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



tải về 0.7 Mb.
Chế độ xem pdf
trang5/11
Chuyển đổi dữ liệu11.05.2022
Kích0.7 Mb.
#51819
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
A. Test Problems
We first describe the test problems used to compare different
MOEAs. Test problems are chosen from a number of signifi-
cant past studies in this area. Veldhuizen [22] cited a number
of test problems that have been used in the past. Of them, we
choose four problems: Schaffer’s study (SCH) [19], Fonseca
and Fleming’s study (FON) [10], Poloni’s study (POL) [16], and
Kursawe’s study (KUR) [15]. In 1999, the first author suggested
a systematic way of developing test problems for multiobjec-
tive optimization [3]. Zitzler et al. [25] followed those guide-
lines and suggested six test problems. We choose five of those
six problems here and call them ZDT1, ZDT2, ZDT3, ZDT4,
and ZDT6. All problems have two objective functions. None
of these problems have any constraint. We describe these prob-
lems in Table I. The table also shows the number of variables,
their bounds, the Pareto-optimal solutions, and the nature of the
Pareto-optimal front for each problem.
All approaches are run for a maximum of 25 000 function
evaluations. We use the single-point crossover and bitwise
mutation for binary-coded GAs and the simulated binary
crossover (SBX) operator and polynomial mutation [6] for
real-coded GAs. The crossover probability of
and
a mutation probability of
or
(where
is the
number of decision variables for real-coded GAs and
is the
string length for binary-coded GAs) are used. For real-coded
NSGA-II, we use distribution indexes [6] for crossover and
mutation operators as
and
, respectively.
The population obtained at the end of 250 generations (the
population after elite-preserving operator is applied) is used to
calculate a couple of performance metrics, which we discuss
in the next section. For PAES, we use a depth value
equal
to four and an archive size
of 100. We use all population
members of the archive obtained at the end of 25 000 iterations
to calculate the performance metrics. For SPEA, we use a
population of size 80 and an external population of size 20 (this
4 : 1 ratio is suggested by the developers of SPEA to maintain
an adequate selection pressure for the elite solutions), so that
overall population size becomes 100. SPEA is also run until
25 000 function evaluations are done. For SPEA, we use the


188
IEEE TRANSACTIONS ON EVOLUTIONARY COMPUTATION, VOL. 6, NO. 2, APRIL 2002
Fig. 3.
Distance metric
7.
nondominated solutions of the combined GA and external
populations at the final generation to calculate the performance
metrics used in this study. For PAES, SPEA, and binary-coded
NSGA-II, we have used 30 bits to code each decision variable.
B. Performance Measures
Unlike in single-objective optimization, there are two goals in
a multiobjective optimization: 1) convergence to the Pareto-op-
timal set and 2) maintenance of diversity in solutions of the
Pareto-optimal set. These two tasks cannot be measured ade-
quately with one performance metric. Many performance met-
rics have been suggested [1], [8], [24]. Here, we define two per-
formance metrics that are more direct in evaluating each of the
above two goals in a solution set obtained by a multiobjective
optimization algorithm.
The first metric
measures the extent of convergence to a
known set of Pareto-optimal solutions. Since multiobjective al-
gorithms would be tested on problems having a known set of
Pareto-optimal solutions, the calculation of this metric is pos-
sible. We realize, however, that such a metric cannot be used
for any arbitrary problem. First, we find a set of
uni-
formly spaced solutions from the true Pareto-optimal front in
the objective space. For each solution obtained with an algo-
rithm, we compute the minimum Euclidean distance of it from
chosen solutions on the Pareto-optimal front. The average
of these distances is used as the first metric
(the conver-
gence metric). Fig. 3 shows the calculation procedure of this
metric. The shaded region is the feasible search region and the
solid curved lines specify the Pareto-optimal solutions. Solu-
tions with open circles are
chosen solutions on the Pareto-op-
timal front for the calculation of the convergence metric and so-
lutions marked with dark circles are solutions obtained by an
algorithm. The smaller the value of this metric, the better the
convergence toward the Pareto-optimal front. When all obtained
solutions lie exactly on
chosen solutions, this metric takes a
value of zero. In all simulations performed here, we present the
average
and variance
of this metric calculated for solution
sets obtained in multiple runs.
Even when all solutions converge to the Pareto-optimal front,
the above convergence metric does not have a value of zero. The
metric will yield zero only when each obtained solution lies ex-
actly on each of the chosen solutions. Although this metric alone
Fig. 4.
Diversity metric
1.
can provide some information about the spread in obtained so-
lutions, we define an different metric to measure the spread in
solutions obtained by an algorithm directly. The second metric
measures the extent of spread achieved among the obtained
solutions. Here, we are interested in getting a set of solutions
that spans the entire Pareto-optimal region. We calculate the
Euclidean distance
between consecutive solutions in the ob-
tained nondominated set of solutions. We calculate the average
of these distances. Thereafter, from the obtained set of non-
dominated solutions, we first calculate the extreme solutions (in
the objective space) by fitting a curve parallel to that of the true
Pareto-optimal front. Then, we use the following metric to cal-
culate the nonuniformity in the distribution:
(1)
Here, the parameters
and
are the Euclidean distances be-
tween the extreme solutions and the boundary solutions of the
obtained nondominated set, as depicted in Fig. 4. The figure il-
lustrates all distances mentioned in the above equation. The pa-
rameter
is the average of all distances
,
, assuming that there are
solutions on the best nondomi-
nated front. With
solutions, there are
consecutive
distances. The denominator is the value of the numerator for the
case when all
solutions lie on one solution. It is interesting to
note that this is not the worst case spread of solutions possible.
We can have a scenario in which there is a large variance in
.
In such scenarios, the metric may be greater than one. Thus, the
maximum value of the above metric can be greater than one.
However, a good distribution would make all distances
equal
to
and would make
(with existence of extreme
solutions in the nondominated set). Thus, for the most widely
and uniformly spreadout set of nondominated solutions, the nu-
merator of
would be zero, making the metric to take a value
zero. For any other distribution, the value of the metric would be
greater than zero. For two distributions having identical values
of
and
, the metric
takes a higher value with worse distri-
butions of solutions within the extreme solutions. Note that the
above diversity metric can be used on any nondominated set of
solutions, including one that is not the Pareto-optimal set. Using


DEB et al.: A FAST AND ELITIST MULTIOBJECTIVE GA: NSGA-II
189
TABLE II
M
EAN
(F
IRST
R
OWS
)
AND
V
ARIANCE
(S
ECOND
R
OWS
)
OF THE
C
ONVERGENCE
M
ETRIC
7
TABLE III
M
EAN
(F
IRST
R
OWS
)
AND
V
ARIANCE
(S
ECOND
R
OWS
)
OF THE
D
IVERSITY
M
ETRIC
1
a triangularization technique or a Voronoi diagram approach [1]
to calculate
, the above procedure can be extended to estimate
the spread of solutions in higher dimensions.

tải về 0.7 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11




Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2024
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương