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摘要:受 灰 狼 群 体 捕 食 行 为 的 启 发,Mirjalili等[1]于 2014年提出了一种新型群体智能优化算法:灰狼优化算法。GWO通过模拟灰狼群体捕食行为,基于狼群群体协作的机制来达到优化的目的。 GWO算法具有结构简单、需要调节的参数少,容易实现等特点,其中存在能够自适应调整的收敛因子以及信息反馈机制,能够在局部寻优与全局搜索之间实现平衡,因此在对问题的求解精度和收敛速度方面都有良好的性能。
灰狼属于犬科动物,被认为是顶级的掠食者,它们处于生物圈食物链的顶端。灰狼大多喜欢群居,每个群体中平均有5-12只狼。特别令人感兴趣的是,它们具有非常严格的社会等级层次制度,如图1所示。金字塔第一层为种群中的领导者,称为 α 。在狼群中 α 是具有管理能力的个体,主要负责关于狩猎、睡觉的时间和地方、食物分配等群体中各项决策的事务。金字塔第二层是 α 的智囊团队,称为 β 。 β 主要负责协助α 进行决策。当整个狼群的 α 出现空缺时,β 将接替 α 的位置。 β 在狼群中的支配权仅次于 α,它将 α 的命令下达给其他成员,并将其他成员的执行情况反馈给 α 起着桥梁的作用。金字塔第三层是 δ ,δ 听从 α 和 β 的决策命令,主要负责侦查、放哨、看护等事务。适应度不好的 α 和 β 也会降为 δ 。金字塔最底层是 ω ,主要负责种群内部关系的平衡。
<center>图1.灰狼的社会等级制度
此外,集体狩猎是灰狼的另一个迷人的社会行为。灰狼的社会等级在群体狩猎过程中发挥着重要的作用,捕食的过程在 α 的带领下完成。灰狼的狩猎包括以下 3个主要部分:
1)跟踪、追逐和接近猎物;
2)追捕、包围和骚扰猎物,直到它停止移动;
3)攻击猎物
在狩猎过程中,将灰狼围捕猎物的行为定义如下:
式(1)表示个体与猎物间的距离,式(2)是灰狼的位置更新公式。其中, 是目前的迭代代数, 和 是系数向量, 和 分别是猎物的位置向量和灰狼的位置向量。 和 的计算公式如下:
其中, 是收敛因子,随着迭代次数从2线性减小到0, 和 的模取[0,1]之间的随机数。
灰狼能够识别猎物的位置并包围它们。当灰狼识别出猎物的位置后,β 和 δ 在 α 的带领下指导狼群包围猎物。在优化问题的决策空间中,我们对最佳解决方案(猎物的位置)并不了解。因此,为了模拟灰狼的狩猎行为,我们假设 α ,β 和 δ 更了解猎物的潜在位置。我们保存迄今为止取得的3个最优解决方案,并利用这三者的位置来判断猎物所在的位置,同时强迫其他灰狼个体(包括 ω )依据最优灰狼个体的位置来更新其位置,逐渐逼近猎物。狼群内个体跟踪猎物位置的机制如图2所示。
<center>图2.GWO 算法中灰狼位置更新示意图
灰狼个体跟踪猎物位置的数学模型描述如下:
其中, 分别表示分别表示 α , β 和 δ 与其他个体间的距离。 分别代表 α , β 和 δ 的当前位置; 是随机向量, 是当前灰狼的位置。
式(6)分别定义了狼群中 ω 个体朝向 α ,β 和 δ 前进的步长和方向,式(7)定义了 ω 的最终位置。
当猎物停止移动时,灰狼通过攻击来完成狩猎过程。为了模拟逼近猎物, 的值被逐渐减小,因此 的波动范围也随之减小。换句话说,在迭代过程中,当 的值从2线性下降到0时,其对应的 的值也在区间[-a,a]内变化。如图3a所示,当 的值位于区间内时,灰狼的下一位置可以位于其当前位置和猎物位置之间的任意位置。当 时,狼群向猎物发起攻击(陷入局部最优)。
灰狼根据 α ,β 和 δ 的位置来搜索猎物。灰狼在寻找猎物时彼此分开,然后聚集在一起攻击猎物。基于数学建模的散度,可以用 大于1 或小于-1 的随机值来迫使灰狼与猎物分离,这强调了勘探(探索)并允许 GWO 算法全局搜索最优解。如图3b所示, 强迫灰狼与猎物(局部最优)分离,希望找到更合适的猎物(全局最优)。GWO 算法还有另一个组件 来帮助发现新的解决方案。由式(4)可知, 是[0,2]之间的随机值。 表示狼所在的位置对猎物影响的随机权重, 表示影响权重大,反之,表示影响权重小。这有助于 GWO算法更随机地表现并支持探索,同时可在优化过程中避免陷入局部最优。另外,与 不同 是非线性减小的。这样,从最初的迭代到最终的迭代中,它都提供了决策空间中的全局搜索。在算法陷入了局部最优并且不易跳出时, 的随机性在避免局部最优方面发挥了非常重要的作用,尤其是在最后需要获得全局最优解的迭代中。
<center>图4.算法流程图
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天汽自动化是天汽集团的汽车将实现自动化的功能。在天津天汽集团美亚 汽车 搬迁后的 涂装 车间,国际先进涂装技术的全封闭喷涂设备每小时可以自动完成14台车喷漆工序;在总装车间内,从美国引进的先进质量检测线十几分钟就能完成一辆汽车的四轮定位、侧滑、气囊、密闭性检测和尾气分析等多项质量检测。工人的任务,就是负责察看检测出的数据是否达到合格标准。作为市级重点项目的天津天汽集团美亚汽车搬迁改造项目自投产以来,企业从产能、工艺上均得到有效提升。据了解,天汽集团美亚公司搬迁改造工程项目占地18万平方米,年产整车15万辆。其中,一期工程总投资5.6亿元,年产整车5万辆。项目建设了具有先进水平的冲压、焊装、涂装、总装(调试)生产线和质量检测线,以及与之相配套的动力、能源和其他辅助设施,生产车间的自动化生产程度已达到国内先进水平。总装车间主任张志达告诉记者:“搬入新厂后,生产汽车的自动化程度提高了很多,新厂最大的特点是可以根据用户的订单,将皮卡、SUV、旅游车等不同车型在同一平台上混线生产,有效利用了资源。投产后,两个月内就接了400多个订单,订单多来自埃及、尼日利亚等国家。”
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