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求解0-1背包问题的混合粒子群改进算法研究

姚若侠 薛丹 谢娟英 范虹

姚若侠, 薛丹, 谢娟英, 范虹. 求解0-1背包问题的混合粒子群改进算法研究[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2020, (6): 90-98. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201921025
引用本文: 姚若侠, 薛丹, 谢娟英, 范虹. 求解0-1背包问题的混合粒子群改进算法研究[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2020, (6): 90-98. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201921025
YAO Ruoxia, XUE Dan, XIE Juanying, FAN Hong. Study of an improved hybrid particle swarm optimization algorithm for solving 0-1 knapsack problems[J]. Journal of East China Normal University (Natural Sciences), 2020, (6): 90-98. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201921025
Citation: YAO Ruoxia, XUE Dan, XIE Juanying, FAN Hong. Study of an improved hybrid particle swarm optimization algorithm for solving 0-1 knapsack problems[J]. Journal of East China Normal University (Natural Sciences), 2020, (6): 90-98. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201921025

求解0-1背包问题的混合粒子群改进算法研究

doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.201921025
基金项目: 国家自然科学基金(11471004, 61673251); 陕西省重点研究和发展项目(2018SF-251)
详细信息
    通讯作者:

    姚若侠, 女, 教授, 博士生导师, 研究方向为符号计算、智能计算、模式识别. E-mail: rxyao@snnu.edu.cn

  • 中图分类号: TP301

Study of an improved hybrid particle swarm optimization algorithm for solving 0-1 knapsack problems

  • 摘要: 针对0-1背包问题求解, 将离散二进制粒子群优化 (Binary Particle Swarm Optimization, BPSO) 算法、贪心优化策略和模拟退火算法有机结合, 提出了一种改进算法: 带贪心优化的混合粒子群和模拟退火(Hybrid optimization algorithm based on the BPSO, the Simulated Annealing (SA) Algorithm and the Combined Greedy Optimization Operator (CGOO), BPSOSA-CGOO) 算法. 基于新算法, 完成了9组不同维度数据的仿真实验. 实验结果表明, BPSOSA-CGOO算法能够以较小的种群规模及迭代次数实现0-1背包问题的有效求解, 并在问题维度为20维的测试数据中找到优于已知最优解的解; 独立重复实验验证了, 无论对于低维度还是高维度背包问题, BPSOSA-CGOO算法均能以较高概率命中最优解, 提高了高维度背包问题求解的稳定性和可靠性.
  • 图  1  模拟退火操作产生新解示意图

    Fig.  1  Schematic diagram of a simulated annealing operation generating new solutions

    图  2  BPSOSA-CGOO算法流程图

    Fig.  2  Flow chart of the BPSOSA-CGOO algorithm

    图  3  不同测试数据命中次数对比柱状图

    Fig.  3  Comparison bar graph of the hit times with different test data

    图  4  20次独立重复执行测试数据8的结果图

    Fig.  4  Result chart of test data 8 in 20 independent experiments

    图  5  测试数据8命中次数对比柱状图

    Fig.  5  Comparison bar graph of hit times in test data 8

    表  1  BPSOSA-CGOO算法对不同测试数据的执行结果

    Tab.  1  Results from the BPSOSA-CGOO algorithm with different test data

    编号维数已知解实验最优解实验解进化
    次数
    价值重量价值重量
    1 10 295 269 (0111000111) 295 269 1
    2 15 481.07 354.96 (001010110111011) 481.07 354.96 1
    3 20 1024 871 (10111111010111111101) 1042 878 3
    4 23 9767 9768 (11111111010000011000000) 9767 9768 12
    5 50 3103 1000 (11010101111011011011011111110100001010011000001000) 3103 1000 63
    6 50 16102 11231 (01111001010111000110101010110100011011011010000110) 16102 11231 14
    7 60 8362 2393 (111111111111111111111111111111111111111111110100110110111000) 8362 2393 10
    8 80 5183 1170 (1111111111111111111111111111011101010010001011000100000000000
    1000010000000000000)
    5183 1170 103
    9 100 15170 3818 (1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
    111111111010101111000011010001100011010)
    15170 3818 10
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    表  2  BPSOSA-CGOO算法20次独立重复实验执行结果

    Tab.  2  Results from the BPSOSA-CGOO algorithm with different test data after 20 repeat runs

    编号维数已知解最优解最差解平均值标准差SSNAVIN
    价值重量价值重量价值重量价值重量
    1 10 295.00 269.00 295.00 269.00 295.00 269.00 295.00 269.00 0.00 20 0.8
    2 15 481.07 354.96 481.07 354.96 481.07 354.96 481.07 354.96 0.00 20 1.7
    3 20 1024.00 871.00 1042.00 878.00 1042.00 878.00 1042.00 878.00 0.00 20 14.7
    4 23 9767.00 9768.00 9767.00 9768.00 9767.00 9768.00 9767.00 9768.00 0.00 20 12.0
    5 50 3103.00 1000.00 3103.00 1000.00 3093.00 1000.00 3102.20 1000.00 2.48 18 100.0
    6 50 16102.00 11231.00 16102.00 11231.00 16102.00 11231.00 16102.00 11231.00 0.00 20 51.0
    7 60 8362.00 2393.00 8362.00 2393.00 8362.00 2393.00 8362.00 2393.00 0.00 20 11.3
    8 80 5183.00 1170.00 5183.00 1170.00 5135.00 1172.00 5170.50 1169.90 13.82 1 103.0
    9 100 15170.00 3818.00 15170.00 3818.00 15170.00 3818.00 15170.00 3818.00 0.00 20 14.4
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    表  3  修改参数后测试数据8的20次独立重复实验执行结果

    Tab.  3  Results from 20 independent experiments of test data 8 after parameter modification

    算法已知解最优解最差解平均值标准差SSN
    GOPSO5183518351685180.73.86 8
    BPSOSA-CGOO5183518351785182.21.3213
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    表  4  10次独立重复实验执行结果

    Tab.  4  Results from 10 independent experiments

    用例维数实验参数已知解最优解最差解平均值标准差
    种群迭代
    100 1002008254800379257957.521
    10005008254801679978010.7 6
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  • 收稿日期:  2019-12-06
  • 刊出日期:  2020-11-25

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