解决 MATLAB 遗传算法中 exitflg=4 的问题

一、优化问题简介

以求解下述优化问题为例:

P 1 : min ⁡ p ∑ k = 1 K p k s . t . { ∑ k = 1 K R k r e q l o g ( 1 + α k ∗ p k ) ≤ B b s , ∀ k ∈ K p k ≥ 0 , ∀ k ∈ K \begin{align} {P_1:}&\mathop{\min}{\bm{p}}{ \sum\limits{k=1}^K p_k } \nonumber \\ &s.t. \begin{cases} \sum\limits_{k=1}^K \frac{R_k^{req}}{log(1+\alpha_k * p_k) } \leq B^{bs}, \forall k \in \mathcal{K} \nonumber \\ p_k \geq 0, \forall k \in \mathcal{K} \end{cases} \end{align} P1:minpk=1∑Kpks.t.⎩ ⎨ ⎧k=1∑Klog(1+αk∗pk)Rkreq≤Bbs,∀k∈Kpk≥0,∀k∈K

其中, p k p_k pk是决策变量, α k \alpha_k αk、 R k r e q R_k^{req} Rkreq、 B b s B^{bs} Bbs均是已知的正常数, K = { 1 , 2 , ... , K } \mathcal{K}=\{1,2,\dots,K\} K={1,2,...,K}表示变量的索引数。

二、有问题的代码

先以 K = 2 K=2 K=2 为例,调用遗传算法,编写下述代码,以求解上述优化问题:

1. 主函数:

c 复制代码
clear all
clc
para.K = 2 ;

para.alpha =  ones( para.K , 1 );
para.B_bs  =  10 ; 
para.R_req =  [ 3.6702 ;  5.2690 ] ;  %  2*rand( para.K , 1 ) + 5 ; 
  
LB = zeros( para.K , 1 ) + 10^(-5);
[X,FVAL,EXITFLAG,OUTPUT] = ga( @(x) myfit(x,para), para.K ,[], [],[],[],LB,[], @(x) nonlcon(x,para),[] ) 

2. 目标函数:

c 复制代码
function f = myfit( x , para )
    f = sum(x);
end

3. 非线性约束函数:

c 复制代码
function [ g , h ] = nonlcon( x , para ) 
g = sum( para.R_req ./ log2( 1 + para.alpha .* x' )  ) - para.B_bs;
h=[] ;

在代码中的参数设定下,我的运行结果不稳定:(MATLAB R2014a版本)

  • 运行好的结果如下(exitflg=1):
  • 运行不好的结果如下(exitflg=4):

GA提示:

c 复制代码
Optimization terminated: norm of the step is less than  2.2204e-16
 and constraint violation is less than options.TolCon.

GA函数返回迭代终止原因是步长范数过小,显示exitflg=4。

我搜了很多网址,寻找 exitflg=4 的原因,在以下两处资料中得到答案:

(1)官方MATLAB的文档

(2)exitFlag meaning in GA solver

"when the solution change is smaller than matlab capability (exit flag 4), this means you may need to improve your objective function."

三、解决方案

在我的优化问题中,我将 low bound 从原始的 1 0 − 5 10^{-5} 10−5 提高到 0.1 就好了...... (由 log 函数的定义可知,决策变量 p k p_k pk 需要大于等于0,在我的问题中, p k p_k pk越远离0,越不会出现 exitflg=4 的情况,且 p k p_k pk 的最优解也没有取在0的附近,因此我可以设成了0.1)

因此,将main函数改为下式:

c 复制代码
clear all
clc
para.K = 2 ;

para.alpha =  ones( para.K , 1 );
para.B_bs  =  10 ; 
para.R_req =  [ 3.6702 ;  5.2690 ] ;  %  2*rand( para.K , 1 ) + 5 ; 

LB = zeros( para.K , 1 ) + 0.1;
[X,FVAL,EXITFLAG,OUTPUT] = ga( @(x) myfit(x,para), para.K ,[], [],[],[],LB,[], @(x) nonlcon(x,para),[] ) 

此后运行结果非常稳定!

四、其他方案

在摸索 exitflg=4 的原因过程中,除了前述上调 low bound 令其远离 log 小于0的区域以外,我还发现了一些其他两个可有效缓解 exitflg=4 的方案:

  1. 增大种群规模(如:PopulationSize=300)
  2. 扩大目标函数(如:给目标函数乘以100倍)
  3. 增大迭代轮数(如:Generations=2000)

具体调试过程见下图:

(1)目标函数扩大100倍以后:'Generations', 为2000、种群规模增长到300 时,exitflg仍为4,但此时已经很接近最优解了。

(2)目标函数扩大100倍以后:'Generations', 为10000、种群规模增长到300 时(即增大迭代次数),exitflg偶尔为4,大部分时间为1,此时就是最优解

(3)目标函数扩大10000倍以后:'Generations', 即使为2000、种群规模为300 时,exitflg大部分情况也会为1

由此可知,增大种群规模、扩大目标函数、增大迭代轮数等方法,确实可以减缓 exitflg=4 的情况。

五、最终代码

解决了该问题后,本篇博客文末附上最终代码:

1. 主函数:

c 复制代码
clear all
clc
para.K = 8 ;
% options = gaoptimset('PopulationSize', 100, ...     % 种群包含个体数目
%                      'CrossoverFraction', 0.75, ... % 交叉后代比率
%                      'Generations', 2000, ...        % 迭代代数
%                      'TolFun',10^(-2), ...
%                      'TolCon',10^(-2), ...
%                      'PlotFcns', {@gaplotbestf, @gaplotbestindiv}); % 绘制最优个体适应度函数与最优个体   % , @gaplotstopping

para.alpha =   ones( para.K , 1 );
para.B_bs  = 10 ; 
para.R_req =  5*rand( para.K , 1 ) + 2 ;  % [ 3.6702 ;  5.2690 ] ;   % 
  
LB = zeros( para.K , 1 ) + 0.1;
UB = ones( para.K , 1 ) * 100 ;
[X,FVAL,EXITFLAG,OUTPUT] = ga( @(x) myfit(x,para), para.K ,[], [],[],[],LB,UB, @(x) nonlcon(x,para),[]) 
% [X,FVAL,EXITFLAG,OUTPUT] = ga( @(x) myfit(x,para), para.K ,[], [],[],[],LB,UB, @(x) nonlcon(x,para),[],options ) 

2. 目标函数:

c 复制代码
function f = myfit( x , para )
    f = sum(x);
end

3. 非线性约束函数:

c 复制代码
function [ g , h ] = nonlcon( x , para ) 
g = sum( para.R_req ./ log2( 1 + para.alpha .* x' )  ) - para.B_bs;
h=[] ;

运行结果:

相关推荐
百锦再21 小时前
Auto.js变成基础知识学习
开发语言·javascript·学习·sqlite·kotlin·android studio·数据库开发
叼烟扛炮21 小时前
C++第三讲:类和对象(中)
开发语言·c++·类和对象
iDao技术魔方1 天前
DeepSeek TUI:原生 Rust 打造的终端 AI 编码 Agent
开发语言·人工智能·rust
jghhh011 天前
认知无线电中基于能量检测的双门限频谱感知的 MATLAB 仿真
开发语言·matlab
Mr数据杨1 天前
【Codex】用教案主体模块沉淀标准化教学设计内容
java·开发语言·django·codex·项目开发
wangbing11251 天前
踩坑:el8应用装在el9上
开发语言·后端·ruby
Andya_net1 天前
Java | Java内存模型JMM
java·开发语言
froginwe111 天前
SQL LIKE 操作符详解
开发语言
182******20831 天前
2026年java后端还有机会吗?还能找到工作吗?
java·开发语言
kyriewen111 天前
你等的Babel编译,够喝三杯咖啡了——用Rust重写的SWC,只需眨个眼
开发语言·前端·javascript·后端·性能优化·rust·前端框架