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基于多目标优化的混合推荐算法研究与应用

基于多目标优化的混合推荐算法研究与应用

作者：徐荣安桂林理工大学

学位级别：硕士

随着信息化时代的到来,网络信息量呈指数性的增长,如何让用户在海量的信息中精准的获取自己想要的信息已经成为了大家的共识,推荐系统的出现在一定程度上解决了这个问题。但是由于用户需求的日益多样化,仅以准确度作为推荐系统的评价指... 详细信息

随着信息化时代的到来,网络信息量呈指数性的增长,如何让用户在海量的信息中精准的获取自己想要的信息已经成为了大家的共识,推荐系统的出现在一定程度上解决了这个问题。但是由于用户需求的日益多样化,仅以准确度作为推荐系统的评价指标已经不足以满足用户的需求,本课题将推荐的准确率、多样性和新颖度等指标作为推荐的评价标准,将多目标优化算法和混合推荐算法结合,充分利用不同推荐算法的优势,为用户提供更优的推荐列表。本文的主要工作包括:（1）针对nsga-III算法收敛性较低、多样性不足的问题,对算法中的变异算子进行改进,将个体的适应度值引入突变概率,引导个体朝着更好的方向发展。根据不同变异算子对收敛性和多样性的侧重不同,在迭代的不同时期采用不同的变异算子,以获取综合性能更好的算子,优化nsga-III算法的性能。在DTLZ系列标准测试函数上的实验结果表明,改进变异算子的nsga-III算法表现出了更好的性能。（2）多目标优化推荐模型的构建与应用。将基于用户的推荐、基于物品的推荐和基于矩阵分解推荐算法用并行式的方法进行混合,生成候选推荐列表。为了满足用户的个性化需求,将推荐的推荐率、多样性和新颖度作为目标函数,使用多目标优化算法nsga-III优化推荐列表,最后从候选推荐列表中选择最优的推荐列表进行推荐。以推荐的准确率、多样性和新颖度等指标作为推荐算法的评价标准,在Filmtrust和Movielens数据集上进行仿真实验,将基于多目标优化的混合推荐算法与基于用户的推荐、基于物品的推荐和基于矩阵分解推荐算法进行实验对比,实验结果表明,在推荐效果方面,本文算法具有更高的推荐指数,能产生更符合用户需求的推荐列表。

关键词：推荐算法多目标优化算法混合推荐算法变异算子 nsga-ⅲ

具有物流运输条件的分布式制造系统高维多目标调度问题研究

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具有物流运输条件的分布式制造系统高维多目标调度问题研究

作者：高铎长安大学

学位级别：硕士

随着人类生活水平的提高,对精细化产品的需求也随之增多,为了适应激烈的竞争环境,制造车间产品的制造工艺也逐渐复杂化,使得传统以单一生产车间为主的生产模式受到了冲击,制造车间需要向更加协同化的方向发展。分布式制造可以将优/劣势... 详细信息

随着人类生活水平的提高,对精细化产品的需求也随之增多,为了适应激烈的竞争环境,制造车间产品的制造工艺也逐渐复杂化,使得传统以单一生产车间为主的生产模式受到了冲击,制造车间需要向更加协同化的方向发展。分布式制造可以将优/劣势不同的企业联合起来,根据制造任务,采用合理的分工的方式共同完成产品的制造,提高制造车间的生产效率,更适合当前制造业的市场需求。而合理的物流运输调度方案是分布式制造的一个重要方面,调度优化的本质是给出最优的加工路线,去优化厂商所需要的产能指标。但随着市场交易的规模逐渐扩大,单一产能目标的寻优已经满足不了人们的需要,随之而来的高维多目标调度优化问题也越来越受到关注。目前,传统调度算法中的交叉变异算子往往使用固定的比率,不能根据客户需求及时的去进行生产调整,最终会影响算法的性能,而Q-Learning的自适应选择机制可以根据不同的生产需求选择最合适的交叉变异算子,从而提高生产效率。因此,在分布式制造的背景下,本文将基于QLearning的自适应选择机制与nsga-III算法相结合去解决分布式制造系统下的高维多目标物流调度优化问题,该算法在交叉和变异部分分别提供了五种不同的计算因子,由Q-Learning机制进行选择。并对最大完工时间、加工总能耗、交货期提前量、延迟量、生产总成本等多个目标同时进行优化。最后,通过其与其他几种高效的优化方法进行了对比,验证了所提算法的有效性。本文主要从以下几个方面研究:(1)首先对高维多目标寻优和分布式制造的现状进行介绍与描述。提出一种基于Q-Learning自适应机制的nsga-III优化算法,将优化算法应用在高维多目标函数寻优问题上,并进行实验仿真验证该算法的有效性。(2)其次,对分布式制造系统进行介绍与描述,包括该模式下的物流调度问题的概述、分类以及工作状态等,为后续研究高维多目标物流调度问题做铺垫。(3)最后,研究具有物流运输条件的分布式制造系统的高维多目标调度问题,同时优化最大完工时间、加工总能耗、交货期提前量、延迟量和生产总成本等五个目标函数。并将本文提出的Q-nsga-III算法与其他三种有效的优化算法结合物流调度问题进行实验对比,通过测试不同类型的案例验证算法的有效性。

关键词：分布式制造 nsga-ⅲ 高维多目标优化 Q-Learning 物流调度

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雅砻江流域水文气象特征分析及径流预报研究

雅砻江流域水文气象特征分析及径流预报研究

作者：常新雨华中科技大学

学位级别：硕士

流域水文气象要素特征分析和非线性径流综合预报一直是水文学领域的重要研究内容,可为流域水旱灾害防治、水资源高效配置、库群安全稳定运行和科学优化调度提供重要决策支撑。然而,随着气候变化和人类活动的持续影响,极端复合天气事件... 详细信息

流域水文气象要素特征分析和非线性径流综合预报一直是水文学领域的重要研究内容,可为流域水旱灾害防治、水资源高效配置、库群安全稳定运行和科学优化调度提供重要决策支撑。然而,随着气候变化和人类活动的持续影响,极端复合天气事件频繁发生,水旱灾害风险不断加剧,流域水文情势发生深刻变化,对人类生活、社会秩序和生态环境造成巨大破坏,给水文气象要素演变规律研究和流域径流预报模型构建带来一定困难。为此,本文围绕流域水文气象特征分析和非线性径流预报中面临的关键科学问题,以雅砻江流域作为研究对象,采用现代统计学理论和智能学习方法,解析了流域水文气象数据长期演变规律和趋势,探究了气-海-陆数据驱动的流域非线性径流预报模型和误差校正方法,改进了单目标和多目标框架下径流区间预报模型。研究工作对揭示流域水循环过程演变特征,提升非线性径流综合预报精度,量化流域径流预报不确定性具有重要意义。本文的主要研究内容和创新成果如下:(1)为全面解析变化环境下的流域水文气象要素时空演变规律和特征,研究工作引入Mann-Kendall非参数检验法、R/S分析法、滑动t检验和Morlet小波变换,全面分析了雅砻江流域各个子区间近50年来的水文气象要素的年季趋势、突变识别和周期特征。结果表明,流域平均气温、平均降水和区间径流处于一种较为稳定的状态,出现反持续性的概率较小,其中平均气温上升趋势明显,未来趋势持续性较强;各个子区间水文气象要素数据序列均存在不同时刻的突变;全流域各子区间年平均降水、平均气温、区间径流在时域和频域均存在多尺度显著性周期,在小周期和大周期间不断振荡,时频关系密切。研究成果有助于揭示流域内在气象要素形成的物理机制和内在联系,为非线性径流预报模型驱动因子筛选提供科学依据。(2)围绕流域非线性径流预报模型构建中的关键科学问题,本文提出了基于皮尔逊相关系数初筛和随机森林降维的预报因子筛选体系,同时构建了气-海-陆数据耦合驱动的径流预报模型和误差校正方法。结果表明,本文提出的因子优选体系能够较好地降低模型输入维度,评判因子重要程度,GPR、LSTM和SVM径流预报模型能够准确地反映径流变化过程,其检验期确定性系数可达0.75以上,且各模型在枯水期的拟合效果均优于汛期。本文提出的VMD-AR误差校正方法相较于串并联耦合校正方式,能显著提升径流预报精度,可将检验期确定性系数提高至0.9以上,且对于汛期洪峰的拟合程度较高。气-海-陆数据驱动的流域非线性径流预报模型和误差校正方法能够较好地反映径流变化过程,提升径流预报精度,预报结果能够为雅砻江流域水文情势分析提供重要参考。(3)针对确定性径流预报中不确定性特征难以量化,传统区间预报评价指标存在局限等问题,本文首次提出了区间拟合系数指标,改进了考虑覆盖率-宽度-拟合系数的综合评价指标CWFC,并构建了基于RWPSO算法的单目标LUBE区间预报模型和基于nsga-ⅲ算法的多目标LUBE区间预报模型。结果表明,引入区间拟合系数后,流域区间预报的精确度和可靠性均有提升,预报区间宽度有所减小,实测值更靠近区间中值附近。将LUBE方法扩展至多目标后,区间预报效果提升显著,预报区间对于汛期洪水过程的覆盖率均可达90%以上,径流预报区间的拟合系数可达0.9以上,且得到的Pareto最优解集可为决策者提供更多优质参数选择,进而帮助其做出科学决策和合理规划。

关键词：特性分析非线性径流预报随机森林误差校正 LUBE区间预报 RWPSO nsga-ⅲ

原油混合优化算法研究及原油切割应用软件研发

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原油混合优化算法研究及原油切割应用软件研发

作者：赵超北京邮电大学

学位级别：硕士

随着国际形势日趋紧张,国际贸易受阻,原油供应出现缺口,某种原油的缺失可能造成炼厂停产等严重后果,研究如何通过混合原油替代缺失原油对国内原油产业生产稳定具有重要意义。除了原材料供应受阻,先进生产技术的引入也困难重重,常减压蒸... 详细信息

随着国际形势日趋紧张,国际贸易受阻,原油供应出现缺口,某种原油的缺失可能造成炼厂停产等严重后果,研究如何通过混合原油替代缺失原油对国内原油产业生产稳定具有重要意义。除了原材料供应受阻,先进生产技术的引入也困难重重,常减压蒸馏是生产原油产品的首要步骤,也是最重要的步骤之一,即我们通常说的原油切割。目前国内原油切割应用系统主要依赖于进口技术,包括H/CAMS、Spiral Crude切割应用软件以及Chevron、BP原油数据库等等,伴随国际争端而来的是技术引进的不确定性与不安全性,再加上我国原油加工工艺与国外存在差异以及国内炼厂的个性化需求不断增加等诸多因素,制作一款独立自主、可以满足不同用户需求的原油切割应用软件显得越来越重要。因此本文的主要内容如下:(1)应对原油供应的不确定性、提高供应抗风险与采购议价能力,炼油厂需要通过原油混合获取拥有特定蒸馏曲线的原油,以此稳定生产,本文以混合原油物性偏差最小、原油采购成本最低以及库存成本最低为目标建立多目标优化模型,通过nsga-ⅲ、MODEA、MOPSO等多目标优化算法进行对比试验求解出帕累托前沿,为炼厂以混合原油替代目标原油提供较优参考方案。(2)本文将设计并开发一套基于原油详评数据的Web版原油切割应用软件。本软件以当下最为流行的微服务框架为依托,集用户管理、权限验证、数据维护、原油选择、切割方案设定、馏分温度校核、输出方案选择等诸多功能于一体,既满足了国内对原油轻端组分的需求,同时实现了数据库信息共享,为炼厂原油常减压蒸馏阶段提供自动化数据依托。

关键词：多目标优化原油切割应用开发 nsga-ⅲ

基于混合智能优化算法的自动排程技术研究与应用

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基于混合智能优化算法的自动排程技术研究与应用

作者：方希吉林大学

学位级别：硕士

随着“工业4.0”和“中国制造2025”政策的推广和实施,传统制造业对于智能转型的需求日益迫切。然而,许多离散型制造车间在生产排程方面仍然存在一系列挑战,例如过度依赖人工、排期不精准以及资源浪费等问题。这些挑战不仅影响了企业的... 详细信息

随着“工业4.0”和“中国制造2025”政策的推广和实施,传统制造业对于智能转型的需求日益迫切。然而,许多离散型制造车间在生产排程方面仍然存在一系列挑战,例如过度依赖人工、排期不精准以及资源浪费等问题。这些挑战不仅影响了企业的竞争力和生产效益,而且也拖延了智能转型的进程。因此,自动排程技术应运而生,它是一种利用信息技术、优化算法和人工智能来提高排程准确性和适应性的技术。为了在离散型制造车间实现自动排程技术的应用,本文先建立实际问题的数学模型,然后研究和改进智能优化算法,最终设计并开发了一款自动排程系统。具体内容如下:(1)通过分析离散型制造车间的实际生产需求,提出了一个考虑准备时间和成组约束的高维多目标柔性作业车间调度问题(Many-objective Flexible Job Shop Scheduling Problem,MaOFJSP)模型。同时总结车间最关注的性能指标,确定了问题的优化目标为最小化最大完工时间、最大机器负荷、机器总负荷、总拖期和总准备时间。(2)提出了一种基于第三代非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm Ⅲ,nsga-ⅲ)的混合智能优化算法,以求解考虑准备时间和成组约束的MaOFJSP。为了优化nsga-ⅲ算法的性能,改进种群初始化方法以提升初始种群的质量,改进精英保留策略以维持种群的多样性,引入变邻域搜索算法以提升算法的寻优能力。最后通过与其他算法的对比实验验证了优化策略的有效性和优越性。(3)以汽车线束制造车间为例,总结生产排程的业务特性,设计并实现了一个应用于离散型制造车间的自动排程系统。该系统集成了以上提出的MaOFJSP模型和混合智能优化算法,能够根据客户需求提供一组最佳排程方案,以验证自动排程技术的应用价值。

关键词：离散型制造柔性作业车间调度问题高维多目标优化 nsga-ⅲ 自动排程

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家庭能源管理系统智能用电策略研究

家庭能源管理系统智能用电策略研究

作者：邱映北京建筑大学

学位级别：硕士

在智能电网发展的背景下,人们对家庭电力的应用需求不仅是满足于正常家庭生活,同时,针对用电安全性、高效性以及节能性都提出了更高的要求。家庭能源管理系统是用户在电力需求侧的应用,是智能家居体系中的重要部分,也是以家庭为单位实... 详细信息

在智能电网发展的背景下,人们对家庭电力的应用需求不仅是满足于正常家庭生活,同时,针对用电安全性、高效性以及节能性都提出了更高的要求。家庭能源管理系统是用户在电力需求侧的应用,是智能家居体系中的重要部分,也是以家庭为单位实现能源高效利用的途径。因此,构建家庭用电负荷模型,根据用户的用电习惯制定合理的家庭用电计划,实现电能的高效利用,达到节能减排的效果,这正是研究家庭能源管理系统的意义所在。本文针对家庭能源管理系统中的各项用电设备进行用电调度优化,力求达到经济性、舒适性以及节能之间的平衡,为家庭中的智能用电提供可选方案。在保证室内热舒适度的前提下,针对空调为例的温控负荷进行了控制策略的研究与仿真,同时利用改进的多目标算法,结合家庭中的用电设备做出了用电优化,制定了不同的调度优化方案,为用户提供了多样性的选择。本文的主要工作如下:（1）将典型家庭中的用电负荷按照用电模式以及设备特性分为刚性负荷、柔性负荷、温控负荷、储能设备以及分布式电源设备。（2）针对家庭用电设备中的温控负荷,以空调为例,研究其用电控制策略。首先将PMV值作为评价室内热舒适的指标,为实时、快速地计算室内PMV值,根据Fonger教授提出的PMV计算公式,分析影响该指标的环境因素,建立了基于GSA优化的BP神经网络PMV预测模型,然后提出基于PMV的空调控制策略。根据该策略对夏季某一天中的空调能耗进行了仿真,并通过调整室内温度对空调能耗进行优化。优化结果显示在满足用户热舒适度的前提下该方案比原方案节省约30%能耗。（3）本文兼顾用电电费、用电舒适度以及碳排放量三个目标,针对家庭能源管理系统进行多目标优化。3个及以上的多目标问题优化算法常采用nsga-ⅲ算法,针对标准nsga-ⅲ算法在解决实际问题时参考点分布不均匀等问题,提出一种改进的nsga-ⅲ算法,分别进行了自适应遗传操作、基于参考点和拥挤度的个体选择策略两个改进。（4）利用所提出的改进nsga-ⅲ算法求解家庭能源管理系统调度优化模型,并为用户提供了三种用电优化方案。算例显示本文所提出的用电优化方案在三个目标上较原用电方案均有一定程度的提升,其中用电费用上最高节省21%,碳排放量最高降低10.2%,同时三种方案均维持了较高的用电满意度,用户可根据自身情况对家庭用电方案进行选择。本文从家庭负荷分类开始,根据不同类型的用电负荷进行数学建模。特别针对以空调为例的温控负荷进行了基于PMV的用电优化研究。考虑家庭用电中的柔性负荷,同时配合储能设备的充放电行为,提出符合用户用电需求的家庭能源管理系统调度优化方案,通过算例验证了所提方案的优越性。

关键词：家庭能源管理系统柔性负荷热舒适度 nsga-ⅲ 调度优化

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多无人机的高维多目标航迹规划

多无人机的高维多目标航迹规划

作者：白慧太原科技大学

学位级别：硕士

随着无人机技术日益发达,无人机可行性高、无人员伤亡、侦察性高以及灵活性强等特点,在各行各业都发挥了重要作用。无人机作为一种现代航空武器装备,因其能完成复杂环境中的任务受到了越来越多的关注。而无人机在执行任务过程中,单个无... 详细信息

随着无人机技术日益发达,无人机可行性高、无人员伤亡、侦察性高以及灵活性强等特点,在各行各业都发挥了重要作用。无人机作为一种现代航空武器装备,因其能完成复杂环境中的任务受到了越来越多的关注。而无人机在执行任务过程中,单个无人机的工作能力和它的工作范围会受到一定限制,无法满足许多复杂任务的需求,多无人机协同合作应运而生。多无人机航迹规划对于多无人机协同执行任务至关重要,可以提高任务完成的效率。本文构建了高维多目标优化的多无人机航迹规划模型,使用改进的nsga-ⅲ算法进行航迹求解,具体内容如下:(1)针对多无人机之间的协同性问题,综合考虑多无人机航迹距离代价、多无人机航迹时间代价、多无人机航迹协同距离代价以及多无人机航迹威胁代价,提出了高维多目标优化的多无人机协同航迹模型,并针对无人机自身性能以及多无人机协同性等约束条件进行分析,构建无人机三维复杂任务环境,使用改进的nsga-ⅲ算法进行多无人机航迹求解。改进的nsga-ⅲ使用分段交叉策略代替原来的交叉策略,并设置动态的交叉概率,提高了算法的收敛性。仿真实验验证了该方法的有效性。(2)针对无人机航迹规划的不平滑问题,提出了高维多目标优化的多无人机平滑航迹模型,综合考虑了多无人机航迹距离代价、多无人机航迹时间代价、多无人机航迹协同距离代价、多无人机航迹威胁代价以及多无人机航迹平滑代价五个目标,采用改进的nsga-ⅲ算法进行多无人机航迹求解,并在改进的算法中增加了扰动算子和删除算子,然后针对初步规划的航迹使用B样条曲线进行平滑处理。仿真实验验证了该方法的有效性。(3)本文设计了基于Matlab的多无人机航迹规划系统,将本文的模型和算法作为后端支撑技术,使用GUI界面作为前端对多无人机航迹规划的结果进行展示。本系统设计了用户注册登录功能、航迹参数设置功能以及航迹规划结果展示功能,通过系统运行测试,以上功能均可实现。

关键词：航迹规划航迹平滑高维多目标优化 nsga-ⅲ

给水管网系统韧性评价与高维多目标优化设计研究

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给水管网系统韧性评价与高维多目标优化设计研究

作者：段安湖南大学

学位级别：硕士

随着城市的快速发展,人们对于给水管网系统的性能期许越来越高。如果给水管网系统在面对外界冲击时,供水性能显著下降且不能及时恢复,则势必会直接或间接导致大量的经济损失与资源浪费。基于此,本文将韧性的概念应用于给水管网系统的性... 详细信息

随着城市的快速发展,人们对于给水管网系统的性能期许越来越高。如果给水管网系统在面对外界冲击时,供水性能显著下降且不能及时恢复,则势必会直接或间接导致大量的经济损失与资源浪费。基于此,本文将韧性的概念应用于给水管网系统的性能评价与优化设计中,以期提高给水管网系统的综合性能。论文的主体分如下两部分展开。论文首先利用贝叶斯网络工具Ge NIe Academic建立给水管网系统的韧性评价模型。根据韧性的定义,从韧性的三个基本属性出发,寻找影响给水管网系统韧性的因素,进而确定贝叶斯网络节点与贝叶斯网络结构,再通过专家意见调查,辅助确定贝叶斯网络的先验概率与条件概率,最后结合工程实际,构建完整的贝叶斯网络韧性评价模型。在应用案例中,模型通过正向推理计算出了给水管网系统的韧性值,之后通过反向推理与敏感性分析对贝叶斯网络中的关键节点进行了识别,模型分析的结果能够辅助工程决策,使之在资源有限的条件下,最大限度的提升系统韧性。其次,论文将韧性的概念应用于给水管网的多目标优化设计中,并从结构、能量两个不同的角度选取韧性指标,即管网韧性指数(NRI)与管径敏感型流量熵(DSFE),同时综合考虑管网经济性指标与管网漏损控制指标,以此构建给水管网高维多目标优化目标函数空间。本研究利用BFS算法识别管网的拓扑结构,从而辅助实现种群的初始化,在此基础上,利用nsga-III算法作为模型的启动算法,在给定约束的前提下,以管网布置方式与管径配置条件作为决策变量,进行给水管网高维多目标优化计算。在种群的迭代过程中,为避免传统惩罚函数的局限性,采用自适应惩罚函数对管网的水压、流速条件进行约束,利用自适应惩罚函数对目标函数进行修正。同时,为提升算法的适用性及在高维空间的寻优能力,本文对nsga-III算法进行了相应的改进,包括对交叉变异操作的改进与设置非支配解收集器等。在迭代完成后,利用TOPSIS算法对非支配解集中的最优解进行排序,选择满足实际权重偏好与性能期望的管网。应用案例验证了优化模型及其算法的科学性与有效性。

关键词：给水管网系统韧性贝叶斯网络高维多目标优化设计 nsga-ⅲ TOPSIS

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带有限缓冲区的混合流水车间多目标调度

工程科学学报 2021年第11期43卷 1491-1498页

作者：袁庆欣董绍华北京科技大学机械工程学院北京100083

研究对象是带有限缓冲区混合流水车间中的多目标调度问题.以各机器前置后置缓冲区容积有限、工件以批量形式运输、运载设备的运载能力有限等作为资源限制因素,以最小化完工时间、最小化物料运输时间、最小化并行机前置缓冲区空间占用率... 详细信息

研究对象是带有限缓冲区混合流水车间中的多目标调度问题.以各机器前置后置缓冲区容积有限、工件以批量形式运输、运载设备的运载能力有限等作为资源限制因素,以最小化完工时间、最小化物料运输时间、最小化并行机前置缓冲区空间占用率均衡指数为目标,建立调度模型.分别采用nsga-Ⅱ、nsga-ⅲ算法求解该模型,并对比两者之间的差别;设置不同的缓冲区容积,探究不同缓冲区容积对生产目标的影响,寻找最优缓冲区容积;建立不同模型,探究以最小化并行机前置缓冲区空间占用率均衡指数为目标的意义,最后以某船用管类生产企业的实际生产案例作为对象,通过对比优化结果与实际生产数据,验证了算法有效性.

关键词：混合流水车间多目标缓冲区均衡多约束 nsga-ⅲ