多頭絨泡菌仿生模型優(yōu)化及實(shí)例研究.pdf

1、基于生物系統(tǒng)建立的模型能夠?yàn)閷?shí)際復(fù)雜問題的解決啟發(fā)新的思路。一種名為多頭絨泡菌的單細(xì)胞多核黏菌在近年來逐漸成為研究焦點(diǎn)，原因在于，多頭絨泡菌屬于低等生物，然而其覓食過程展現(xiàn)了一系列諸如構(gòu)建高效網(wǎng)絡(luò)、自組織、決策、有記憶等的智能特性。受這些特性啟發(fā)，研究者從不同角度、結(jié)合不同領(lǐng)域特色建立了多種仿生模型。這些模型在刻畫多頭絨泡菌智能行為，解決復(fù)雜問題等方面均展現(xiàn)一定優(yōu)勢，推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科發(fā)展。盡管如此，仍存在一些不足及潛在應(yīng)用價(jià)值:(1)模型

2、普遍存在演化周期長、計(jì)算復(fù)雜度高、隨問題規(guī)模變大所需時(shí)間呈指數(shù)級增長等缺點(diǎn);(2)多頭絨泡菌以簡單演化機(jī)制構(gòu)建高效網(wǎng)絡(luò)的能力，正是路網(wǎng)規(guī)劃關(guān)注的焦點(diǎn)，將多頭絨泡菌仿生模型用于路網(wǎng)規(guī)劃是一項(xiàng)迫切需求，將對網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與新建提供有力指導(dǎo);(3)蟻群算法在解決旅行商問題時(shí)容易出現(xiàn)停滯、搜索效率低和陷入局部最優(yōu)等缺點(diǎn)，而目前蟻群優(yōu)化算法只是間接對信息素矩陣更新優(yōu)化，效率提升有限，Tero等提出的多頭絨泡菌數(shù)學(xué)模型在網(wǎng)絡(luò)演化過程中展現(xiàn)了一種正反饋機(jī)制

3、，該機(jī)制與蟻群算法中道路信息素含量與道路被螞蟻選擇概率之間的正反饋機(jī)制相似，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行蟻群算法優(yōu)化，提出一種普適的直接優(yōu)化信息素矩陣更新的策略，對提高蟻群算法的尋優(yōu)能力和魯棒性具有重要意義。
　　綜上，本文根據(jù)多頭絨泡菌仿生模型研究現(xiàn)狀，并結(jié)合實(shí)際問題，主要做了以下3項(xiàng)工作:
　　(1)優(yōu)化仿生模型CELL。其它仿生模型相比，Gunji等提出的CELL模型首次將多頭絨泡菌移動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)組建相關(guān)聯(lián)，兩者關(guān)系在網(wǎng)絡(luò)演化過程中發(fā)

4、揮重要作用。因此，本文以CELL模型為例進(jìn)行多頭絨泡菌仿生模型優(yōu)化研究。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CELL模型存在氣泡受限局部區(qū)域移動(dòng)和單一氣泡演化效率低的缺點(diǎn)，本文利用單元格時(shí)間標(biāo)簽策略和多氣泡并行演化策略對CELL模型進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的演化模型IBTM(Improved Bubble Transportation Model)。該模型利用時(shí)間標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)氣泡擴(kuò)大移動(dòng)區(qū)域，并利用多氣泡并行提高網(wǎng)絡(luò)演化效率。通過利用IBTM模型模擬多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)演化過

5、程，比較CELL模型與IBTM模型的演化時(shí)間，分析氣泡數(shù)目和食物源數(shù)目對演化效率的影響，驗(yàn)證了IBTM模型的準(zhǔn)確性、高效性和自組織特性。
　　(2)基于VP-S模型進(jìn)行路網(wǎng)規(guī)劃。VP-S模型(Vacant-Particle Model withShrinkage)由Gunji等于2011年在CELL模型基礎(chǔ)上改進(jìn)所得，較CELL模型，VP-S模型可展現(xiàn)多頭絨泡菌在食物源的累積，從而可實(shí)現(xiàn)模擬多頭絨泡菌連接多食物源構(gòu)建自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。因

6、此，本文選用VP-S模型進(jìn)行路網(wǎng)規(guī)劃。首先，利用實(shí)際數(shù)據(jù)構(gòu)建模型演化環(huán)境，并將演化網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為帶權(quán)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)與實(shí)際路網(wǎng)統(tǒng)一量綱。然后，從平均路徑長度、網(wǎng)絡(luò)效率和魯棒性等方面比較模型演化網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際路網(wǎng)的特征。尤其是，綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)漪敯粜院凸δ荇敯粜?。最后，?shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，模型演化網(wǎng)絡(luò)在所有衡量指標(biāo)下均優(yōu)于真實(shí)路網(wǎng)。該項(xiàng)工作表明仿生模型能夠?yàn)閷?shí)際路網(wǎng)規(guī)劃提供有力建議。
　　(3)基于數(shù)學(xué)模型進(jìn)行蟻群算法優(yōu)化解決旅行商問題。利用數(shù)