（电机与电器专业论文）智能计算在复杂系统优化中的应用.pdf

i n浙江大学博士后研究工作报告摘要 的有效性。 蚁群算法是受自然界真实蚂蚁社会的启发并模拟蚂蚁的觅食行为而产生的 一种优化方法。这里提出了一种处理复杂非线性优化问题的带加速因子的蚁群算 法，它采用一种新的基于目标函数值的启发式信息素分配方法，来更新算法中信 息素的值从而过滤候选解。人工蚂蚁根据启发式信息自动调整路径搜索行为，从 而提高算法的全局寻优能力。最后，以两个具有多个极值点的b e n c h m a r k 问题为 例，研究了所提算法与基本的蚁群算法和经典优化理论里的二次规划方法的性能 并进行了比较，以验证所提方法的可靠性和有效性。此外，还提出了一种嵌套的 混合蚁群算法，用来解决带有混合数据结构的复杂生产调度问题，新的信息素更 新算法提高了算法的优化搜索能力。 人工免疫算法是在自然免疫系统的启发下发展起来的一种优化方法。它具 有并行性，是一个分布式的自适应系统，采用学习、记忆和联想式恢复策略来解 决带有自识别和分类的问题。本研究报告里，提出了一种带有自识别机制的免疫 算法，用来求解复杂的优化问题。算法中的抗原对应问题的目标函数和约束条件， 抗体对应问题的候选解，疫苗接种过程对应利用启发式信息的过程。在算法的每 一迭代周期( 培养周期) 里，通过自动识别有效抗体中的模式来促进或者限制某 些抗体的产生，从而加速有效解的产生过程。最后将所提的免疫算法应用到复杂 电力系统的全局电压控制过程中，通过协调局部控制器，使得系统在故障发生后 电压尽快恢复到稳态值。提出了一个多级协调控制方案，在故障发生后通过控制 器切换的最小代价实现电压恢复正常。启发式信息通过自识别的疫苗接种过程加 到下代候选解抗体中，这样可以提高搜索效率。一个四总线的电力系统的实例 研究表明，所提算法比现有的算法如动态规划、树搜索方法更可靠，有效。求解 此类带混合控制变量的复杂问题的计算复杂性也随之大大降低，并为带有非线 性、大规模、不确定性和混合变量特性的一般复杂系统的协调控制，提供了一种 通用的算法框架。 复杂系统的优化为当前研究的热点领域之一，也是非常有前途的一个研究 方向。它为实际应用中控制系统求解的研究和发展开辟了一个新的前沿。 塑型! ! 坚生壁! ! 竺生! 翌! ! ! ! 堕! 竺坚! ! ! 翌! 壁= 垒! ! 竖竺! ! ! a b s t r a c t c o m p l e xs y s t e m sh a v ee x i s t e d a r o u n du sf o rm a n yy e a r s e n g i n e e r sh a v ed e v e l o p e d v a r i o u st e c h n i q u e st oc o n t r o l ，o p e r a t ea n dm a n a g et h ec o m p l e xs y s t e m se f f e c t i v e l y h o w e v e r , d u et ot h ef a c tt h a tt h e r er e m a i n sal a r g ec l a s so f p r o b l e m si nc o m p l e xs y s t e m sw h i c h c a n n o t b es o l v e db yc o n v e n t i o n a la n a l y t i c a la n dn u m e r i c a lm e t h o d s ，a n dt h e ys t i l lh a v et ob es o l v e d b yh u m a ne x p e l st h r o u g he x p e r t i s eo re x p e d e n c e b a s e dj u d g m e n ti nc o n j u n c t i o nw i t ht h e r e s u l t so b t a i n e df r o mt h en u m e r i c a lb a s e da n a l y s i sa n dd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m s ，i ti sn o w b e c o m i n ga p p a r e n tt h a tt h ei n t e g r a t i o no fv a r i o u si n t e l l i g e n tt e c h n i q u e si s av e r yi m p o r t a n t w a y f o r w a r d st h en e x tg e n e r a t i o no fc o m p l e xs y s t e m so p t i m i z a t i o n t h eg r o w i n gr o l eo fc o m p u t e r - b a s e dt e c h n i q u e sf o ri n t e l l i g e n td e c i s i o ns u p p o r ta n df o r m o d e l i n ga n dc o n t r o lo fc o m p l e xa n di l l 0o r g ( x ) = 0w i t hl i n e a r ( v e c t o r ) f u n c t i o ng t h e l i n e a rp r o g r a m m i n gp r o b l e mc a nb es o l v e db yt h es i m p l e xa l g o r i t h m , w h e r et h eo p t i m a l s o l u t i o nc a l lb ef o u n di naf i n i t en u m b e ro fs t e p s h o w e v e r , m a n yo p t i m i z a t i o np r o b l e m s e n c o u n t e r e di ne n g i n e e r i n ga n do t h e rf i e l d s ，s u c ha st h et r a v e l i n gs a l e s m a np r o b l e m ( t s p ) ， v a r i o u ss c h e d u l i n gp r o b l e m s ，e t c ，b e l o n gt oac l a s so f d i f f i c u l tt os o l v e p r o b l e m sw h e r e d e t e r m i n i s t i ca l g o r i t h m sa r en o ta p p l i c a b l e c o n v e n t i o n a lo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sh a v eb e e nw e l le s t a b l i s h e da n dw i d e l ys t u d i e di n t h em e a n w h i l e ，b e i n gad y n a m i c d i s c i p l i n e ，o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u ew i t h t h ea i do ft h ed i g i t a l c o m p u t e rh a se v o l v e d f r o ms i m p l es e r v o m e c h a n i s m st o a l la u t o n o m o u s s e l f - o r g a n i z i n g d e c i s i o n - m a k i n gm e t h o d o l o g yt h a tw a sg i v e nt h en a m eo fi n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o n 7 】w i t h t h e d i s c o v e r y a n da d v a n c e so fv a r i o u sn e wo p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e s ，t h e r e a r e m a n y d i s t r i b u t e d ，a g e n t - b a s e dt e c h n i q u e si n s p i r e db y n a t u r e s y s t e m s ，s u c h a sn e u r a ln e t w o r k s ， s i m u l a t e da n n e a l i n g ，g e n e t i c a l g o r i t h m s ，a n dr e c e n t l yd e v e l o p e d a n t c o l o n ya l g o r i t h m s ， i m m u n ea l g o r i t h m s ，w h i c hh a v eb e e np r o v e nt ob ee f f e c t i v ei ns o l v i n gt h ei l l - d e f i n e dd i f f i c u l t ! ! 竺堡! ! ! ! 坠坚竺! ! ! 竺! ! ! ! ! 竺! ： p r o b l e m sw i t hg l o b a lo p t i m i z a t i o na b i l i t i e s t h e s eh e u r i s t i ca l g o r i t h m sa l ea p p a r e n t l ys i m p l e s t r a t e g i e s f r o mt h ec o n s t i t u e n t p a r t s b u t e m e r g e s ac o l l e c t i v eb e h a v i o rt h a ti s q u i t e s o p h i s t i c a t e d ，e v e n h e u r i s t i c t h ef o c u so ft h i s r e p o r tw i l lb eo n t h en e wo p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e s s u c ha sa n tc o l o n ya l g o r i t h m sa n di m m u n ea l g o r i t h m s ，a n dt h e i ra p p l i c a t i o n s s t u d i e s 1 2c o m p u t a t i o n a l i n t e l l i g e n c e d u r i n gt h ep a s tf o n yy e a r so rs o ，am a j o re f f o r tw a sd o n et od e v e l o pn e wa n db e t t e r o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e st h a tc a n o f t e na u g m e n to rr e p l a c ec o n v e n t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d s t os o l v et h ee v e r - i n c r e a s i n gc o m p l e xp r o b l e m sf a c e db yp m c f i c i n ge n g i n e e r s i ti st r u et os a y t h a tv i r t u a l l ya l lt h eu n c o n v e n t i o n a lo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sc o u l dn o th a v e b e e np o s s i b l eb u t f o rt h ea v a i l a b i l i t yo fc o m p u t a t i o n a l l yp o w e r f u la n dh i g h s p e e dc o m p u t e r s 【7 】a sw ea l l a g r e e ，c o m p u t e r sa r ew o n d e r f u lm a c h i n e s w h i c hh a v ev e r ys i g n i f i c a n t l yc h a n g e dt h ew a yw e w o r ka n dl i v e c o m p u t e r sc a np r o c e s sl a r g ea m o u n t so fd a t aq u i c k l ya n d p r o v i d ea c c u r a c yf a r b e y o n dt h ec a p a b i l i t i e so fh u m a nb e i n g s t o d a yc o m p u t e r sn o to n l ys t o r e ，m a n i p u l a t e ，a n d r e t r i e v ed a t a t h e ya r ei n c r e a s i n g l yt a k i n go nt h er o l eo f m a k i n gi m p o r t a n td e c i s i o n s o nt h eo t h e rh a n d ，a sm a n yn a t u r es y s t e m sh a v ed e v e l o p e di n t oc o m p l e xs t r u c t u r e st h a t o p t i m i z et h e i r u s eo fr e s o l e si n s o p h i s t i c a t e dw a y s ，p o s s e s si n t e l l i g e n c e ，a n de x h i b i t s e l f - o r g a n i z i n gq u a l i t i e s ，s i g n i f i c a n t r e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do u ti n u n d e r s t a n d i n ga n d e m u l a t i n gt h e s ei n t e l l i g e n ts y s t e m s t h er e s u l t a n tt e c h n i q u e si n c o r p o r a t en o t i o n sg a t h e r e d f r o maw i d er a n g eo fs c i e n t i f i cd i s c i p l i n e ss u c ha sn e u r o l o g y , b i o l o g y , p s y c h o l o g y , o p e r a t i o n s r e s e a r c h ，c o m p u t e rs c i e n c ea n dc o m m u n i c a t i o n st h e o r y 【7 】，e t c ，t h e s eh a v eg i v e n r i s et oan e w a n d e x c i t i n gs u b j e c t - - - c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e s t a r t l m i t a t e d b i o l o g i c a l f u n c t i o n g o a l s c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e 1 9 6 51 9 4 3 1 9 7 0 1 9 6 4 6 6 ( f o g e l ) 1 9 7 5 ( h o l l a n d ，r e c h e n 蛔g ) c o m m u n i c a t i o n l e a r n i n g p a t t e r n e v o l u t i o n r e a s o n i n gr e c o g n i t i o n l e a r n i n g p a a e m m o d e l i n gr e a s o n i n go p t i m i z a t i o n r e c o g n i t i o n f i g 1 1r e l a t i o n s h i p si nc o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e !望堡塑! ! ! 垫! 竺! ! 竺竺! ! ! ! ! 婴! ! ! ! t h e c o n c e p to fc o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c ee m e r g e d i n1 9 9 4w h e na l m o s ti n d e p e n d e n t l y i ne u r o p e ，j a p a na n dt h eu s at h et h r e ea r e a so f f u z z yt e c h n o l o g y , a r t i f i c i a ln e u r a l n e t sa n d e v o l u t i o n a r yc o m p u t i n gj o i n e df o r c e su n d e r t h et i t l eo f “c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e ”o r s o f t c o m p u t i n g ” 8 】f i g u r e 1 1s u m m a r i z e st h em o s ti m p o r t a n t a s p e c t s o fi t s d e v e l o p m e n t c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e i s c e r t a i n l y a na t t r a c t i v en a n l ee v e n t h o u g h ，f o ri n s t a n c e ， “b i o l o g i c a l l yi n s p i r e dm e t h o d s w o u l dh a v eb e e nm o r es u i t a b l e a n dw o u l dh a v eb e t t e r d e s c r i b e dt h ec o m m o nf e a t u r eo ft h e s et h r e ea r e a s 【8 】a su s u a li nt h ec a s eo fa n yn e w c o n c e p t ，d e f i n i n gc o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c ei sn o t a ne a s yt a s k t h e r ea r cs e v e r a ld e f i n i t i o n s o ft h i st e r m p r o b a b l yt h ef i r s ta t t e m p tt od e f i n et h i st e r m 【5 】w a sm a d e b yb e z d e k ( 1 9 9 4 ) ：a s y s t e mi nc o m p u t a t i o n a l l yi n t e l l i g a n tw h e n i t ：d e a l so n l yw i t hn u m e r i c a l ( 1 0 w l e v e l ) d a t a ，h a s a p a t t e r nr e c o g n i t i o nc o m p o n e n t ，a n d d o e sn o tu s ek n o w l e d g ei nt h ea is e n s e ；a n d a d d i t i o n a l l yw h e ni t ( b e g i n st o ) e x h i b i t ( i ) c o m p u t a t i o n a la d a p t i v i t y ；( i i ) c o m p u t a t i o n a lf a u l t t o l e r a n c e ；( i i i ) s p e e da p p r o a c h i n g h u m a n - l i k et u r n a r o u n d ，a n d ( i v ) e r r o rr a t e st h a t a p p r o x i m a t eh u m a np e r f o r m a n c e ”【9 】 g e n e r a l l y , i tc a nb ea s s u m e dt h a ta l lv a r i a b l e sc o n i cf r o md i s c r e t e ，f i n i t ed o m a i n ss i n c e i nt h em a t e r i a lw o r l dr e s o u r c e sa r ed i s c r e t ea n df m i t e ，e g ，d o l l a r s ，p e o p l e s ，m a c h i n e s ， c o m p u t e r s ，b u i l d i n gm a t e r i a l ，e t c ，a n dp r e v a i l i n gt h e o r yi st h a tt h eu n i v e r s ei t s e l fi sd i s c r e t e ( q u a n t i z e d ) a n df i n i t e ( i nm a s sa ne n e r g y ) 【3 】【4 】m o r e o v e r ) t h ed i g i t a lc o m p u t e r - t o d a y st o o l o fc h o i c ef o rd e c i s i o nm a k i n g - - i sd i s c r e t ea n df i n i t e ( f i n i t ew o r dl e n g t ha n df i n i t et o t a l m e m o r y ) 1 】t h u sc o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c ea d a p t sn a t u r a l l yt o t h e e n g i n e e d n gw o r l d ， r e q u i r i n g n of u r t h e rd a t ac o n v e r s i o n i tu s e sn u m a r i c a lr e p r e s e n t a t i o no f k n o w l e d g e i n c o n t r a s tt oa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，w h i c hu s e ss y m b o l i cr e p r e s e n t a t i o n 7 】t h i sf e a t u r ei s e x p l o i t e di nc o n t r o le n g i n e e r i n g ，w h i c hd e a l sw i t hn u m e r i c a ld a t as i n c ec o n t r o la n d c o n t r o l l e d v a r i a b l e sa r eb o t hd e f i n e dn u m e r i c a l l y t h et e c h n i q u e so fc o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c es h a r e t h ef o l l o w i n g p r o p e r t i e s 【7 ：t h e y u s ean u m e r i c a lr e p r e s e n t a t i o no f k n o w l e d g e ， - d e m o n s t r a t e a d a p t a b i l i t y , 一h a v ea ni n h e r e n tt o l e r a n c et oe r r o r s ，a n d p o s s e s s f a s ts p e e d sc o m p a r a b l et ot h o s eo fh u m a n s h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o no fs u c hs o p h i s t i c a t e dm e t h o d o l o g i e st or e a ll i f ep r o b l e m si sf a r b e h i n dt h et h e o r y t h ea l e a sw i t ht h eh i g h e s tn e e da n dt h es m a l l e s tt o l e r a n c ef o ra d o p t i n gt h e t e c h n i q u e sr e s u l t i n gf r o ms u c ht h e o r e t i c a lr e s e a r c ha l et h ei n d u s t r i a lc o m p l e x e s 【7 】t h em a i n r e a s o ni st h el a c ko fs u i t a b l ei n t e l l i g e n tc o m p u t a t i o n a la l g o r i t h m sa n di n t e r f a c e s d e s i g n e d e s p e c i a l l yf o rt h e i rn e e d s t h i sr e p o r ta t t e m p t st oi m p l e m e n tc o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c ei n v a r i o u sa p p l i c a t i o n sb yf i r s tp r e s e n t i n gt h et h e o r ya n dt h e nd e v e l o p i n gv a r i o u sc o m p u t a t i o n a l c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o na n dc o n t e n t s5 a l g o r i t h m s t ob ea d a p t e df o rt h ea p p l i c a t i o n st h a tr e q u i r ei n t e l l i g e n tc o n t r o lf o re f f i c i e n t p r o d u c t i o n 1 3c o m p l e x s y s t e mo p t i m i z a t i o n o n eo ft h em a i nc h a l l e n g e sf o rd e c i s i o ns c i e n t i s t si nt h e2 15 c e n t u r yw i l lb em a n a g i n g s y s t e m s o fe v e ri n c r e a s i n gc o m p l e x i t y i i i ts e e m ss e l f - e v i d e n tt h a th u m a ne n g i n e e r e d s y s t e m s a r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d t h ec o n s e q u e n c e so ft h i sc o n t i n u a l s c a l i n gi ns i z e ，p a r tc o u n t ，l i n e so fc o m p u t e rc o d e ，n u m b e ro fi n t e r a c t i n ga g e n t s ，e t c ，s e e m a l r e a d yt ob ee m e r g i n g e n g i n e e r sh a v ed e v e l o p e dv a r i o u st e c h n i q u e st oc o n t r o l ，o p e r a t ea n d m a n a g et h ec o m p l e xs y s t e m se f f e c t i v e l y h o w e v e r , d u et ot h ef a c tt h a tt h e r er e m a i n sal a r g e c l a s so fp r o b l e m si nc o m p l e xs y s t e m sw h i c hc a n n o tb es o l v e db yc o n v e n t i o n a ln u m e r i c a l m e t h o d sa n ds t i l lh a v et ob es o l v e db yh u m a ne x p e r t se i t h e rs o l e l yt h r o u g he x p e r t i s eo r e x p e r i e n c e - b a s e dj u d g m e n ti nc o n j u n c t i o nw i t h t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h en u m e r i c a lb a s e d a n a l y s i sa n dd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m s i ts e e n l sn a t u r a lt oa s kw h e t h e r o rn o tt h e r e1 1 1 i g h tb e f u n d a m e n t a ll i m i t st oo u ra b i l i t yt o d e s i g n ，o p t i m i z e ，a n d s e c u r e i n c r e a s i n g l yc o m p l e x s y s t e m s 1 】 p r o b l e m si nc o m p l e xs y s t e m sa r ef r e q u e n t l yc h a r a c t e r i z e db yt h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ： 一t h e o p t i m i z e dv a r i a b l e sh a v eh y b r i ds t r u c t u r e ，t h a ti st h ec o n t i n u o u sv a r i a b l e sa n d d i s c r e t ev a r i a b l e si n t e r a c t e dw i t he a c ho t h e r 一t h e s y s t e mh a ss t r o n gn o n l i n e a r i t y a sv i e w e df r o mo p t i m i z a t i o n ，w es a yt h a tt h e r e e x i s tal a r g en u m b e ro fl o c a le x t r e m e s 一 i ti sn o ta l w a y sp o s s i b l et od e v e l o pam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ep r o b l e mw h i c h c l o s e l yr e f l e c t st h ea c t u a ls i t u a t i o ns u f f i c i e n t l y 一t h e p r o b l e m i ss u c ht h a ts o m eo ft h ec o n s t r a i n t sa r e i m p r o p e r l ys p e c i f i e da n d c a n n o t b e e x p r e s s e dm a t h e m a t i c a l l y t h es o l u t i o n m e t h o d o l o g ye m p l o y e db y t h eh u m a ne x p e r ti sn o t c a p a b l e o f e x p r e s s i o ni na na l g o r i t h m i c o ram a t h e m a t i c a lf o r m 一t h e c o m p l e x i t ya n ds i z eo ft h ep r o b l e m i ss u c ht h a tc o m p l e t ec o m p u t a t i o n a lb a s e d s o l u t i o n sc a n n o tb eo b t a i n e di nat i m e l yf a s h i o n t os o l v es u c hk i n d o fo p t i m i z a t i o n p r o b l e m s ，t h e t r a d i t i o n a lm e t h o d sh a v es o m e s h o r t c o m i n g s f o re x a m p l e ， 1 ) i fw e u s e g r a d i e n t - d e s c e n t b a s e d a p p r o a c h e s s u c ha s c l i m b i n g m e t h o do r c o n j u g a t e - g r a d i e n tm e t h o d ，w e n e e dt ok n o wt h e e x p l i c i t m a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n so f o b j e c t i v e f u n c t i o n sa n dc o n s t r a i n t s ；a n dt h e r ea r es o m es t r i c t r e q u i r e m e n t s o nt h o s e o b j e c t i v e f u n c t i o n sa n dc o n s t r a i n s ，s u c ha sd i f f e r e n t i a b l e ，c o n t i n u o u sa n ds oo n o nt h eo t h e r h a n d ，t h i sk i n do fm e t h o d si sv e r ye a s yt ob et r a p p e di n t ol o c a le x t r e m e s t h e r e f o r e ，t h e s e a r c hr e s u l t ss t r o n g l yd e p e n do nt h ec h o o s eo fi n i t i a lp o i n t s 2 ) a n o t h e rc o m m o n l yu s e dm e t h o d o l o g y i sd y n a m i c p r o g r a m m i n g b u ta sw ek n o w , f o r l a r g e - s c a l ep r o b l e m s ，t h i sk i n do fm e t h o d sw i l lm e e tc o m b i n a t o r i a le x p l o s i o n a n d ，i fo n e w a n tt oa v o i di t b yd i s c r e f i z i n g t h ev a r i a b l e sc o a r s e l y , o n ew i l lh a v el o w e rp r e c i s i o no f s o l u t i o n s 3 ) t h et h i r dc a t e g o r yo fa p p l i c a b l em e t h o d si sm o n t ec a r l os e a r c h i n g o fc o u r s eb y u s i n gm o n t e c a r l om e t h o d so n ea l en o ta f r a i do fm o d e lu n c e r t a i n t yo rl o c a lm i n i m a p r o b l e m s h o w e v e r , b e c a u s et 1 1 e r ei sn oh e u r i s t i ci n f o r m a t i o nu s e di nt h o s em e 山o d s t h ec o m p u t a t i o n e f f i c i e n c yi su s u a l l yv e r yp o o r a sar e s u l t ，w h e ns o l v i n gl a r g e - s c a l ep r o b l e m s ，t h e ya l e t i m e e x h a u s t e d a l lo ft h o s em a k et h et r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d su n s u i t a b l ef o rs o l v i n gc o m p l e x p r o b l e m s n o ww eh a v ea na l t e r n a t i v ew a yt ot a c k l et h ec o m p l e xo p t i m i z a t i o n p r o b l e m s e c o l o g i c a la l g o r i t h m s ，w h i c he s s e n t i a l l yd e s c r i b e sm e t h o d sa n da p p r o a c h e st h a t m i m i c s b i o l o g i c a l l yi n t e l l i g e n tb e h a v i o r , a n di sw e l lk n o w n a sab r a n c ho f c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e g e n e r a l l y , g e n e t i ca l g o r i t h m s ，a n tc o l