A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: nsga-ii evolutionary Computation, ieee transactions on



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1) Density Estimation: To get an estimate of the density of
solutions surrounding a particular solution in the population, we
calculate the average distance of two points on either side of
this point along each of the objectives. This quantity
serves as an estimate of the perimeter of the cuboid formed by
using the nearest neighbors as the vertices (call this the crowding
distance). In Fig. 1, the crowding distance of the th solution in
its front (marked with solid circles) is the average side length of
the cuboid (shown with a dashed box).
The crowding-distance computation requires sorting the pop-
ulation according to each objective function value in ascending
order of magnitude. Thereafter, for each objective function, the
boundary solutions (solutions with smallest and largest function
values) are assigned an infinite distance value. All other inter-
mediate solutions are assigned a distance value equal to the ab-
solute normalized difference in the function values of two adja-
cent solutions. This calculation is continued with other objective
functions. The overall crowding-distance value is calculated as
the sum of individual distance values corresponding to each ob-
jective. Each objective function is normalized before calculating
the crowding distance. The algorithm as shown at the bottom of
the page outlines the crowding-distance computation procedure
of all solutions in an nondominated set .
Here,
refers to the
th objective function value of the
th individual in the set
and the parameters
and
are
the maximum and minimum values of the
th objective func-
tion. The complexity of this procedure is governed by the sorting
algorithm. Since
independent sortings of at most
solu-
tions (when all population members are in one front
) are in-
volved, the above algorithm has
computational
complexity.
After all population members in the set
are assigned a
distance metric, we can compare two solutions for their extent
of proximity with other solutions. A solution with a smaller
value of this distance measure is, in some sense, more crowded
by other solutions. This is exactly what we compare in the
proposed crowded-comparison operator, described below.
Although Fig. 1 illustrates the crowding-distance computation
for two objectives, the procedure is applicable to more than two
objectives as well.
2) Crowded-Comparison Operator: The crowded-compar-
ison operator (
) guides the selection process at the various
stages of the algorithm toward a uniformly spread-out Pareto-
optimal front. Assume that every individual in the population
has two attributes:
1) nondomination rank (
);
2) crowding distance (
).
We now define a partial order
as
if
or
and
That is, between two solutions with differing nondomination
ranks, we prefer the solution with the lower (better) rank. Other-
wise, if both solutions belong to the same front, then we prefer
the solution that is located in a lesser crowded region.
With these three new innovations—a fast nondominated
sorting procedure, a fast crowded distance estimation proce-
dure, and a simple crowded comparison operator, we are now
ready to describe the NSGA-II algorithm.
C. Main Loop
Initially, a random parent population
is created. The pop-
ulation is sorted based on the nondomination. Each solution is
assigned a fitness (or rank) equal to its nondomination level (1
is the best level, 2 is the next-best level, and so on). Thus, mini-
mization of fitness is assumed. At first, the usual binary tourna-
ment selection, recombination, and mutation operators are used
to create a offspring population
of size
. Since elitism
-
-
number of solutions in
for each
set
initialize distance
for each objective
sort
sort using each objective value
so that boundary points are always selected
for
to
for all other points


186
IEEE TRANSACTIONS ON EVOLUTIONARY COMPUTATION, VOL. 6, NO. 2, APRIL 2002
is introduced by comparing current population with previously
found best nondominated solutions, the procedure is different
after the initial generation. We first describe the th generation
of the proposed algorithm as shown at the bottom of the page.
The step-by-step procedure shows that NSGA-II algorithm is
simple and straightforward. First, a combined population
is formed. The population
is of size
. Then, the
population
is sorted according to nondomination. Since all
previous and current population members are included in
,
elitism is ensured. Now, solutions belonging to the best non-
dominated set
are of best solutions in the combined popu-
lation and must be emphasized more than any other solution in
the combined population. If the size of
is smaller then
,
we definitely choose all members of the set
for the new pop-
ulation
. The remaining members of the population
are chosen from subsequent nondominated fronts in the order of
their ranking. Thus, solutions from the set
are chosen next,
followed by solutions from the set
, and so on. This procedure
is continued until no more sets can be accommodated. Say that
the set
is the last nondominated set beyond which no other
set can be accommodated. In general, the count of solutions in
all sets from
to
would be larger than the population size.
To choose exactly
population members, we sort the solutions
of the last front
using the crowded-comparison operator
in descending order and choose the best solutions needed to fill
all population slots. The NSGA-II procedure is also shown in
Fig. 2. The new population
of size
is now used for se-
lection, crossover, and mutation to create a new population
of size
. It is important to note that we use a binary tournament
selection operator but the selection criterion is now based on the
crowded-comparison operator
. Since this operator requires
both the rank and crowded distance of each solution in the pop-
ulation, we calculate these quantities while forming the popula-
tion
, as shown in the above algorithm.
Consider the complexity of one iteration of the entire algo-
rithm. The basic operations and their worst-case complexities
are as follows:
1) nondominated sorting is
;
2) crowding-distance assignment is
;
3) sorting on
is
.
The overall complexity of the algorithm is
, which is
governed by the nondominated sorting part of the algorithm. If
Fig. 2.
NSGA-II procedure.
performed carefully, the complete population of size
need
not be sorted according to nondomination. As soon as the sorting
procedure has found enough number of fronts to have
mem-
bers in
, there is no reason to continue with the sorting pro-
cedure.
The diversity among nondominated solutions is introduced
by using the crowding comparison procedure, which is used in
the tournament selection and during the population reduction
phase. Since solutions compete with their crowding-distance (a
measure of density of solutions in the neighborhood), no extra
niching parameter (such as
needed in the NSGA) is re-
quired. Although the crowding distance is calculated in the ob-
jective function space, it can also be implemented in the param-
eter space, if so desired [3]. However, in all simulations per-
formed in this study, we have used the objective-function space
niching.
IV. S
IMULATION
R
ESULTS
In this section, we first describe the test problems used to
compare the performance of NSGA-II with PAES and SPEA.
For PAES and SPEA, we have identical parameter settings
as suggested in the original studies. For NSGA-II, we have
chosen a reasonable set of values and have not made any effort
in finding the best parameter setting. We leave this task for a
future study.
combine parent and offspring population
-
-
-
all nondominated fronts of
and
until
until the parent population is filled
-
-
calculate crowding-distance in
include th nondominated front in the parent pop
check the next front for inclusion
Sort
sort in descending order using
choose the first
elements of
-
-
use selection, crossover and mutation to create
a new population
increment the generation counter


DEB et al.: A FAST AND ELITIST MULTIOBJECTIVE GA: NSGA-II
187
TABLE I
T
EST
P
ROBLEMS
U
SED IN
T
HIS
S
TUDY
All objective functions are to be minimized.

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