دانلود رایگان ترجمه مقاله الگوریتم سنجاقک و تکنیک بهینه سازی فرا ابتکاری (اسپرینگر 2015)

الگوریتم سنجاقک: یک تکنیک جدید بهینه سازی فرا ابتکاری برای حل مسائل تک هدف، گسسته، و چند هدفه

Dragonfly algorithm: a new meta-heuristic optimization technique for solving single-objective, discrete, and multi-objective problems

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) (ترجمه به صورت ناقص انجام شده است)

F1914

علی رغم تعداد قابل توجهی از نشریات اخیر در این زمینه ]29-21[، در طبیعت هنوز رفتارهای پرخاشگری که مورد توجه قرار نگرفته اند وجود دارد. یکی نوع حشرات متفن وجود دارد که به ندرت رنج می برند. از آنجایی که ادبیات مطالعاتی برای شبیه سازی هوش فردی و اجتماعی سنجاقک ها وجود ندارد، این مقاله برای اولین بار ابتدا ویژگی های اصلی سنجاقک را پیدا می کند. سپس یک الگوریتم براساس مشخصات ارائه می شود. قضیه ناهارخوری رایگان (NFL) ]30[ از انگیزه این کار برای ارائه بهینه ساز استفاده می کند، به این دلیل که این الگوریتم ممکن است الگوریتم های دیگری را برای برخی از مسائل نتواند حل کند. ادامه مقاله به شرح زیر است:
بخش 2 الهام و پایه های بیولوژیکی مقاله را ارائه می دهد. مدل های ریاضی و الگوریتم DA در بخش 3 ارائه شده اند. همچنین این بخش نسخه های باینری و چند هدفه DA را ارائه می کند. یک مطالعه جامع تطبیقی در چندین معیار توابع و یک مطالعه موردی واقعی در بخش 4 برای تایید عملکرد الگوریتم های BDA، DA و MODA ارائه شده است. سرانجام، بخش 5 نتیجه کار است و برخی از دستورالعمل ها برای مطالعات آینده را نشان می دهد.
2 الهام بخش
سنجاقک ها (Odonata) حشرات تفننی هستند. حدود 3000 گونه مختلف این حشره در سراسر جهان وجود دارد ]31[. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، چرخه حیات سنجاقک شامل دو مرحله اصلی است: نیچه و بالغ. آنها بخش عمده ای از طول عمر خود را در نیچه می گذارند و دگرگون می شوند تا بزرگسال شوند ]31[.

شکل 1. a. سنجاقک واقعی، b چرخه زندگی سنجاقک ها (تصویر چپ حسن نیت مهرداد مانی است که از سایت www.mehrdadmomeny.com قابل دسترس است.)
سنجاقک ها به عنوان شکارچیان کوچک در نظر گرفته می شوند و تقریبا تمام حشرات کوچک طبیعت را شکار می کنند. نیچه سنجاقک ها روی سایر حشرات دریایی و حتی ماهی های کوچک هم وجود دارد. واقعیت جالب در مورد سنجاقک ها این است که آنها منحصر به فرد و رفتار گروهی نادری دارند. سنجاقک ها فقط برای دو هدف اهمیت دارند: شکار و مهاجرت. در ابتدا ازدحام ایستا نام داشتند (تغذیه)، و بعدا ازدحام پویا نامگذاری شده اند (مهاجرت).
در ازدحام ایستا، سنجاقک ها گروه های کوچکی را تشکیل می دهند و در یک منطقه کوچک پرواز می کنند تا سایر شکارچیان پرواز به عنوان مثال پروانه ها و پشه ها را شکار کنند ]32[. جنبش های محلی و تغییرات ناگهانی در مسیر پرواز، ویژگی های اصلی ازدحام ایستا است. با این حال، در ازدحام پویا، شمار زیادی از سنجاقک ها برای مهاجرت در یک مسیر در مسافت های طولانی می چرخند ]33[.
الگوریتم اصلی DA از رفتارهای ازدحام ایستا و پویا حاصل می شوند. این دو رفتار روحیه بسیار شبیه به دو مرحله اصلی بهینه سازی با استفاده از فراشناختی دارد: اکتشاف و بهره برداری. سنجاقک ها زیرگروهی را در بیش از مناطق مختلف به صورت ایستا که هدف اصلی آن فاز اکتشاف است را ایجاد می کنند. با این حال، در ازدحام ایستا، دره های بزرگ و در امتداد یک جهت، که در مرحله بهره برداری مطلوب است، پرواز می کنند. این دو مرحله به صورت ریاضی در بخش زیر اجرا می شوند.
3 الگوریتم سنجاقک
3.1 اپراتورهایی برای اکتشاف و بهره برداری
بر طبق نظر رینولدز، رفتار ازدحام به سه اصول ابتدایی زیر اشاره دارند ]34[:
جداسازی، که به اجتناب از برخورد ایستا افراد به همسایگی افراد دیگر اشاره دارد.
هماهنگی، که تطبیق سرعت افراد در همسایگی افراد دیگر را نشان می دهد.
انسجام، که به گرایش افراد نسبت به مرکز همسایگی جرم اشاره دارد.
هدف اصلی هر گونه ازدحام زنده ماندن است، بنابراین تمام افراد باید منابع غذایی و دشمنان بی نظیر را جذب کنند. با توجه به این دو رفتار، پنج عامل اصلی در ارتقاء موقعیت افراد در سموم وجود دارد که در شکل 2 نشان داده شده است.
هر یک از این رفتارها به صورت ریاضی به شرح زیر هستند:
عمل جداسازی، با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود ]34[:
S_i=-∑_(j=1)^N〖X-X_j 〗 (3.1)
X موقعیت فعلی فرد است، Xj نشان دهنده موقعیت jام در همسایگی فرد است، و N تعداد افراد همسایه است.
ترازبندی به صورت زیر محاسبه می شود:
A_i=(∑_(j=1)^NV_j )/N (3.2)
Xj، jام سرعت یک فرد همجوار را نشان می دهد.
انسجام به صورت زیر محاسبه می شود:
C_i=(∑_(j=1)^NX_j )/N-X (3.3)
X موقعیت فعلی فرد است، N تعداد همسایه ها است، و Xj ، jام موقعیت همسایه فرد را نشان می دهد.
جذابیت نسبت به منابع غذایی به صورت زیر محاسبه می شود:

شکل 2. الگوهای اصلاحی اولیه بین گروهی از افراد

F_i=X^+-X (3.4)
X موقعیت فعلی فرد است، و X+ موقعیت منبع غذایی را نشان می دهد.
دور زدن دفاعی بیرون دشمن به صورت زیر محاسبه می شود:
E_i=X^-+X (3.5)
X موقعیت فعلی فرد است، و X- موقعیت دشمن را نشان می دهد.
رفتار سنجاقک ها در این مقاله به نظر می رسد که ترکیبی از پنج اصلاح الگو است. برای به روز رسانی موقعیت سنجاقک های مصنوعی در فضای جستجو و شبیه سازی حرکت آنها، دو بردار در نظر گرفته می شود: مرحله (DX) و موقعیت (X). مرحله بردار به طور مشابه ای بردار سرعت PSO و الگوریتم DA براساس چارچوب الگوریتم PSO توسعه داده است. مرحله بردار حرکت سنجاقک ها را نشان می دهد و به صورت زیر تعریف می-کند (توجه داشته باشید که مدل به روز رسانی موضع سنجاقک مصنوعی را در یک بعد تعریف می کند، اما روش دیگری را می تواند برای گسترش در ابعاد بالاتر معرفی کند):
ΔX_(t+1)=(sS_i+aA_i+cC_i+fF_i+eE_i )+w∆X_t (3.6)
s وزن جداسازی را نشان می دهد، Si، iام فرد جداسازی را نشان می دهد، a تراز وزن است، A تراز iام فرد را نشان می دهد، c وزن انسجام را نشان می دهد، Ci انسجام iام فرد است، f عامل غذا است، Fi ، iام منبع غذایی فرد است، e عامل دشمن است، Ei، iام موقعیت فرد دشمن است، w وزن اینرسی است، و t مقیاس تکرار است.
پس ازمحاسبه مرحله بردار، موقعیت بردارها به صورت زیر محاسبه می شوند:
X_(t+1)=X_t+∆X_(t+1) (3.7)
که t تکرار فعلی است.
با تجزیه، هم ترازی، انسجام، مواد غذایی، و عوامل دشمن (s,a,c,e)، رفتارهای مختلف کاوشگر و استثمارگر می توانند در طول بهینه سازی به دست آیند. همسایگان سنجاقک ها بسیار مهم هستند، بنابراین همسایگی (دایره در 2 بعد، کره در یک فضای سه بعدی، یا ابرکره در یک فضای n بعدی) با شعاع خاصی فرض می-شوند که در اطراف هر یک از سنجاقک های مصنوعی هستند. یک مثال از رفتار ازدحام سنجاقک ها با افزایش شعاع همسایگی با استفاده از مدل ریاضی در شکل 3 نشان داده شده است.
همانطور که در شکل زیر دیده می شود، سنجاقک ها فقط دو نوع ازدحام را نشان می دهند: ایستا و پویا که در شکل 4 نشان داده شده است. همانطور که در این شکل دیده می شود، سنجاقک ها تمایل دارند پرواز خود را هماهنگ کنند در حالی که جدایی و انسجام پویا را در یک ازدحام حفظ می کنند. با این حال، در ازدحام ایستا، هم سطحی بسیار کم است در حالی انسداد برای حمله به شکار بسیار بالا است. بنابراین، در هنگام کاوش فضای جستجو و هم ترازی پایین و انسجام بالا در زمان بهره برداری از فضای جستجو ما کاوش فضا را با مقیاس بالا و کم بودن وزن را تخصیص می دهیم. برای انتقال بین اکتشاف و بهره برداری، شعاع همسایه ها با تعداد تکرارها بسیار مناسب است. راه دیگر برای تعادل اکتشاف و استثمار این است که در هنگام بهینه سازی، عوامل ازدحام (s,a,c,f,e,w) به صورت سازگار تنظیم شوند.