优化算法-1.粒子群算法实现(python)

本文基于 优化算法笔记(三)粒子群算法(1) - 简书 (jianshu.com) 进行实现,建议先看原理。

输出结果如下

PSO.gif

实现代码如下

# 粒子群算法
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.gridspec as gridspec
from PIL import Image
import shutil
import os
import glob 

plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 用来正常显示负号

def plot_jpg(start, end, point_g, point_best, err, m, n, lower, upper, W, title):
    plt.figure(figsize=(8, 12))
    gs = gridspec.GridSpec(3, 2)
    
    ax1 = plt.subplot(gs[:2, :2])
    ax1.scatter(start[:, 0], start[:, 1], alpha=0.3, color='green', s=20, label='当前位置')  # 当前位置
    ax1.scatter(point_g[0], point_g[1], alpha=1, color='blue', s=20, label='当前最优点')  # 全局最优点
    ax1.scatter(point_best[0], point_best[1], alpha=0.3, color='red', label='目标点')  # 最优点

    for i in range(n):
        ax1.text(start[i][0]-5, start[i][1], f'{i}', alpha=0.3, fontsize=10, color='red')
        ax1.plot([start[i][0], end[i][0]], [start[i][1], end[i][1]], alpha=0.3, color='gray')
    
    ax1.grid(True, color='gray', linestyle='-.', linewidth=0.5)
    ax1.set_xlim(lower[0]*1.2, upper[0]*1.2)
    ax1.set_ylim(lower[1]*1.2, upper[1]*1.2)
    ax1.set_xlabel(f'iter:{m}  W: {W:.8f}  dist: {err[-1]:.8f}'  )
    ax1.set_title(title)
    ax1.legend(loc='lower right', bbox_to_anchor=(1, 0), ncol=1)
    
    ax2 = plt.subplot(gs[2, :])
    ax2.plot(range(len(err)), err, marker='o', markersize=5)
    ax2.grid(True, color='gray', linestyle='-.', linewidth=0.5)
    ax2.set_xlim(0, max_iter)
    ax2.set_ylim(0, np.ceil(max(err)))
    ax2.set_xticks(range(0, max_iter, 5))
    
    plt.savefig(rf'./tmp/tmp_{m:04}.png')
    plt.close()


# 目标函数
def target(point):
    return (point[0]-a)**2 + (point[1]-b)**2

# 速度限制
def limit_speed(speed, maxV):
    rate = ((speed[:, 0]**2 + speed[:, 1]**2)**0.5)/maxV
    rate = np.where(rate > 1, rate, 1)
    for t in range(d):
        speed[:, t] = speed[:, t]/rate
    return speed

def PSO(C1, C2, W, maxV):
    # 初始化粒子位置
    start = np.random.random(size=(n, d))
    for _ in range(d):
        start[:, _] = start[:, _]*(upper_lim[_]-lower_lim[_])+lower_lim[_]
    # 初始化粒子速度
    speed = np.random.random(size=(n, d))
    for _ in range(d):
        speed[:, _] = speed[:, _]*(upper_lim[_]-lower_lim[_])+lower_lim[_]
    # 速度限制
    speed = limit_speed(speed, maxV)  

    if os.path.exists(tmp_path):
        shutil.rmtree(tmp_path) 
    os.makedirs(tmp_path, exist_ok=True)

    errors = [target(min(start.tolist(), key=target))**0.5]
    for _ in range(max_iter):
        # 下次目标位置
        r1, r2 = np.random.random(2)
        # 全局最优点
        point_g = min(start.tolist(), key=target)
        # 各粒子历史最优点
        if _ == 0:
            point_p = start.copy()
        else:
            point_p = np.array([min([point_p[i], end[i]], key=target) for i in range(n)])
        # 更新速度
        speed = W*speed + r1*C1*(point_p - start) + r2*C2*(point_g - start)
        speed = limit_speed(speed, maxV)  # 速度限制 
        # 更新位置
        end = start + speed
        
        title = f'PSO\nC1:{C1} C2:{C2} n:{n} maxV:{maxV} max_iter:{max_iter}'
        plot_jpg(start, end, point_g, point_best, errors,  _, n, lower_lim, upper_lim, W, title)
        # 更新开始位置
        start = end
        errors.append(target(min(start.tolist(), key=target))**0.5)
        # 惯性衰减
        # W *= 0.8
        W -= step
    plot_jpg(start, end, point_g, point_best, errors,  max_iter, n, lower_lim, upper_lim, W, title)
    return errors


C1 = 2  # C1:自我学习因子
C2 = 2  # C2:全局学习因子
W = 0.5  # W:惯性系数
maxV = 20  # 最大速率

n = 10  # 粒子数量
d = 2  # 粒子维度
max_iter = 50  # 迭代次数

step = W/(max_iter)  # 惯性系数衰减

# 搜索区间 
lower_lim = [-100, -100]
upper_lim = [100, 100]

# 目标点
a, b = 0, 0
point_best = (a, b)

# 临时文件路径
tmp_path = r'./tmp/'

err = PSO(C1, C2, W, maxV)

# png 转 gif
images = [Image.open(png) for png in glob.glob(os.path.join(tmp_path, '*.png'))]
im = images.pop(0)
im.save(r"./PSO.gif", save_all=True, append_images=images, duration=500)

im = Image.open(r"./PSO.gif")
im.show()
im.close()
最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 207,248评论 6 481
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 88,681评论 2 381
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 153,443评论 0 344
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 55,475评论 1 279
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 64,458评论 5 374
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 49,185评论 1 284
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 38,451评论 3 401
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 37,112评论 0 261
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 43,609评论 1 300
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 36,083评论 2 325
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 38,163评论 1 334
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,803评论 4 323
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 39,357评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 30,357评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,590评论 1 261
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 45,636评论 2 355
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,925评论 2 344

推荐阅读更多精彩内容