一个性能指标鲰关于参数解x ( ，的取值，七一1 ，2 ，删。而吼的 取值一般和多个参数交量有关，故表豕为：吼m 0 ) ，七一1 2 ，j 肼，于是得 裂： 日- 【g 。，学2 ，“j 哼，】。【妒。o ) 妒2 ) ，妒。 ) 】一妒0 ) ( 3 4 ) 妒惹一令商爨蘧鼗，绘滋了窖关予x 骜丞数关系。麓瞧能豢撩譬粼可越 是系统的优化目标，也可以包括对系统性能指标的约束条件。 对予每一个性能指标敷，未- 毛2 ，辨，可以分别给爨其溃爨度逶数 g 女：置一p 冯，记： s t g l ( 譬 ) ，七一1 2 ，”( 3 5 ) 在优化问题中，酞殿殃出决策者对性能指标瓠的满意程度。这实际上是以函 数值的形式反映出决策者对该项性能指标鼋七的螫求。利用妇构成满意度函数 | 遗塞s 。豁，s ：s ，】，s 羚麓“，渡海蠢涵数苫- ) 袭幂链筑捂标两萋晕靛满意度 西南交淹夫攀颈壬研究缀学位论文 第：l 页 函数，可以得到s t g ( d ，予是褥副： s g ( 譬) - i 苫。0 吼) ，g ：( 窜2 ) ，”j 苫。国。梵 ( 3 6 ) 美于s 一，屯，s 。】，定义综合满意度黼数，：艄”一【o 羽，记： ：稍”渺 ( 3 - 7 ) 艺q 一毛 为标壤匦数，反映出了决策崭对襁能指标q 一【q 1 ，牙：，一，】的综合满意度。 投握以上各戴，霹以褥粼睡络多嚣挥 目标函数 ( 1 ) 网终造铃癌文献【4 】豹c 酸求瓣模墼绘鑫。 f1 z ，4 m i “ 薹。出+ 丕s * y * + 蓬c k 羁y m + c 4 - ：， 冀孛： 气6 # 薯 e 。垄 ( 4 3 ) 肛 式中： 三一网络孛瑟商链貉耱集含 量一第f 条链路的候选线路型号指标嶷，三 级z 第条链路的线路型母指标选为七时的线路容量( b i 怕) ，上，七j ， 一第i 条链鼯韵线路鍪等指橛选为_ j 对的线路固定费用成本( 冗，月) ， 西南交通大学顿士研究生攀位论文第2 9 页 z 三，詹， 龟一第z 条链籍静线路登譬指秣邃洚囊露翡线路胃交赞焉成本系数( 元， 月b i t s 1 ) ，f 五，七j f d 一单位平均时延的赞用成本系数( 元月包) r 一候逮鼹密集( 霹漆各释路由产生稷滓产囊或预先指定) r i 网络中所商通信结点对( o r i g i n d e s t i n a t i 曲p a i r s ) 的集会 品一节点对p 的候选路由集( p n ) ，且设；s pn s 口一m ，p - g t 与路壶，辕关靛节赢对静摄文翻运攀( 毯廖) ，r 露，且定义： 冬t 0 ，协s ， “一标识性函数a 当路由r 中包含链路f 时，取使为1 ：否则，取值为o l ，群平均摄文分组长度 ( 4 6 ) 一。 嚣囊交迸大学矮：e 磷爨瞧攀整论文 笺鞴茭 弘。1 ( 坳r i ) 坼一0 ，1 ( v r r ) y - 啦( 搬j f