结构力学优化算法:禁忌搜索(TS):算法参数设置与调试.pdf
结构力学优化算法:禁忌搜索(TS):算法参数设置与调试
1禁忌搜索算法简介
1.11禁忌搜索算法的基本原理
禁忌搜索(TabuSearch,TS)算法是一种局部搜索算法的改进版本,由Fred
Glover在1986年提出。它通过引入“禁忌”机制来避免局部最优解,从而在搜
索过程中能够跳出局部最优,寻找全局最优解。禁忌搜索算法的核心在于其记
忆结构,即“禁忌表”,它记录了算法在搜索过程中已经访问过的解或解的某些
特征,以防止算法重复搜索同一解或相似解,从而提高搜索效率和效果。
1.1.1算法流程
1.初始化:设置初始解,初始化禁忌表,定义禁忌长度和目标函数。
2.邻域搜索:在当前解的邻域内寻找最优解。
3.禁忌更新:如果找到的解在禁忌表中,则根据禁忌长度判断是否
接受;如果不在,则接受并更新禁忌表。
4.迭代:重复邻域搜索和禁忌更新过程,直到满足停止条件。
1.1.2禁忌表
禁忌表是禁忌搜索算法的关键组成部分,它记录了算法在搜索过程中已经
访问过的解或解的某些特征,以防止算法重复搜索同一解或相似解。禁忌表的
大小和更新策略直接影响算法的性能。
1.22禁忌搜索算法在结构力学优化中的应用
结构力学优化是一个复杂的多目标优化问题,涉及到结构的强度、刚度、
稳定性等多个方面。禁忌搜索算法由于其能够有效避免局部最优解的特性,在
结构力学优化中得到了广泛应用。
1.2.1应用案例
1.2.1.1示例:桥梁结构优化
假设我们正在设计一座桥梁,目标是最小化桥梁的总重量,同时保证其满
足强度和刚度要求。我们可以将桥梁的各个构件的尺寸作为优化变量,使用禁
忌搜索算法来寻找最优的尺寸组合。
#禁忌搜索算法在桥梁结构优化中的应用示例
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importrandom
importnumpyasnp
#定义目标函数:桥梁总重量
defbridge_weight(dimensions):
#假设桥梁总重量与各构件尺寸的平方成正比
returnsum([d**2fordindimensions])
#定义邻域函数:生成当前解的邻域解
defgenerate_neighbors(current_solution):
neighbors=[]
foriinrange(len(current_solution)):
#对每个维度生成两个邻域解:一个增加,一个减少
neighbor1=current_solution.copy()
neighbor1[i]+=0.1
neighbor2=current_solution.copy()
neighbor2[i]-=0.1
neighbors.append(neighbor1)
neighbors.append(neighbor2)
returnneighbors
#禁忌搜索算法
deftabu_search(initial_solution,max_iterations,tabu_tenure):
current_solution=initial_solution
best_solution=current_solution
tabu_list=[]
for_inrange(max_iterations):
#生成邻域解
neighbors=generate_neighbors(current_solution)
#选择最优邻域解
best_neighbor=min(neighbors,key=bridge_weight)
#检查是否在禁忌表中
ifbest_neighborintabu_list:
#如果在禁忌表中,选择次优解
neighbors.remove(best_neighbor)
best_neighbor=min(neighbors,key=bridge_weight)
#更新禁忌表
tabu_list.append(best_neighbor)