JP5156329B2 - Parametric multiobjective optimization apparatus, parametric multiobjective optimization method, and parametric multiobjective optimization program - Google Patents
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Description
本発明は、条件により目的関数が変化する最適化対象のパラメータ(決定変数)を最適化するパラメトリック多目的最適化装置、パラメトリック多目的最適化方法およびパラメトリック多目的最適化プログラムに関する。 The present invention relates to a parametric multi-objective optimization device, a parametric multi-objective optimization method, and a parametric multi-objective optimization program for optimizing an optimization target parameter (decision variable) whose objective function changes depending on conditions.
本明細書において、最適化とは、最適解または最適に近い解(準最適解)を求めることをいう。 In this specification, the optimization means obtaining an optimum solution or a solution close to the optimum (suboptimal solution).
従来、多目的最適化問題と呼ばれる問題クラスが存在する。例えば、ある製品のコストを最小化し、性能を最大化するという問題を考えた場合、これは2つの目的関数の多目的最適化問題となる。この場合、コストおよび性能が2つの目的関数となる。一般的には、コストを下げると性能が悪化し、性能を上げるとコストがかさむというトレードオフの関係が生じるために、多目的最適化問題の解は一つではない。 Conventionally, there is a problem class called a multi-objective optimization problem. For example, when considering the problem of minimizing the cost of a product and maximizing performance, this becomes a multi-objective optimization problem of two objective functions. In this case, cost and performance are two objective functions. Generally, there is not a single solution for the multi-objective optimization problem because there is a trade-off relationship that lowering the cost degrades the performance and increasing the performance increases the cost.
図28は多目的最適化問題をエンジンの最適化に適用した例を示す図である。多目的最適化問題をエンジンの燃費およびトルクの最適化に適用する場合、燃費およびトルクが2つの目的関数f1,f2である。この場合、燃料噴射量、点火時期等のパラメータを調整することにより目的関数f1,f2の値を最適化する。 FIG. 28 is a diagram showing an example in which the multi-objective optimization problem is applied to engine optimization. When the multi-objective optimization problem is applied to engine fuel efficiency and torque optimization, the fuel efficiency and torque are two objective functions f 1 and f 2 . In this case, the values of the objective functions f 1 and f 2 are optimized by adjusting parameters such as the fuel injection amount and the ignition timing.
解Aは、燃費が解Bに比べて優れているが、トルクが解Bに比べて劣っている。このように、エンジンの燃費とエンジンのトルクとはトレードオフの関係を有するため、複数の最適解が存在する。使用者は、複数の最適解から目的に合った解を選択することができる。例えば、スポーツ走行に適した自動二輪車に用いるエンジンには解Aを選択し、ロングツーリングに適した自動二輪車に用いるエンジンには解Bを選択する。 The solution A has better fuel efficiency than the solution B, but the torque is inferior to the solution B. As described above, since the engine fuel efficiency and the engine torque have a trade-off relationship, there are a plurality of optimum solutions. The user can select a solution suitable for the purpose from a plurality of optimum solutions. For example, the solution A is selected for an engine used for a motorcycle suitable for sports driving, and the solution B is selected for an engine used for a motorcycle suitable for long touring.
一般に多目的最適化問題は、N個のパラメータについてM個の目的関数の値を、各パラメータの制約条件の範囲で最小化する問題と定義される。目的関数の値を最大化する場合は、目的関数に負の符号を付けて目的関数の値を最小化する問題に変換することとする。 In general, the multi-objective optimization problem is defined as a problem of minimizing the values of M objective functions for N parameters within the range of the constraint condition of each parameter. When maximizing the value of the objective function, a negative sign is added to the objective function to convert it into a problem that minimizes the value of the objective function.
このような多目的最適化問題は、一般的に単一の最適解を持たず、パレート最適解と呼ばれる概念で定義される最適解集合を持つ。ここで、パレート最適解とは、ある目的関数の値を改善するためには、少なくとも1つの他の目的関数の値を改悪せざるを得ない解のことをいい、以下のように定義される(例えば、非特許文献1参照)。 Such a multi-objective optimization problem generally does not have a single optimal solution, but has an optimal solution set defined by a concept called a Pareto optimal solution. Here, the Pareto optimal solution is a solution in which the value of at least one other objective function must be altered in order to improve the value of a certain objective function, and is defined as follows: (For example, refer nonpatent literature 1).
〔定義1〕あるp個の目的関数fk(k=1,・・・,p)の2つの解x1,x2∈Fに関して、fk(x1)≦fk(x2)(∀k=1,・・・,p)∧fk(x1)<fk(x2)(∃k=1,・・・,p)のとき、x1はx2に優越するという。ここで、Fは解の集合である。 [Definition 1] For two solutions x1, x2εF of p objective functions f k (k = 1,..., P), f k (x1) ≦ f k (x2) (∀k = 1 ,..., P) ∧f k (x1) <f k (x2) (∃k = 1,..., P), x1 is said to dominate x2. Here, F is a set of solutions.
〔定義2〕ある解x0が他のすべての解x∈Fに優越するとき、x0は最適解である。 [Definition 2] When a solution x0 dominates all other solutions xεF, x0 is an optimal solution.
〔定義3〕ある解x0に優越する解x∈Fが存在しないとき、x0はパレート最適解(または非劣解)である。 [Definition 3] When there is no solution xεF superior to a solution x0, x0 is a Pareto optimal solution (or non-inferior solution).
パレート最適解集合を求めることは、目的関数のトレードオフに関して最適な解の集合を求めることになる。 Obtaining the Pareto optimal solution set results in obtaining an optimal solution set with respect to the objective function trade-off.
図29はパレート最適解について説明するための図である。図29は2つの目的関数f1,f2の例を示す。解aについての目的関数f1の値f1(a)は解bについての目的関数f1の値f1(b)よりも小さく、解aについての目的関数f2 の値f2(a)は解bについての目的関数f2の値f2(b)よりも小さい。したがって、解aは解bに優越する。 FIG. 29 is a diagram for explaining the Pareto optimal solution. FIG. 29 shows an example of two objective functions f 1 and f 2 . The value f 1 of the objective function f 1 for solution a (a) the value f 1 of the objective function f 1 for solutions b (b) less than, the value f 2 of the objective function f 2 for Solution a (a) Is smaller than the value f 2 (b) of the objective function f 2 for the solution b. Therefore, the solution a is superior to the solution b.
同様に、解aは解c,dに優越する。解aに優越する解は存在しない。同様に、解e,fに優越する解も存在しない。したがって、解a,e,fはパレート最適解である。 Similarly, the solution a dominates the solutions c and d. There is no solution superior to solution a. Similarly, there is no solution superior to the solutions e and f. Accordingly, the solutions a, e, and f are Pareto optimal solutions.
なお、解gは、弱パレート最適解である。弱パレート最適解とは、ある目的関数についてのみパレート最適解に優越されないパレート解である。弱パレート最適解は、合理的な解ではなく、本来求める必要のない解である。 The solution g is a weak Pareto optimal solution. The weak Pareto optimal solution is a Pareto solution that is not superior to the Pareto optimal solution only for a certain objective function. The weak Pareto optimal solution is not a rational solution and is a solution that does not need to be originally obtained.
多目的最適化問題の解法は多数提案されている。最近注目されている方法に多目的進化型アルゴリズム(MOEAs:Multiobjective Evolutionary Algorithm)がある。 Many solutions for multi-objective optimization problems have been proposed. Recently, there has been a multiobjective evolutionary algorithm (MOEAs).
この方法の最大の特徴は、進化型アルゴリズムの多点探索を利用してパレート最適解集合を一度に求めることである。得られたパレ一ト最適解集合は、その中から目的に合致した解を探す意志決定、またはパレ一ト最適解集合(パレート境界)の形状からの知見の獲得等に用いられる。 The biggest feature of this method is that the Pareto optimal solution set is obtained at a time using the multi-point search of the evolutionary algorithm. The obtained Pareto optimal solution set is used for decision making to find a solution that matches the purpose from among them, or for obtaining knowledge from the shape of the Pareto optimal solution set (Pareto boundary).
進化型アルゴリズムとして遺伝的アルゴリズム(GA:Genetic Algorithm)を多目的最適化問題に適用する研究が数多く行われている。遺伝的アルゴリズムは、生物の適応進化を模倣した計算手法である。遺伝的アルゴリズムでは、解の候補を個体と呼ぶ。また、目的関数は適応度関数と呼び、適応度関数の値を適応度と呼ぶ。 There have been many studies on applying genetic algorithms (GA) as multi-objective optimization problems as evolutionary algorithms. Genetic algorithms are computational methods that mimic the adaptive evolution of organisms. In a genetic algorithm, a solution candidate is called an individual. The objective function is called an fitness function, and the value of the fitness function is called fitness.
この遺伝的アルゴリズムは、自然進化に見られる過程(染色体の選択、交叉および突然変異)をヒントにして、J.Hollandにより提案されたアルゴリズムである。設計変数を遺伝子とみなして、初期設計の個体集合をランダムに生成し、各個体の適応度を評価する。適応度の良い個体ほど親として選択される可能性が高くなるように親を選択する。そして、交叉(遺伝子の入れ換え)および突然変異(遺伝子のランダムな変化)により子孫を作る。さらに、評価、選択、交叉および突然変異により世代を繰り返し、最適解を探索する。 This genetic algorithm is based on the process of natural evolution (chromosome selection, crossover and mutation) as a hint. This is an algorithm proposed by Holland. The design variable is regarded as a gene, an initial design individual set is randomly generated, and the fitness of each individual is evaluated. Parents are selected so that individuals with better fitness are more likely to be selected as parents. And offspring are created by crossover (gene replacement) and mutation (random change of gene). Furthermore, generations are repeated through evaluation, selection, crossover, and mutation to search for an optimal solution.
具体的には、FonsecaらのMOGA(Multiobjective Genetic Algorithm:例えば、非特許文献1参照)、DebらのNSGA−II(Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm-II:例えば、非特許文献2参照)、ZitzlerらのSPEA2(Strength Pareto Evolutionary Algorithm 2: 例えば、非特許文献3参照)等が提案されている。特に、NSGA−IIおよびSPEA2は優秀な多目的進化型アルゴリズムとして知られている。
近年の自動車用エンジンには、排出ガスに含まれる有害成分を低減して環境問題に対応しつつ動力性能を向上するために、燃料噴射装置等の様々な電子制御装置が搭載され、高精度な制御が行われている。 In recent automobile engines, various electronic control devices such as fuel injection devices are installed to reduce harmful components contained in exhaust gas and improve power performance while addressing environmental problems. Control is taking place.
エンジンは非線形性が強い制御対象であるため、電子制御装置によるエンジン制御としてはマップ制御と呼ばれるフィードフォワード制御が主流である。マップ制御では、例えば負荷トルクおよびエンジン回転速度のような運転条件ごとに設定された電子制御装置の制御パラメータが用いられる。マップ制御の制御パラメータは運転条件ごとに事前実験を行って決定される。この作業は適合(Calibration)と呼ばれる。 Since the engine is a control target with strong nonlinearity, feedforward control called map control is the mainstream as engine control by the electronic control unit. In the map control, for example, control parameters of the electronic control device set for each operation condition such as load torque and engine speed are used. The control parameters for map control are determined by conducting preliminary experiments for each operating condition. This task is called calibration.
従来の適合は、エンジン試験機に接続されたエンジンを技術者が手動で調整することにより行われる。しかし、このような適合は、排出ガスの有害成分量(CO濃度、HC濃度およびNOx濃度)、燃費および出力トルク等の多目的評価となり、これらは一般にトレードオフの関係にある。さらに、電子制御装置およびその制御パラメータの数は増加する傾向にある。そのため、手動による最適化は困難さを増してきている。 Conventional adaptation is performed by a technician manually adjusting an engine connected to an engine tester. However, such adaptation is harmful components of exhaust gas (CO concentration, HC concentration and NO x concentration) becomes a multi-purpose evaluation of such fuel efficiency and output torque, it is related generally a trade-off. Furthermore, the number of electronic control units and their control parameters tends to increase. For this reason, manual optimization has become increasingly difficult.
図30はエンジンの適合を説明するための図である。 FIG. 30 is a view for explaining engine adaptation.
エンジンの適合では、負荷トルクおよびエンジン回転速度という運転条件(条件変数w1,w2)の値を選択する。そして、選択された運転条件でのNOx濃度および燃費(目的関数f1,f2の値)を最適にするような燃料噴射時期および点火時期(制御パラメータ(決定変数x1,x2))を探索する。 For engine adaptation, values of operating conditions (condition variables w 1 and w 2 ) such as load torque and engine speed are selected. The fuel injection timing and ignition timing (control parameters (determined variables x 1 , x 2 )) that optimize the NO x concentration and fuel consumption (values of the objective functions f 1 , f 2 ) under the selected operating conditions Explore.
図30においては、条件変数w1,w2の値を選択し、選択された条件変数w1,w2の値について目的関数f1,f2の多目的最適化を行い、決定変数x1,x2のパレート最適解を得る。その後、パレート最適解から好適な解を選択し、その解に対応する決定変数x1の値と条件変数w1,w2の値との関係を示すマップM1、およびその解に対応する決定変数x2の値と条件変数w1,w2との値の関係を示すマップM2を作成する。
In FIG. 30, the values of the condition variables w 1 and w 2 are selected, the multi-objective optimization of the objective functions f 1 and f 2 is performed on the values of the selected condition variables w 1 and w 2 , and the decision variables x 1 , obtaining a Pareto optimal solution x 2. Thereafter, a suitable solution is selected from the Pareto optimal solution, a map M1 showing the relationship between the value of the decision variable x 1 corresponding to the solution and the value of the condition variables w 1 and w 2 , and the decision variable corresponding to the solution to create a map M2 indicating the value of the relationship between the value and
マップM1,M2を完成させるためには、マップM1,M2の格子の数に相当する条件変数w1,w2の値について多目的最適化を繰り返す必要がある。 In order to complete the maps M1 and M2, it is necessary to repeat multi-objective optimization on the values of the conditional variables w 1 and w 2 corresponding to the number of grids of the maps M1 and M2.
エンジンの適合とは、マップ制御に必要な運転条件(条件変数)ごとに、複数の対立する評価規範(目的関数)を満たすような制御パラメータ(決定変数)を探索する多目的最適化問題を解くことである。 Engine adaptation means solving a multi-objective optimization problem that searches for control parameters (decision variables) that satisfy multiple conflicting evaluation criteria (objective functions) for each operating condition (condition variable) required for map control. It is.
このように、条件変数により特徴付けられている多目的最適化問題をパラメトリック多目的最適化問題(Parametric Multi-objective Optimization Problems;PMOP)と呼ぶ。図31はパラメトリック多目的最適化問題の概念図を示す図である。 Thus, the multi-objective optimization problem characterized by the condition variable is called a parametric multi-objective optimization problem (PMOP). FIG. 31 is a diagram showing a conceptual diagram of the parametric multi-objective optimization problem.
ここで、条件件数w1,w2を統合して条件変数wで表す。また、条件変数wの値をw1,w2,w3,…で表す。目的関数f1,f2は条件変数wの値により特徴付けられており、条件変数wの値の変化に伴って目的関数f1,f2の景観が変化する。目的関数f1,f2の景観の変化に伴いパレート最適解集合も変化する。 Here, the condition numbers w 1 and w 2 are integrated and represented by a condition variable w. Further, the value of the condition variable w is represented by w 1 , w 2 , w 3 ,. The objective functions f 1 and f 2 are characterized by the value of the condition variable w, and the landscape of the objective functions f 1 and f 2 changes as the value of the condition variable w changes. As the landscape of the objective functions f 1 and f 2 changes, the Pareto optimal solution set also changes.
例えば、エンジンの最適化の場合、条件変数w2であるエンジン回転速度を高くすると、目的関数f2の値である燃費が大きくなり、また最適な燃費を与える決定変数x1,x2である燃料噴射時期および点火時期が異なる。 For example, in the case of engine optimization, if the engine speed that is the condition variable w 2 is increased, the fuel consumption that is the value of the objective function f 2 increases, and the decision variables x 1 and x 2 that give optimum fuel consumption. The fuel injection timing and ignition timing are different.
パラメトリック多目的最適化問題を解くということを、条件変数のすべての値についてのパレート最適解集合を求めることと定義する。 Solving the parametric multi-objective optimization problem is defined as obtaining a Pareto optimal solution set for all values of the condition variables.
図32は条件変数の複数の値についての多目的最適化問題を解く様子を示す図である。図32に示すように、パラメトリック多目的最適化では、条件変数の値ごとにランダムに生成された初期解集合を用いて多目的最適化を行い、パレート最適解を得る。そのため、最適化に多大な時間が必要となる。 FIG. 32 is a diagram showing how a multi-objective optimization problem for a plurality of values of condition variables is solved. As shown in FIG. 32, in parametric multi-objective optimization, multi-objective optimization is performed using an initial solution set randomly generated for each condition variable value to obtain a Pareto optimal solution. Therefore, a great amount of time is required for optimization.
ところで、パラメトリック多目的最適化問題に類似の問題クラスとして、動的多目的最適化問題(Dynamic Multi-objective Optimization Problems;DMOP)と呼ばれる問題クラスがある。これは、多目的最適化問題が時間に依存して変化するという問題である。 By the way, as a problem class similar to the parametric multi-objective optimization problem, there is a problem class called a dynamic multi-objective optimization problem (DMOP). This is a problem that the multi-objective optimization problem changes depending on time.
たとえば、Zhouらは時間が経過して問題が変化したときのための初期化戦略を提案している(非特許文献4)。この初期化戦略は、一時刻前のパレート最適個体集合と現時刻のパレート最適個体集合とから一時刻後のパレート最適個体集合を予測し、これを初期個体集合として用いるものである。 For example, Zhou et al. Have proposed an initialization strategy for when the problem has changed over time (Non-Patent Document 4). This initialization strategy predicts a Pareto optimal individual set one hour later from a Pareto optimal individual set one hour before and a Pareto optimal individual set at the current time, and uses this as the initial individual set.
しかしながら、上記の初期化戦略は、常に過去のパレート最適個体集合から未来のパレート最適個体集合を推定することになるため、エンジンの最適化のようなパラメトリック多目的最適化問題に適用することができない。 However, since the above initialization strategy always estimates the future Pareto optimal individual set from the past Pareto optimal individual set, it cannot be applied to parametric multi-objective optimization problems such as engine optimization.
本発明の目的は、条件により目的関数が変化する最適化対象の決定変数を短時間で効率良く最適化することが可能なパラメトリック多目的最適化装置、パラメトリック多目的最適化方法およびパラメトリック多目的最適化プログラムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a parametric multi-objective optimization apparatus, a parametric multi-objective optimization method, and a parametric multi-objective optimization program capable of efficiently optimizing a decision variable to be optimized whose objective function changes depending on conditions in a short time. Is to provide.
(1) 第1の発明に係るパラメトリック多目的最適化装置は、条件変数に依存して複数の目的関数が変化する最適化対象を最適化するためのパラメトリック多目的最適化装置であって、最適化対象の条件変数の値を予め設定された順序で選択する条件変数選択部と、多目的最適化のための初期解集合を生成する初期解集合生成部と、条件変数選択部により選択された条件変数の値ごとに初期解集合生成部により生成された初期解集合を用いて多目的最適化を行うことにより、条件変数の値ごとに、複数の目的関数について決定変数のパレート最適解集合をそれぞれ求める多目的最適化部と、多目的最適化部による多目的最適化により条件変数の値ごとに得られる解集合を記憶する記憶部とを備え、初期解集合生成部は、条件変数選択部により選択される条件変数の一の値についての初期解集合を記憶部に記憶される条件変数の他の値について多目的最適化の過程で得られる解集合に基づいて生成するものである。 (1) A parametric multi-objective optimization device according to a first invention is a parametric multi-objective optimization device for optimizing an optimization target in which a plurality of objective functions change depending on a condition variable, the optimization target A condition variable selection unit that selects values of the condition variables in a preset order, an initial solution set generation unit that generates an initial solution set for multi-objective optimization, and a condition variable selected by the condition variable selection unit by performing multi-objective optimization using the initial solution set generated by the initial solution set generation unit for each value, for each value of the conditional variable, multipurpose optimal for obtaining respectively a Pareto optimal solution set of decision variables for a plurality of objective functions And a storage unit that stores a solution set obtained for each value of the condition variable by multi-objective optimization by the multi-objective optimization unit. The initial solution set for one value of the selected condition variable is generated based on the solution set obtained in the multi-objective optimization process for the other value of the condition variable stored in the storage unit.
そのパラメトリック多目的最適化装置においては、条件変数選択部により最適化対象の条件変数の値が予め設定された順序で選択される。また、初期解集合生成部により多目的最適化のための初期解集合が生成される。さらに、条件変数選択部により選択された条件変数の値ごとに初期解集合生成部により生成された初期解集合を用いて多目的最適化部により多目的最適化が行われる。それにより、条件変数の値ごとに、複数の目的関数について決定変数のパレート最適解集合がそれぞれ求められる。多目的最適化部による多目的最適化により条件変数の値ごとに得られる解集合は記憶部に記憶される。この場合、条件変数選択部により選択される条件変数の一の値についての初期解集合が記憶部に記憶される条件変数の他の値についての多目的最適化の過程で得られる解集合に基づいて初期解集合生成部により生成される。 In the parametric multi-objective optimization apparatus, the condition variable selection unit selects the value of the condition variable to be optimized in a preset order. An initial solution set for multi-objective optimization is generated by the initial solution set generation unit. Further, multi-objective optimization is performed by the multi-objective optimization unit using the initial solution set generated by the initial solution set generation unit for each value of the condition variable selected by the condition variable selection unit. Thus, for each value of the conditional variable, Pareto optimal solution set of decision variables for a plurality of objective functions are obtained, respectively. A solution set obtained for each condition variable value by multi-objective optimization by the multi-objective optimization unit is stored in the storage unit. In this case, the initial solution set for one value of the condition variable selected by the condition variable selection unit is based on the solution set obtained in the multi-objective optimization process for the other value of the condition variable stored in the storage unit. Generated by the initial solution set generation unit.
このようにして生成される初期解集合はランダムに生成された初期解集合に比べてパレート最適解集合に近いため、より少ない回数の最適化でパレート最適解集合を得ることができる。したがって、条件により目的関数が変化する最適化対象の決定変数を短時間で効率良く最適化することが可能となる。 Since the initial solution set generated in this manner is closer to the Pareto optimal solution set than the randomly generated initial solution set, the Pareto optimal solution set can be obtained with a smaller number of optimizations. Therefore, it is possible to efficiently optimize a decision variable to be optimized whose objective function changes depending on conditions in a short time.
また、条件変数選択部による条件変数の選択順序をパレート最適解の探索の収束性が向上するように設定することができるので、パレート最適解をより短時間で得ることができる。 In addition, since the condition variable selection order by the condition variable selection unit can be set so that the convergence of the search for the Pareto optimal solution is improved, the Pareto optimal solution can be obtained in a shorter time.
(2) 初期解集合生成部は、条件変数選択部により選択される条件変数の一の値についての初期解集合を記憶部に記憶される条件変数の他の複数の値についての複数の解集合の混合により求めてもよい。 (2) The initial solution set generation unit includes a plurality of solution sets for a plurality of other values of the condition variable stored in the storage unit as an initial solution set for one value of the condition variable selected by the condition variable selection unit. You may obtain | require by mixing.
この場合、初期解集合が複数の解集合の混合により求められるので、簡単な処理によりパレート最適解集合に近い初期解集合を得ることができる。したがって、最適化に要する時間を大幅に短縮することができる。 In this case, since the initial solution set is obtained by mixing a plurality of solution sets, an initial solution set close to the Pareto optimal solution set can be obtained by simple processing. Therefore, the time required for optimization can be greatly shortened.
(3) 初期解集合生成部は、条件変数の一の値と記憶部に記憶される条件変数の他の値との条件変数空間における距離に基づいて条件変数の複数の値を選択するとともに選択された複数の値についての複数のパレート最適解集合を選択し、条件変数の選択された複数の値間の条件変数空間における距離および選択された複数のパレート最適解集合間の類似度を算出し、条件変数空間における距離を説明変数とし、類似度を被説明変数として統計的処理により距離と類似度との関係を算出し、条件変数の一の値と記憶部に記憶される条件変数の他の値との条件変数空間における距離に基づいて条件変数の複数の値を選択し、条件変数の選択された複数の値の各々について多目的最適化の過程で得られる解集合とパレート最適解集合との類似度を算出し、条件変数の一の値と条件変数の選択された複数の値との条件変数空間における距離および統計的処理により算出された関係に基づいて、条件変数の選択された複数の値に対応する類似度を推定し、条件変数の選択された複数の値の各々について多目的最適化の過程で得られる解集合のうち推定された類似度に最も近い類似度を有する解集合を選択し、条件変数の選択された複数の値について多目的最適化の過程で得られる解集合を条件変数空間における距離に基づく比率で混合することにより条件変数の一の値についての初期解集合を生成してもよい。 (3) The initial solution set generation unit selects and selects a plurality of values of the condition variable based on a distance in the condition variable space between one value of the condition variable and another value of the condition variable stored in the storage unit Select multiple Pareto optimal solution sets for the selected multiple values, and calculate the distance in the condition variable space between the selected multiple values of the condition variable and the similarity between the selected multiple Pareto optimal solution sets The relationship between the distance and the similarity is calculated by statistical processing using the distance in the condition variable space as the explanatory variable, the similarity as the explained variable, and the condition variable stored in the storage unit. Selecting a plurality of values of the condition variable based on the distance in the condition variable space with the value of the value, and a solution set obtained in the multi-objective optimization process and a Pareto optimal solution set for each of the selected values of the condition variable, Similarity of Calculate and correspond to multiple selected values of a conditional variable based on the distance in the conditional variable space between one value of the conditional variable and multiple selected values of the conditional variable and the relationship calculated by statistical processing A solution set having a similarity closest to the estimated similarity among the solution sets obtained in the multi-objective optimization process for each of a plurality of selected values of the condition variable, An initial solution set for one value of a condition variable may be generated by mixing the solution set obtained in the multi-objective optimization process for a plurality of selected values of the variable at a ratio based on the distance in the condition variable space .
この場合、条件変数空間における条件変数の値間の距離と複数のパレート最適解集合間の類似度との関係の算出、条件変数の複数の値の選択、選択された複数の値に対応する類似度の推定、推定された類似度に最も近い類似度を有する解集合の選択、および多目的最適化の過程で得られる解集合の混合により、パレート最適解集合に近い初期解集合を得ることができる。したがって、最適化に要する時間を大幅に短縮することができる。 In this case, the calculation of the relationship between the distance between the condition variable values in the condition variable space and the similarity between a plurality of Pareto optimal solution sets, the selection of a plurality of condition variable values, the similarity corresponding to the selected values The initial solution set close to the Pareto optimal solution set can be obtained by estimating the degree, selecting the solution set having the closest similarity to the estimated similarity, and mixing the solution sets obtained in the multi-objective optimization process . Therefore, the time required for optimization can be greatly shortened.
(4) 第2の発明に係るパラメトリック多目的最適化方法は、条件変数に依存して複数の目的関数が変化する最適化対象を最適化するためのパラメトリック多目的最適化方法であって、コンピュータが最適化対象の条件変数の値を予め設定された順序で選択するステップと、コンピュータが多目的最適化のための初期解集合を生成するステップと、コンピュータが選択された条件変数の値ごとに生成された初期解集合を用いて多目的最適化を行うことにより、条件変数の値ごとに、複数の目的関数について決定変数のパレート最適解集合をそれぞれ求めるステップと、コンピュータが多目的最適化により条件変数の値ごとに得られる解集合を記憶部に記憶するステップとを備え、初期解集合を生成するステップは、選択される条件変数の一の値についての初期解集合を記憶部に記憶される条件変数の他の値について多目的最適化の過程で得られる解集合に基づいて生成するステップを含むものである。 (4) A parametric multi-objective optimization method according to a second invention is a parametric multi-objective optimization method for optimizing an optimization target in which a plurality of objective functions change depending on a condition variable, and is optimized by a computer. selecting a value of the condition variables of interest in a predetermined order, the computer and generating an initial solution set for multi-objective optimization, generated for each value of the condition variable computer is selected By performing multi-objective optimization using the initial solution set, a step for obtaining a Pareto optimal solution set of decision variables for multiple objective functions for each condition variable value, and for each condition variable value by the computer using multi-objective optimization Storing the solution set obtained in the storage unit in the storage unit, and generating the initial solution set includes: The method includes a step of generating an initial solution set of values based on a solution set obtained in the multi-objective optimization process for other values of the condition variables stored in the storage unit.
そのパラメトリック多目的最適化方法によれば、最適化対象の条件変数の値が予め設定された順序で選択される。また、多目的最適化のための初期解集合が生成される。さらに、選択された条件変数の値ごとに生成された初期解集合を用いて多目的最適化が行われる。それにより、条件変数の値ごとに、複数の目的関数について決定変数のパレート最適解集合がそれぞれ求められる。多目的最適化により条件変数の値ごとに得られる解集合は記憶部に記憶される。この場合、条件変数選択部により選択される条件変数の一の値についての初期解集合が記憶部に記憶される条件変数の他の値についての多目的最適化により得られる解集合に基づいて初期解集合生成部により生成される。 According to the parametric multi-objective optimization method, the value of the condition variable to be optimized is selected in a preset order. An initial solution set for multi-objective optimization is generated. Further, multi-objective optimization is performed using the initial solution set generated for each value of the selected condition variable. Thus, for each value of the conditional variable, Pareto optimal solution set of decision variables for a plurality of objective functions are obtained, respectively. A solution set obtained for each condition variable value by multi-objective optimization is stored in the storage unit. In this case, the initial solution set for one value of the condition variable selected by the condition variable selection unit is based on the solution set obtained by multi-objective optimization for the other value of the condition variable stored in the storage unit. Generated by the set generation unit.
このようにして生成される初期解集合はランダムに生成された初期解集合に比べてパレート最適解集合に近いため、より少ない回数の最適化でパレート最適解集合を得ることができる。したがって、条件により目的関数が変化する最適化対象の決定変数を短時間で効率良く最適化することが可能となる。 Since the initial solution set generated in this manner is closer to the Pareto optimal solution set than the randomly generated initial solution set, the Pareto optimal solution set can be obtained with a smaller number of optimizations. Therefore, it is possible to efficiently optimize a decision variable to be optimized whose objective function changes depending on conditions in a short time.
また、条件変数の選択順序をパレート最適解の探索の収束性が向上するように設定することができるので、パレート最適解をより短時間で得ることができる。 In addition, since the selection order of the condition variables can be set so that the convergence of the search for the Pareto optimal solution is improved, the Pareto optimal solution can be obtained in a shorter time.
(5) 第3の発明に係るパラメトリック多目的最適化プログラムは、条件変数に依存して複数の目的関数が変化する最適化対象を最適化するための最適化方法をコンピュータに実行させるパラメトリック多目的最適化プログラムであって、最適化対象の条件変数の値を予め設定された順序で選択する処理と、多目的最適化のための初期解集合を生成する処理と、選択された条件変数の値ごとに生成された初期解集合を用いて多目的最適化を行うことにより、条件変数の値ごとに、複数の目的関数について決定変数のパレート最適解集合をそれぞれ求める処理と、多目的最適化により条件変数の値ごとに得られる解集合を記憶部に記憶する処理とを、コンピュータに実行させ、初期解集合を生成する処理は、選択される条件変数の一の値についての初期解集合を記憶部に記憶される条件変数の他の値について多目的最適化の過程で得られる解集合に基づいて生成する処理を含むものである。 (5) A parametric multi-objective optimization program according to a third invention is a parametric multi-objective optimization program that causes a computer to execute an optimization method for optimizing an optimization target in which a plurality of objective functions change depending on condition variables. A program that selects condition variable values to be optimized in a preset order, generates an initial solution set for multi-objective optimization, and generates each selected condition variable value by performing multi-objective optimization using the initial solution set, which is, for each value of the conditional variable, and processing for determining each Pareto optimal solution set of decision variables for a plurality of objective functions, each value of the conditional variable by multi-objective optimization The process of storing the solution set obtained in step (b) in the storage unit is executed by the computer, and the process of generating the initial solution set is performed for one value of the selected condition variable. This includes processing for generating all initial solution sets based on solution sets obtained in the multi-objective optimization process for other values of the condition variables stored in the storage unit.
そのパラメトリック多目的最適化プログラムによれば、最適化対象の条件変数の値が予め設定された順序で選択される。また、多目的最適化のための初期解集合が生成される。さらに、選択された条件変数の値ごとに生成された初期解集合を用いて多目的最適化が行われる。それにより、条件変数の値ごとに、複数の目的関数について決定変数のパレート最適解集合がそれぞれ求められる。多目的最適化により条件変数の値ごとに得られる解集合は記憶部に記憶される。この場合、条件変数選択部により選択される条件変数の一の値についての初期解集合が記憶部に記憶される条件変数の他の値についての多目的最適化により得られる解集合に基づいて初期解集合生成部により生成される。 According to the parametric multi-objective optimization program, the value of the condition variable to be optimized is selected in a preset order. An initial solution set for multi-objective optimization is generated. Further, multi-objective optimization is performed using the initial solution set generated for each value of the selected condition variable. Thus, for each value of the conditional variable, Pareto optimal solution set of decision variables for a plurality of objective functions are obtained, respectively. A solution set obtained for each condition variable value by multi-objective optimization is stored in the storage unit. In this case, the initial solution set for one value of the condition variable selected by the condition variable selection unit is based on the solution set obtained by multi-objective optimization for the other value of the condition variable stored in the storage unit. Generated by the set generation unit.
このようにして生成される初期解集合はランダムに生成された初期解集合に比べてパレート最適解集合に近いため、より少ない回数の最適化でパレート最適解集合を得ることができる。したがって、条件により目的関数が変化する最適化対象の決定変数を短時間で効率良く最適化することが可能となる。 Since the initial solution set generated in this manner is closer to the Pareto optimal solution set than the randomly generated initial solution set, the Pareto optimal solution set can be obtained with a smaller number of optimizations. Therefore, it is possible to efficiently optimize a decision variable to be optimized whose objective function changes depending on conditions in a short time.
また、条件変数の選択順序をパレート最適解の探索の収束性が向上するように設定することができるので、パレート最適解をより短時間で得ることができる。 In addition, since the selection order of the condition variables can be set so that the convergence of the search for the Pareto optimal solution is improved, the Pareto optimal solution can be obtained in a shorter time.
本発明によれば、より少ない回数の最適化でパレート最適解集合を得ることができる。したがって、条件により目的関数が変化する最適化対象の決定変数を短時間で効率良く最適化することが可能となる。 According to the present invention, a Pareto optimal solution set can be obtained with a smaller number of optimizations. Therefore, it is possible to efficiently optimize a decision variable to be optimized whose objective function changes depending on conditions in a short time.
また、条件変数の選択順序をパレート最適解の探索の収束性が向上するように設定することができるので、パレート最適解をより短時間で得ることができる。 In addition, since the selection order of the condition variables can be set so that the convergence of the search for the Pareto optimal solution is improved, the Pareto optimal solution can be obtained in a shorter time.
以下、本発明の一実施の形態に係るパラメトリック多目的最適化装置(以下、多目的最適化装置と略記する。)について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a parametric multi-objective optimization apparatus (hereinafter abbreviated as a multi-objective optimization apparatus) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1)多目的最適化装置の機能的な構成
図1は本発明の一実施の形態に係る多目的最適化装置の機能的な構成を示すブロック図である。
(1) Functional Configuration of Multi-Objective Optimization Device FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of a multi-purpose optimization device according to an embodiment of the present invention.
本実施の形態では、多目的最適化装置1は、多目的進化型アルゴリズムを利用して多目的最適化問題のパレート最適個体集合を算出する。例えば、多目的進化型アルゴリズムとして多目的遺伝的アルゴリズム(GA)が用いられる。
In the present embodiment, the
この多目的最適化装置1は、最適化対象6に接続される。最適化対象6は、機器の性能を評価する評価システムである。評価システムは、実システムを評価する評価装置またはシミュレータである。実システムは、例えばエンジンまたはモータであり、評価装置は、例えばエンジン評価装置またはモータ評価装置である。また、シミュレータは、例えばエンジンシミュレータまたはモータシミュレータである。本実施の形態では、最適化対象6はエンジン試験機である。
This
多目的最適化装置1は、条件変数計画部2、個体集合初期化部3、多目的進化型アルゴリズム部4および探索履歴記憶部5を含む。
The
条件変数計画部2、個体集合初期化部3および多目的進化型アルゴリズム部4は、後述するCPU101(図2)がパラメトリック多目的最適化プログラムを実行することにより実現される。探索履歴記憶部5は、後述する外部記憶装置106(図2)により構成される。
The condition
この多目的最適化装置1には、複数の適応度関数(目的関数)、1または複数の条件変数および複数の決定変数が設定される。
In this
複数の適応度関数としては、燃費(燃料消費量)、トルク、エンジンの排気ガスに含まれるCO(一酸化炭素)、HC(炭化水素)、NOx (窒素酸化物)等の成分の濃度等のうち複数が設定される。 Multiple fitness functions include fuel consumption (fuel consumption), torque, concentration of components such as CO (carbon monoxide), HC (hydrocarbon), and NO x (nitrogen oxide) contained in engine exhaust gas, etc. A plurality of them are set.
ここで、トレードオフの関係としては、トルクと燃費、トルクとCO濃度、トルクとHC濃度、燃費とNOx 濃度、CO濃度とNOx 濃度、HC濃度とNOx 濃度等が挙げられる。後述する例では、2つの適応度関数f1,f2が設定され、適応度関数f1は例えばNOx 濃度であり、適応度関数f2は例えば燃費である。 Here, the trade-off relationship includes torque and fuel consumption, torque and CO concentration, torque and HC concentration, fuel consumption and NO x concentration, CO concentration and NO x concentration, HC concentration and NO x concentration, and the like. In the example described later, two fitness functions f 1 and f 2 are set, the fitness function f 1 is, for example, NO x concentration, and the fitness function f 2 is, for example, fuel consumption.
また、多目的最適化問題の条件を表す条件変数が設定される。後述する例では、2つの条件変数w1,w2の組み合わせを条件変数wと称する。すなわち、条件変数wは2次元ベクトルからなる。この場合、w=(w1,w2)である。条件変数wは、例えばエンジンの運転条件であり、条件変数w1は例えば負荷トルクであり、条件変数w2は例えばエンジン回転速度である。条件変数w1,w2がそれぞれV個の値を有する場合、条件変数wはV2組の値を有する。 In addition, a condition variable representing the condition of the multi-objective optimization problem is set. In the example described later, a combination of two condition variables w 1 and w 2 is referred to as a condition variable w. That is, the condition variable w is a two-dimensional vector. In this case, w = (w 1 , w 2 ). The condition variable w is, for example, an engine operating condition, the condition variable w 1 is, for example, a load torque, and the condition variable w 2 is, for example, an engine speed. When the condition variables w 1 and w 2 each have V values, the condition variable w has V 2 sets of values.
条件変数wが3次元以上のN次元ベクトルからなってもよい。この場合、条件変数wはU個の条件変数w1,w2,…,wUからなる。 The condition variable w may consist of an N-dimensional vector having three or more dimensions. In this case, the condition variable w consists of U condition variables w 1 , w 2 ,..., W U.
さらに、調整可能な値として複数の決定変数が設定される。決定変数は、例えば最適化対象6の制御パラメータである。決定変数としては、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度等が挙げられる。決定変数は、遺伝的アルゴリズムでは、遺伝子と呼ばれる。多目的遺伝的アルゴリズムの個体とは、多目的最適化問題の解の候補であり、複数の決定変数の組および複数の適応度を有する。適応度は、適応度関数の値(目的関数値)である。以下、多目的遺伝的アルゴリズムの個体を単に個体と呼ぶ。
Furthermore, a plurality of decision variables are set as adjustable values. The decision variable is a control parameter of the
多目的最適化装置1は、条件変数の各値での適応度を最適にするような決定変数を求める。ここで、条件変数の各値での適応度を最適にするような決定変数を求めることを条件変数の各値の評価と呼ぶ。
The
条件変数計画部2は、条件変数の複数の値からなる条件変数集合の評価順序を決定し、評価すべき条件変数の値を個体集合初期化部3、探索履歴記憶部5および最適化対象6に出力する。条件変数計画部2から出力された条件変数の値を特に要求条件変数値と呼ぶ。詳細は後述する。
The condition
個体集合初期化部3は、条件変数の各値について探索履歴記憶部5に記憶された中途個体集合およびパレート最適個体集合から、未評価の条件変数の値についてのパレート最適個体集合の探索のための初期個体集合を生成する。ここで、中途個体集合とは、条件変数の各値についてパレート最適個体集合の探索過程で得られる個体の集合である。最終世代の中途個体集合がパレート最適個体集合となる。詳細は後述する。
The individual
多目的進化型アルゴリズム部4は、条件変数計画部2から出力された条件変数の各値により定まる多目的最適化問題について、個体集合初期化部3により生成される初期個体集合を用いてパレート最適個体集合の探索を行う。本実施の形態では、多目的進化型アルゴリズム部4は、条件変数の各値について多目的進化型アルゴリズムにしたがって個体を発生して多点探索を行い、適応度関数をパレート最適性で評価することにより、パレート最適個体集合を求める。また、多目的進化型アルゴリズム部4は、求められたパレート最適個体集合を使用者に提示する。
The multi-objective evolution
この多目的進化型アルゴリズム部4は、複数の決定変数の値を最適化対象6に与えるとともに、最適化対象6から出力される適応度を受ける。また、多目的進化型アルゴリズム部4は、中途個体集合またはパレート最適個体集合を適応度とともに探索履歴記憶部5に与える。詳細は後述する。
The multi-objective evolution
探索履歴記憶部5は、条件変数の各値について多目的進化型アルゴリズム部4により得られた中途個体集合およびパレート最適個体集合を記憶する。
The search
最適化対象6は、条件変数計画部2から出力される条件変数の値および多目的進化型アルゴリズム部4から与えられる決定変数の値に基づいて適応度を出力する。
The
(2)多目的最適化装置のハードウエア構成
図2は図1の多目的最適化装置1のハードウエア構成を示すブロック図である。
(2) Hardware Configuration of Multipurpose Optimization Device FIG. 2 is a block diagram showing a hardware configuration of the
多目的最適化装置1は、CPU(中央演算処理装置)101、ROM(リードオンリメモリ)102、RAM(ランダムアクセスメモリ)103、入力装置104、表示装置105、外部記憶装置106、記録媒体駆動装置107および入出力インタフェース108を含む。
The
入力装置104は、キーボード、マウス等からなり、各種指令および各種データを入力するために用いられる。ROM102にはシステムプログラムが記憶される。記録媒体駆動装置107は、CD(コンパクトディスク)ドライブ、DVD(デジタルバーサタイルディスク)ドライブ、フレキシブルディスクドライブ等からなり、CD、DVD、フレキシブルディスク等の記録媒体109に対してデータの読み書きを行う。
The
記録媒体109には、パラメトリック多目的最適化プログラム(以下、多目的最適化プログラムと呼ぶ。)が記録されている。外部記憶装置106は、ハードディスク装置等からなり、記録媒体駆動装置107を介して記録媒体109から読み込まれた多目的最適化プログラムおよび各種データを記憶する。CPU101は、外部記憶装置106に記憶された多目的最適化プログラムをRAM103上で実行する。
The
表示装置105は、液晶表示パネル、CRT(陰極線管)等からなり、中途個体集合およびパレート最適個体集合等の各種画像を表示する。入出力インタフェース108には最適化対象6が無線通信または有線通信により接続される。入出力インタフェース108は、最適化対象6から出力される適応度の組を外部記憶装置106に転送するとともに、多目的最適化プログラムにより生成された個体の決定変数の組を最適化対象6に与える。
The
なお、多目的最適化プログラムを記録する記録媒体109として、ROM等の半導体メモリ、ハードディスク等の種々の記録媒体を用いることができる。また、多目的最適化プログラムを通信回線等の通信媒体を介して外部記憶装置106にダウンロードし、RAM103上で実行してもよい。
As the
ここで、記録媒体109は、コンピュータで読み取り可能な記録媒体であれば、電子的読み取り方式、磁気的読み取り方式、光学的読み取り方式またはその他のあらゆる読み取り方式の記録媒体を含むものである。例えば、上記のCD、DVDおよびフレキシブルディスクの他、CDV(コンパクトディスクビデオ)等の光学的読取方式記録媒体、RAM、ROM等の半導体記録媒体、ハードディスク等の磁気記録型記録媒体、MO(光磁気ディスク)等の磁気記憶型/光学的読取方式記録媒体を用いることができる。
Here, as long as the
(3)最適化対象の構成
図3は最適化対象6の構成の一例を示すブロック図である。図3の最適化対象6はエンジン評価装置である。
(3) Configuration of Optimization Target FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of the
最適化対象6は、エンジン61、ECU(エンジン制御ユニット)62、計測装置63、制御用コンピュータ64および超低慣性ダイナモメータ65を含む。ECU62、計測装置63、制御用コンピュータ64および超低慣性ダイナモメータ65がエンジン試験機を構成する。このエンジン試験機によれば、エンジン61単体を用いてエンジン61を実車に搭載した場合と同等に評価することができる。
The
超低慣性ダイナモメータ65は、エンジン61のクランクシャフトに接続され、エンジン61に与える負荷トルクを実時間で制御する。エンジン61は、燃料噴射時期および点火時期を制御するための電子制御装置を有する。
The
ECU62は、多目的最適化装置1から制御パラメータとして決定変数の値を受信する。本例では、決定変数は燃料噴射時期および点火時期である。ECU62は、決定変数の値に基づいてエンジン61の燃料噴射時期および点火時期を制御する。
The
また、制御用コンピュータ64は、多目的最適化装置1から運転条件として条件変数の値を受信する。本例では、条件変数w1,w2は負荷トルクおよびエンジン回転速度である。制御用コンピュータ64には、駆動系モデルおよび車両モデルが搭載される。制御用コンピュータ64は、条件変数の値に基づいて超低慣性ダイナモメータ65によりエンジン61に与えられる負荷トルクを制御する。また、制御用コンピュータ64は、エンジン61の回転数を制御する。
Further, the
計測装置63は、排気ガス分析装置、燃焼解析装置および燃料流量計を含み、エンジン61からの排気ガス中の成分を分析し、適応度としてNOx濃度および燃費を多目的最適化装置1に出力する。
Measuring
(4)探索履歴
図4は初期個体集合を用いたパレート最適個体集合の探索履歴の一例を示す図である。図4(a)は探索履歴記憶部5に記憶される個体集合の構成を示し、図4(b)は多目的進化型アルゴリズムにより初期個体集合がパレート最適個体集合に収束する様子が示される。
(4) Search History FIG. 4 is a diagram showing an example of a search history of the Pareto optimal individual set using the initial individual set. 4A shows the configuration of the individual set stored in the search
図4(a)に示すように、個体集合は、条件変数wのある値についての決定変数x1,x2の値および適応度関数f1,f2の値からなる。図4(b)において、第t世代および第t+1世代は、初期世代と最終世代との間の世代を表す。初期世代では、後述する方法で生成された初期個体集合を用いて中途個体集合が得られる。各世代で中途個体集合が得られ、最終世代でパレート最適個体集合が得られる。 As shown in FIG. 4A, the individual set includes values of decision variables x 1 and x 2 and values of fitness functions f 1 and f 2 with respect to a certain value of the condition variable w. In FIG. 4B, the t-th generation and the t + 1-th generation represent generations between the initial generation and the final generation. In the initial generation, an intermediate individual set is obtained using an initial individual set generated by a method described later. A midway population is obtained for each generation, and a Pareto optimal population is obtained for the final generation.
図5は初期世代から最終世代までに探索履歴記憶部5に記憶される探索履歴の一例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a search history stored in the search
図5において、w1〜w4は条件変数wの異なる値を示している。条件変数w=(w1,w2)の場合、w1=(w1 1,w2 1)、w2=(w1 2,w2 2)、w3=(w1 3,w2 3)およびw4=(w1 4,w2 4)を意味する。 In FIG. 5, w 1 to w 4 indicate different values of the condition variable w. In the case of the condition variable w = (w 1 , w 2 ), w 1 = (w 1 1 , w 2 1 ), w 2 = (w 1 2 , w 2 2 ), w 3 = (w 1 3 , w 2 3 ) and w 4 = (w 1 4 , w 2 4 ).
図5の例では、条件変数の値w1について初期世代、第t世代および第t+1世代で得られた中途個体集合、および最終世代で得られたパレート最適個体集合が探索履歴記憶部5に記憶されている。また、条件変数の値w2について初期世代および第t世代で得られた中途個体集合が探索履歴記憶部5に記憶されている。
In the example of FIG. 5, for the condition variable value w 1 , the midway population obtained in the initial generation, the t generation and the t + 1 generation, and the Pareto optimal individual set obtained in the final generation are stored in the search
このようにして、条件変数の各値について探索により得られる中途個体集合およびパレート最適個体集合が探索履歴記憶部5に記憶される。
In this way, the halfway individual set and the Pareto optimal individual set obtained by the search for each value of the condition variable are stored in the search
(5)初期個体集合の生成の概念
本実施の形態では、条件変数の一部の値について初期個体集合が条件変数の他の複数の値について得られた中途個体集合を混合することにより生成される。ここで、中途個体集合は最終世代の初期個体集合(パレート最適個体集合)も含む。
(5) Concept of generating an initial population In this embodiment, an initial population is generated by mixing intermediate populations obtained for a plurality of other values of a conditional variable for some values of a conditional variable. The Here, the midway population includes the initial population of the last generation (Pareto optimal population).
図6は中途個体集合の混合による初期個体集合の生成を説明するための概念図である。 FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining generation of an initial population by mixing halfway populations.
条件変数の値w1についての中途個体集合および条件変数の値w4についての中途個体集合の混合により条件変数の値w2についての初期個体集合が生成される。条件変数の値w2についての中途個体集合および条件変数の値w4についての中途個体集合の混合により条件変数の値w3についての初期個体集合が生成される。 By mixing the midway population for the condition variable value w 1 and the midway population for the condition variable value w 4 , an initial population for the condition variable value w 2 is generated. Initial population of individuals is generated for values w 3 of a condition variable by mixing middle individual set of the values w 4 of middle individual set and condition variables for the value w 2 in the condition variable.
このようにして、条件変数の値w2についてのパレート最適個体集合の探索および条件変数の値w3についてのパレート最適個体集合の探索が効率化される。 In this way, the search for the Pareto optimal individual set for the condition variable value w 2 and the search for the Pareto optimal individual set for the condition variable value w 3 are made efficient.
(6)多目的最適化装置の全体処理
図7は図1の多目的最適化装置1の全体処理を示すフローチャートである。
(6) Overall Processing of Multipurpose Optimization Device FIG. 7 is a flowchart showing the overall processing of the
まず、条件変数計画部2が条件変数の値を選択する(ステップS1)。条件変数の値の選択方法については後述する。
First, the condition
次に、探索履歴記憶部5は、条件変数計画部2により選択された条件変数の値を記憶する(ステップS2)。個体集合初期化部3は、探索履歴記憶部5に記憶された条件変数の値の数が所定数以上であるか否かを判別する(ステップS3)。
Next, the search
探索履歴記憶部5に記憶された条件変数の値の数が所定数よりも少ない場合には、個体集合初期化部3は、選択された条件変数の値についての初期個体集合をランダムに生成する(ステップS4)。
When the number of condition variable values stored in the search
探索履歴記憶部5に記憶された条件変数の値の数が所定数以上の場合には、個体集合初期化部3は、探索履歴記憶部5に記憶された条件変数の複数の値についての中途個体集合を混合することにより、選択された条件変数の値についての初期個体集合を生成する(ステップS5)。
When the number of condition variable values stored in the search
次に、多目的進化型アルゴリズム部4は、選択された条件変数の値について生成された初期個体集合を用いて多目的進化型アルゴリズムによりパレート最適個体集合の探索を行う(ステップS6)。探索履歴記憶部5は、探索により得られる中途個体集合を記憶する(ステップS7)。
Next, the multi-objective evolution
多目的進化型アルゴリズム部4は、選択された条件変数の値について最終世代まで探索が終了したか否かを判別する(ステップS8)。最終世代まで探索が終了していない場合には、ステップS6に戻り、ステップS6〜S8の処理を繰り返す。最終世代の中途個体集合は、パレート最適個体集合として探索履歴記憶部5に記憶される。
The multipurpose
最終世代まで探索が終了した場合には、多目的進化型アルゴリズム部4は、条件変数のすべての値についてパレート最適個体集合の探索が終了したか否かを判別する(ステップS9)。
When the search has been completed up to the final generation, the multi-objective evolution
条件変数のすべての値についてパレート最適個体集合の探索が終了していない場合には、ステップS1に戻る。それにより、条件変数計画部2が次の条件変数の値を選択する。
If the search for the Pareto optimal population has not been completed for all values of the condition variable, the process returns to step S1. Thereby, the condition
条件変数のすべての値についてパレート最適個体集合の探索が終了した場合には、多目的最適化を終了する。この場合、条件変数のすべての値についてのパレート最適個体集合が探索履歴記憶部5に記憶される。
When the search for the Pareto optimal individual set is completed for all values of the condition variables, the multi-objective optimization is ended. In this case, the Pareto optimal individual set for all values of the condition variable is stored in the search
(7)条件変数計画部2による条件変数の選択方法
条件変数計画部2は、条件変数の値の評価順序を決定し、評価すべき条件変数の値を順に出力する。条件変数計画部2から出力された条件変数の値を要求条件変数値と呼ぶ。
(7) Condition Variable Selection Method by Condition
図8(a),(b)は条件変数の選択方法の例を示す図である。本例では、条件変数wが二次元ベクトル(w1,w2)からなる。図8(a),(b)の横軸は条件変数w1の値であり、縦軸は条件変数w2の値である。 FIGS. 8A and 8B are diagrams illustrating an example of a condition variable selection method. In this example, the condition variable w is composed of a two-dimensional vector (w 1 , w 2 ). FIG. 8 (a), the the horizontal axis represents the value of the condition variable w 1 of (b), the vertical axis is the value of the condition variable w 2.
図8(a)の例では、2次元ベクトル空間で条件変数の値が外側から順に選択される。また、図8(b)の例では、2次元ベクトル空間で近い条件変数の値が順に選択される。 In the example of FIG. 8A, the value of the condition variable is sequentially selected from the outside in the two-dimensional vector space. In the example of FIG. 8B, the values of the condition variables that are close in the two-dimensional vector space are selected in order.
条件変数の値の選択順序は、図8の例に限定されるものではなく、条件変数の次数または数等に応じて様々の順序で選択することができる。 The selection order of the condition variable values is not limited to the example of FIG. 8, and can be selected in various orders according to the order or number of the condition variables.
(8)多目的進化型アルゴリズム
図9は多目的進化型アルゴリズムを説明するための模式図である。また、図10は多目的進化型アルゴリズムを説明するためのフローチャートである。
(8) Multi-objective evolution type algorithm FIG. 9 is a schematic diagram for explaining a multi-objective evolution type algorithm. FIG. 10 is a flowchart for explaining the multipurpose evolutionary algorithm.
本実施の形態では、Debらにより提案されたNSGA−II(Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm-II)を用いる(非特許文献2参照)。 In the present embodiment, NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm-II) proposed by Deb et al. Is used (see Non-Patent Document 2).
まず、多目的進化型アルゴリズム部4は、図9(a)に示すように、t世代において、親個体集合Pから子個体集合Qを生成する(図10のステップS11)。
First, as shown in FIG. 9A, the multipurpose evolution
次に、多目的進化型アルゴリズム部4は、図9(b)に示すように、親個体集合Pと子個体集合Qとの和集合Rに対して非優越ソートを行う(図10のステップS12)。非優越ソートとは、非優越ランキングにより個体をランク付けし,ランクがより小さい個体を優秀な個体として次世代に残すように個体集合を並び替える(ソートする)方法である。非優越ランキングの詳細は後述する。図9(b)の例では、和集合Rがランク1〜4に並び替えられている。
Next, as shown in FIG. 9B, the multi-objective evolution
次いで、多目的進化型アルゴリズム部4は、図9(c),(d)に示すように、和集合Rのランクごとに混雑度ソートを行う(図10のステップS13)。混雑度ソートとは、同一ランク内での個体の優劣を評価するために個体分布の疎密を評価し、より疎の部分に存在する個体を優秀な個体として次世代に残すように個体集合を並び替える(ソートする)方法である。混雑度ソートの詳細は後述する。
Next, as shown in FIGS. 9C and 9D, the multipurpose
次に、多目的進化型アルゴリズム部4は、上位p(=|P|)個の個体を次世代(t+1世代)の親個体集合Pとして残す(図10のステップS14)。ここで、|P|は親個体集合の個数を表す。図9の例では、ランク4の個体が淘汰され、ランク3の個体のうち一部の下位の個体が淘汰されている。
Next, the multipurpose
その後、多目的進化型アルゴリズム部4は、世代数が所定の終了条件に達したか否かを判別する(図10のステップS15)。
Thereafter, the multipurpose
世代数が所定の終了条件に到達していない場合には、ステップS11に移行する。世代数が所定の終了条件に到達した場合には、多目的進化型アルゴリズム部4は、ステッブS15で生成された親個体集合Pをパレート最適個体集合として使用者に提示し、処理を終了する。
If the number of generations has not reached the predetermined end condition, the process proceeds to step S11. When the number of generations reaches a predetermined end condition, the multi-objective evolution
(9)非優越ランキング
図11は非優越ランキングを説明するための模式図である。図11では、適応度空間の個体集合が示されている。
(9) Non-dominant ranking FIG. 11 is a schematic diagram for explaining non-dominant ranking. FIG. 11 shows an individual set of fitness space.
非優越ランキングでは、各個体のランク付けに基づいてパレート最適個体集合を求める。各個体のランク付けは次の手順により行う。 In the non-dominant ranking, the Pareto optimal individual set is obtained based on the ranking of each individual. Each individual is ranked according to the following procedure.
まず、優越比較の定義に基づいてすべての個体について優越比較を行い、他の個体に優越されない個体(非優越個体)を選択し、その非優越個体をランク1とする。次に、個体集合からランク1の個体を取り除き、残った個体集合について同様の操作を行う。残った個体集合における非優越個体をランク2とする。すべての個体のランクが決定するまで上記の操作を繰り返す。
First, superiority comparison is performed for all individuals based on the definition of superiority comparison, an individual that is not superior to other individuals (non-dominant individual) is selected, and the non-dominant individual is ranked 1. Next, the individual of
ここでは、ランク1を最上位ランクとし、それ以上の数値のランクは数値が大きくなるほど下位のランクとなる。
Here,
図11の例では、個体I1〜I4は他の個体に優越されていない。したがって、個体I1〜I4のランクは1である。 In the example of FIG. 11, the individuals I1 to I4 are not superior to other individuals. Therefore, the rank of the individuals I1 to I4 is 1.
個体I1〜I4を取り除いた状態で個体I5〜I8は他の個体に優越されていない。したがって、個体I5〜I8のランクは2である。 In a state where the individuals I1 to I4 are removed, the individuals I5 to I8 are not dominated by other individuals. Therefore, the ranks of the individuals I5 to I8 are 2.
個体I5〜I8を取り除いた状態で個体I9,I10は他の個体に優越されていない。したがって、個体I9,I10のランクは3である。残った個体I11のランクは4である。 In a state where the individuals I5 to I8 are removed, the individuals I9 and I10 are not superior to other individuals. Therefore, the rank of the individuals I9 and I10 is 3. The rank of the remaining individual I11 is 4.
(10)混雑度ソート
図12は混雑度ソートを説明するための図である。図12では、適応度空間の個体集合が示されている。
(10) Congestion degree sort FIG. 12 is a diagram for explaining the congestion degree sort. FIG. 12 shows an individual set of the fitness space.
混雑度ソートでは、同じランクの各注目個体について、それに隣接する2つの個体を結ぶ線を対角線とする長方形を想定し、長方形の縦および横の辺の長さの合計で混雑度(混雑距離)を表す。混雑度の値が小さいほど注目個体は混雑した領域に存在する。同じランクの両端の個体には最大の混雑度を与える。 In the congestion degree sort, for each target individual of the same rank, a rectangle whose diagonal is a line connecting two adjacent individuals is assumed, and the total degree of the vertical and horizontal sides of the rectangle is the congestion degree (congestion distance) Represents. The smaller the value of the degree of congestion, the more focused the individual is in the crowded area. Individuals at both ends of the same rank are given maximum congestion.
図12の例では、個体I2の混雑度は、隣接する個体I1,I3が作る長方形s1の横の辺の長さd1および縦の辺の長さd2の合計で表される。個体I3の混雑度は、隣接する個体I2,I4が作る長方形s2の横の辺の長さd3および縦の辺の長さd4の合計で表される。 In the example of FIG. 12, the degree of congestion of the individual I2 is represented by the sum of the length d1 of the horizontal side and the length d2 of the vertical side of the rectangle s1 formed by the adjacent individuals I1 and I3. The congestion degree of the individual I3 is represented by the sum of the length d3 of the horizontal side and the length d4 of the vertical side of the rectangle s2 formed by the adjacent individuals I2 and I4.
図13は多目的進化型アルゴリズム部4による混雑度ソートの処理を示すフローチャートである。
FIG. 13 is a flowchart showing the congestion degree sorting process by the multipurpose
まず、多目的進化型アルゴリズム部4は、個体集合を適応度関数ごとにソートし、適応度関数ごとに同一ランク内で各注目個体に隣接する2つの個体を調べる(ステップS21)。
First, the multi-objective evolution
次に、多目的進化型アルゴリズム部4は、各注目個体に隣接する2つの個体間の数学的距離を適応度関数ごとに算出し、各注目個体についての複数の適応度関数における数学的距離の合計を混雑度として算出する(ステップS22)。ここで、数学的距離としてはユークリッド距離を用いる。
Next, the multi-objective evolution
その後、多目的進化型アルゴリズム部4は、各ランクの個体集合の個体を混雑度の値の大きい順にソートする(ステップS23)。
Thereafter, the multi-purpose
このようにして、より上位のランクでより大きな混雑度を有する所定数の個体が選択され、他の個体が削除される。その結果、より優秀な個体が次世代に残される。 In this way, a predetermined number of individuals having a higher degree of congestion at a higher rank are selected, and other individuals are deleted. As a result, more excellent individuals are left for the next generation.
(11)個体集合の類似度
次に、個体集合同士の類似度の概念について説明する。図14は個体集合の類似度を説明するための模式図である。
(11) Individual set similarity Next, the concept of similarity between individual sets will be described. FIG. 14 is a schematic diagram for explaining the similarity of an individual set.
図14には、決定変数空間における2つの個体集合P1,P2が示されている。個体集合P1は、個体p11〜p15を含む。個体集合P2は、個体p21〜p25を含む。個体集合P1内の個体p11〜p15から個体集合P2内の最も近い個体p21〜p24までの距離をそれぞれ矢印a1〜a5で示す。また、個体集合P2内の個体p21〜p25から個体集合P1内の最も近い個体p11〜p15までの距離を矢印c1〜c5で示す。 FIG. 14 shows two individual sets P1 and P2 in the decision variable space. The individual set P1 includes individuals p11 to p15. The individual set P2 includes individuals p21 to p25. The distances from the individuals p11 to p15 in the individual set P1 to the closest individuals p21 to p24 in the individual set P2 are indicated by arrows a1 to a5, respectively. Further, the distances from the individuals p21 to p25 in the individual set P2 to the closest individuals p11 to p15 in the individual set P1 are indicated by arrows c1 to c5.
2つの個体集合P1,P2間の類似度は次式で定義される。 The similarity between the two individual sets P1, P2 is defined by the following equation.
類似度α=(L12+L21)/2
上式において、L12は個体集合P1内の各個体から個体集合P2内の最も近い個体までの距離の平均値であり、L21は個体集合P2内の各個体から個体集合P1内の最も近い個体までの距離の平均値である。
Similarity α = (L 12 + L 21 ) / 2
In the above equation, L 12 is the average value of the distance from each individual in the individual set P1 to the closest individual in the individual set P2, and L 21 is the closest in the individual set P1 from each individual in the individual set P2. This is the average distance to the individual.
(12)中途個体集合の混合による初期個体集合の生成方法
上記のように、個体集合初期化部3は条件変数wの複数の値についての中途個体集合を混合することにより条件変数wのある値についての初期個体集合を生成する。次に、中途個体集合の混合による初期個体集合の生成方法について説明する。
(12) Method for generating initial population by mixing midway populations As described above, the population set
図15〜図23は複数の中途個体集合の混合による初期個体集合の生成方法を説明するための模式図である。また、図24は複数の中途個体集合の混合により初期個体集合を求めるためのアルゴリズムを示すフローチャートである。 15 to 23 are schematic diagrams for explaining a method for generating an initial population by mixing a plurality of midway populations. FIG. 24 is a flowchart showing an algorithm for obtaining an initial population by mixing a plurality of midway populations.
ここでは、条件変数計画部2から出力される要求条件変数値wqについての初期個体集合を生成するものとする。
Here, it is assumed that an initial individual set for the required condition variable value w q output from the condition
まず、条件変数空間でk−NN法(k-nearest-Neighbor Method)を用い、要求条件変数値wqの近傍の条件変数の値(近傍集合)を選択する(図24のステップS31)。図15には、条件変数空間における要求条件変数値wqおよび複数の条件変数wの値w1,w2,w3,w4が示されている。図15の例では、要求条件変数値wqの近傍の条件変数の値w2,w3,w4(近傍集合)が選択される。 First, using the k-NN method (k-nearest-Neighbor Method) in the condition variable space, a condition variable value (neighboring set) near the required condition variable value w q is selected (step S31 in FIG. 24). FIG. 15 shows the required condition variable value w q in the condition variable space and the values w 1 , w 2 , w 3 , and w 4 of the plurality of condition variables w. In the example of FIG. 15, condition variable values w 2 , w 3 , w 4 (neighboring sets) in the vicinity of the required condition variable value w q are selected.
次に、選択された条件変数wの値間の距離およびパレート最適個体集合間の類似度を算出する(図24のステップS32)。 Next, the distance between the values of the selected condition variable w and the similarity between the Pareto optimal individual sets are calculated (step S32 in FIG. 24).
図16の(a)には、条件変数空間における条件変数wの選択された値w2,w3,w4が示されている。条件変数wの値w2,w3間の距離はdc1であり、条件変数wの値w3,w4間の距離はdc2であり、条件変数wの値w2,w4間の距離はdc3である。図16の(b)には、決定変数空間における条件変数の選択された値w2,w3,w4についてのパレート最適個体集合が示されている。条件変数wの値w2,w3についてのパレート最適個体集合間の類似度はα1であり、条件変数wの値w3,w4についてのパレート最適個体集合間の類似度はα2であり、条件変数wの値w2,w4についてのパレート最適個体集合間の類似度はα3である。 FIG. 16A shows the selected values w 2 , w 3 , w 4 of the condition variable w in the condition variable space. The distance between the values w 2 and w 3 of the condition variable w is dc 1 , the distance between the values w 3 and w 4 of the condition variable w is dc 2 , and between the values w 2 and w 4 of the condition variable w The distance is dc 3 . FIG. 16B shows the Pareto optimal individual set for the selected values w 2 , w 3 , and w 4 of the condition variables in the decision variable space. The similarity between the Pareto optimal individual sets for the values w 2 and w 3 of the condition variable w is α 1 , and the similarity between the Pareto optimal individual sets for the values w 3 and w 4 of the condition variable w is α 2 Yes, the similarity between the Pareto optimal individual sets for the values w 2 and w 4 of the condition variable w is α 3 .
次に、選択された条件変数wの値間の距離を説明変数とし、選択された条件変数wの値についてのパレート最適個体集合間の類似度を被説明変数として線形回帰を行い、回帰係数を求める(図24のステップS33)。 Next, linear regression is performed using the distance between the values of the selected condition variable w as an explanatory variable, the similarity between the Pareto optimal individual sets for the value of the selected condition variable w as an explained variable, and the regression coefficient is Obtained (step S33 in FIG. 24).
それにより、図17に示すように、条件変数wの値間の距離dcとパレート最適個体集合間の類似度αとの関係を示す直線Fが得られる。 As a result, as shown in FIG. 17, a straight line F indicating the relationship between the distance dc between the values of the condition variable w and the similarity α between the Pareto optimal individual sets is obtained.
次に、選択された条件変数の値の各々についてパレート最適個体集合と各世代の中途個体集合との類似度をそれぞれ算出する(図24のステップS34)。図18の上段には、条件変数の1つの値についての第1世代、第2世代、第3世代および最終世代における中途個体集合が黒丸で示され、パレート最適個体集合が白丸で示される。第1世代の中途個体集合とパレート最適個体集合との類似度、第2世代の中途個体集合とパレート最適個体集合との類似度および第3世代の中途個体集合とパレート最適個体集合との類似度が算出される。最終世代の中途個体集合はパレート最適個体集合であるため、類似度は0である。図18の下段には、世代と類似度αとの関係が示される。横軸は世代であり、縦軸は類似度である。 Next, for each of the selected condition variable values, the similarity between the Pareto optimal individual set and the midway individual set of each generation is calculated (step S34 in FIG. 24). In the upper part of FIG. 18, halfway individual sets in the first generation, the second generation, the third generation, and the final generation for one value of the condition variable are indicated by black circles, and the Pareto optimal individual sets are indicated by white circles. Similarity between first generation midway population and Pareto optimal population, second generation midway population and Pareto optimal population, and third generation midway population and Pareto optimal population Is calculated. Since the middle generation individual set in the final generation is a Pareto optimal individual set, the similarity is zero. The lower part of FIG. 18 shows the relationship between the generation and the similarity α. The horizontal axis is the generation, and the vertical axis is the similarity.
次に、要求条件変数値wqの近傍の条件変数wの値を選択し、要求条件変数値wqと近傍の条件変数wの値との距離を算出する(図24のステップS35)。図19には、決定変数空間における条件変数wの選択された値w2,w3および要求条件変数値wqが示されている。要求条件変数値wqと条件変数wの値w2との距離はd1であり、要求条件変数値wqと条件変数wの値w3との距離はd2である。 Next, the value of the condition variable w near the request condition variable value w q is selected, and the distance between the request condition variable value w q and the value of the nearby condition variable w is calculated (step S35 in FIG. 24). FIG. 19 shows the selected values w 2 and w 3 and the required condition variable value w q of the condition variable w in the decision variable space. The distance between the request condition variable value w q and the value w 2 of the condition variable w is d1, and the distance between the request condition variable value w q and the value w 3 of the condition variable w is d2.
さらに、要求条件変数値wqと近傍の条件変数の値との距離から上記の回帰係数を用いてそれぞれの距離に対応する推定類似度を算出する(図24のステップS36)。図20には、距離dcと類似度αとの関係を示す直線Fが示される。距離d1から推定類似度α1が算出され、距離d2から推定類似度α2が算出される。 Further, the estimated similarity corresponding to each distance is calculated from the distance between the required condition variable value wq and the value of the nearby condition variable using the above regression coefficient (step S36 in FIG. 24). FIG. 20 shows a straight line F indicating the relationship between the distance dc and the similarity α. The estimated similarity α1 is calculated from the distance d1, and the estimated similarity α2 is calculated from the distance d2.
次に、条件変数wの値ごとに図18で求めた世代と類似度との関係を用いて推定類似度に近い類似度を有する中途個体集合を選択する(図24のステップS37)。図21の(a)には、条件変数wの値w2についての世代と類似度αとの関係が示され、図21の(c)には、条件変数wの値w3についての世代と類似度αとの関係が示される。図21の(a)の関係を用いて、図21の(b)に示すように、推定類似度α1に近い類似度を有する中途個体集合が選択される。また、図21の(c)の関係を用いて、図21の(d)に示すように、推定類似度α2に近い類似度を有する中途個体集合が選択される。 Next, for each value of the condition variable w, a midway individual set having a similarity close to the estimated similarity is selected using the relationship between the generation and the similarity calculated in FIG. 18 (step S37 in FIG. 24). FIG. 21A shows the relationship between the generation for the value w 2 of the condition variable w and the similarity α, and FIG. 21C shows the generation for the value w 3 of the condition variable w. The relationship with the similarity α is shown. Using the relationship shown in FIG. 21A, as shown in FIG. 21B, a midway individual set having a similarity close to the estimated similarity α1 is selected. Further, as shown in FIG. 21D, a midway individual set having a similarity close to the estimated similarity α2 is selected using the relationship shown in FIG.
次に、決定変数空間における要求条件変数値wqと条件変数wの選択された値との距離に基づいて複数の中途個体集合の混合の比率を決定し、その比率で複数の中途個体集合を混合する(図24のステップS38)。図22の例では、決定変数空間における要求条件変数値wqと条件変数wの選択された値w2,w3との距離d1,d2に基づいて決定される重み関数FWが示されている。この重み関数を用いて複数の中途個体集合の混合の比率が決定される。この場合、距離が大きいほど比率が小さく設定される。選択された中途個体集合は、決定された比率で混合される。すなわち、要求条件変数値wqとの距離が小さい条件変数wの値についての中途個体集合の個体が多く混合される。このようにして、要求条件変数値wqについての初期個体集合が得られる。 Next, based on the distance between the required condition variable value w q and the selected value of the condition variable w in the decision variable space, a mixture ratio of a plurality of midway individual sets is determined, and a plurality of midway individual sets are determined based on the ratio. Mix (step S38 in FIG. 24). In the example of FIG. 22, the weighting function FW determined based on the distances d1 and d2 between the required condition variable value w q in the decision variable space and the selected values w 2 and w 3 of the condition variable w is shown. . Using this weight function, the mixing ratio of a plurality of midway populations is determined. In this case, the ratio is set smaller as the distance increases. The selected mid-population population is mixed at the determined ratio. That is, a large number of individuals in the midway individual set are mixed with respect to the value of the condition variable w whose distance from the required condition variable value w q is small. In this way, an initial population for the requirement variable value w q is obtained.
(13)実施の形態の効果
本実施の形態に係る多目的最適化装置1においては、条件変数wの複数の値についての初期個体集合が条件変数wの他の複数の値についての中途個体集合を混合することにより生成される。それにより、少ない世代数で適切なパレート最適個体集合を効率良く得ることができる。したがって、条件変数の種類数が多い場合でも、パラメトリック多目的最適化に要する時間を大幅に削減することができる。
(13) Effects of the Embodiment In the
また、条件変数計画部2により条件変数wの値の評価順序をパレート最適個体集合の探索の収束性が向上するように任意に設定することができるので、パレート最適個体集合をより効率良く得ることが可能となる。
In addition, the condition
(14)実施例
以下の実施例では、数値実験により上記実施の形態に係る多目的最適化装置1による評価回数の削減効果について調べた。
(14) Examples In the following examples, the effect of reducing the number of evaluations by the
本実施例では、多目的進化型アルゴリズムとして上記のNSGA−IIを用い、親個体集合サイズ|P|を100とし、子個体数集合サイズ|Q|も100とする。交叉演算としては、UNDX(単峰性正規分布交叉:Unimodal Normal Distribution Crossover)を交叉率1.0で用い、突然変異演算は用いない。 In this embodiment, NSGA-II is used as the multi-objective evolutionary algorithm, the parent individual set size | P | is set to 100, and the child individual set size | Q | is also set to 100. As crossover operation, UNDX (Unimodal Normal Distribution Crossover) is used at a crossover rate of 1.0, and mutation operation is not used.
図25(a),(b)は実施例における条件変数wの値およびその評価順序を示す図である。図25の横軸は条件変数w1の値を示し、縦軸は条件変数w2の値を示す。 FIGS. 25A and 25B are diagrams showing the value of the condition variable w and the evaluation order thereof in the embodiment. The horizontal axis of FIG. 25 shows the value of a condition variable w 1, the vertical axis represents the value of a condition variable w 2.
図25(a)に示すように、条件変数w1,w2の値をいずれも0.0、0.25、0.5、0.75および1.0とする。この場合、条件変数wの値は25組である。 As shown in FIG. 25A, the values of the condition variables w 1 and w 2 are all 0.0, 0.25, 0.5, 0.75, and 1.0. In this case, the value of the condition variable w is 25 sets.
実験の手順は次の通りである。まず、条件変数wの値の評価順序を決定する。本実施例では、図25(b)の丸内に数字で示す順序で条件変数wの値を評価する。 The experimental procedure is as follows. First, the evaluation order of the value of the condition variable w is determined. In this embodiment, the value of the condition variable w is evaluated in the order indicated by numbers in the circles in FIG.
探索履歴記憶部5に記憶された条件変数wの値がk個未満の場合にはランダムに生成された初期個体集合を用いて世代数Tの最適化を実施し、中途個体集合(最終世代より前の世代で得られた個体集合)およびパレート最適個体集合(最終世代で得られた個体集合)を探索履歴記憶部5に記憶する。条件変数wの値がk個以上になれば、k−NN法により探索履歴記憶部5に記憶された条件変数wのうち複数の条件変数wの値を選択する。そして、選択された条件変数wの値についての中途個体集合を混合し、混合された中途個体集合を要求条件変数wqについての初期個体集合として次の最適化を実施する。
When the value of the condition variable w stored in the search
本実施例では、T=100およびk=4とする。また、本実施例では、上記実施の形態の多目的最適化装置1による効果を確認するために、探索を途中で終了せずにT+1世代まで最適化を実施する。そのため、質の良いパレート最適個体集合を初期個体集合の生成に用いることができる。
In this embodiment, T = 100 and k = 4. Further, in this example, in order to confirm the effect of the
ただし、実際には、所定の終了条件で探索を終了する。例えば、類似度の変化率が所定値ε以下となる場合に探索を終了する。ここで、類似度は、現世代の個体集合と前世代の個体集合との類似度である。この場合、所定の終了条件が満たされた時点での個体集合がパレート最適個体集合となる。 However, in practice, the search is terminated under a predetermined termination condition. For example, the search is terminated when the rate of change in similarity is equal to or less than a predetermined value ε. Here, the similarity is the similarity between the current generation individual set and the previous generation individual set. In this case, the individual set when the predetermined end condition is satisfied becomes the Pareto optimal individual set.
テスト関数としては、次式の2条件2目的n変数問題を用いる。 As a test function, the following two-condition two-objective n-variable problem is used.
ここで、−2≦x1≦2、−2≦x2≦2、0≦w1≦1、0≦w2≦1とし、n=20とする。 Here, −2 ≦ x 1 ≦ 2, −2 ≦ x 2 ≦ 2, 0 ≦ w 1 ≦ 1, 0 ≦ w 2 ≦ 1, and n = 20.
多目的進化型アルゴリズムは確率的な最適化手法であるため、初期個体集合の配置および探索過程での多目的進化型アルゴリズムによる操作により結果に違いが生じる。したがって、実施例では、上記実施の形態の多目的最適化装置の平均的な性能を評価するために、30回の最適化結果の平均値を求める。 Since the multi-objective evolutionary algorithm is a probabilistic optimization method, the result differs depending on the arrangement of the initial individual set and the operation by the multiobjective evolutionary algorithm in the search process. Therefore, in the example, in order to evaluate the average performance of the multi-objective optimization apparatus of the above-described embodiment, an average value of 30 optimization results is obtained.
一方、比較例では、条件変数wのすべての値についてランダムに生成された初期個体集合を用いて探索を行う。 On the other hand, in the comparative example, a search is performed using an initial individual set that is randomly generated for all values of the condition variable w.
次に、比較例で最終世代(第101世代)に得られた類似度を用いて、実施例の全世代の類似度を正規化する。そして、正規化された類似度が1以下になったときの世代数を求める。これにより、実施例でどの程度世代数を削減することができるかを知ることができる。 Next, the similarities of all the generations in the example are normalized using the similarities obtained in the final generation (101st generation) in the comparative example. Then, the number of generations when the normalized similarity is 1 or less is obtained. Thereby, it can be known how many generations can be reduced in the embodiment.
図26は実験結果を示す図である。図26の横軸は条件変数w1の値を示し、縦軸は条件変数w2の値を示す。図26の各マス目内の数字は正規化された類似度が1以下になったときの世代数を示す。 FIG. 26 is a diagram showing experimental results. The horizontal axis of FIG. 26 shows the value of a condition variable w 1, the vertical axis represents the value of a condition variable w 2. The numbers in each square in FIG. 26 indicate the number of generations when the normalized similarity is 1 or less.
図26の左下の条件変数の4組の値については、ランダムに生成された初期個体集合を用いて最適化を行っているので、第101世代で比較例と同じ類似度が得られる。また、条件変数wのその他の各値については、条件変数wの他の値についての中途個体集合を混合することにより初期個体集合が生成される。それにより、図26の結果より、第20世代〜第82世代で比較例と同等の類似度が得られ、平均して50世代程度で比較例と同じ類似度が得られることがわかる。したがって,本実施例では、全探索時間を1/2程度に低減できるといえる。 The four sets of values of the condition variable in the lower left of FIG. 26 are optimized using a randomly generated initial individual set, so that the same degree of similarity as in the comparative example is obtained in the 101st generation. For each other value of the condition variable w, an initial individual set is generated by mixing the midway individual sets for the other values of the condition variable w. Accordingly, it can be seen from the results of FIG. 26 that similarities to the comparative example are obtained in the 20th to 82nd generations, and the same similarity as the comparative example is obtained in about 50 generations on average. Therefore, in this embodiment, it can be said that the total search time can be reduced to about ½.
以上のように、上記実施の形態に係る多目的最適化装置によれば、多目的進化型アルゴリズムによる最適化に要する時間を大幅に低減できることがわかる。 As described above, it can be seen that the multi-objective optimization device according to the above-described embodiment can significantly reduce the time required for optimization by the multi-objective evolutionary algorithm.
(15)他の実施の形態
(a)上記実施の形態では、多目的進化型アルゴリズムとしてNSGA−IIを用いているが、これに限定されず、NSGA−IIの代わりに、SPEA2(非特許文献3)等の同様のアイデアに基づく計算法を用いてもよい。
(15) Other Embodiments (a) In the above embodiment, NSGA-II is used as a multi-objective evolutionary algorithm. However, the present invention is not limited to this, and instead of NSGA-II, SPEA2 (Non-patent Document 3) is used. A calculation method based on a similar idea such as) may be used.
(b)3以上の目的への適用
上記実施の形態では、2目的の最適化を例に挙げて説明したが、本発明は、3以上の目的の最適化にも同様に適用することができる。この場合、トレードオフの関係を有する3以上の適応度関数が設定される。
(B) Application to three or more objectives In the above embodiment, two-purpose optimization has been described as an example. However, the present invention can be similarly applied to optimization of three or more objectives. . In this case, three or more fitness functions having a trade-off relationship are set.
(c)上記実施の形態では、条件変数計画部2、個体集合初期化部3、多目的進化型アルゴリズム部4および探索履歴記憶部5がCPU101およびプログラムにより実現されるが、条件変数計画部2、個体集合初期化部3、多目的進化型アルゴリズム部4および探索履歴記憶部5の一部または全てが電子回路等のハードウエアにより実現されてもよい。
(C) In the above embodiment, the conditional
(d)多目的進化型アルゴリズムの代わりに他の最適化アルゴリズムを用いてもよい。 (D) Other optimization algorithms may be used instead of the multi-objective evolution type algorithm.
図27は他の最適化アルゴリズムを用いた多目的最適化装置の例を示すブロック図である。 FIG. 27 is a block diagram showing an example of a multi-objective optimization apparatus using another optimization algorithm.
図27の多目的最適化装置1では、図1の個体集合初期化部3の代わりに解集合初期化部30が用いられ、図1の多目的進化型アルゴリズム部4の代わりに多目的最適化部40が用いられ、図1の探索履歴記憶部5の代わりに探索履歴記憶部50が用いられる。
27, a solution
解集合初期化部30は、条件変数の各値について探索履歴記憶部50に記憶された中途解集合およびパレート最適解集合から、未評価の条件変数の値についてのパレート最適解集合の探索のための初期解集合を生成する。ここで、中途解集合とは、条件変数の各値についてパレート最適解集合の探索過程で得られる解の集合である。
The solution
多目的最適化アルゴリズム部40は、条件変数計画部2から出力された条件変数の各値により定まる多目的最適化問題について、解集合初期化部30により生成される初期解集合を用いてパレート最適解集合の探索を行う。本例では、多目的最適化アルゴリズム部40は、条件変数の各値について最適化アルゴリズムにしたがって多点探索を行い、目的関数をパレート最適性で評価することによりパレート最適解集合を求める。また、多目的最適化アルゴリズム部40は、求められたパレート最適解集合を使用者に提示する。
The multi-objective
多目的最適化アルゴリズム部40は、複数の決定変数の値を最適化対象6に与えるとともに、最適化対象6から出力される目的関数値を受ける。また、多目的最適化アルゴリズム部40は、中途解集合またはパレート最適解集合を目的関数値とともに探索履歴記憶部50に与える。
The multi-objective
探索履歴記憶部50は、条件変数の各値について多目的最適化アルゴリズム部40により得られた中途解集合およびパレート最適解集合を記憶する。
The search
最適化対象6は、条件変数計画部2から出力される条件変数の値および多目的最適化アルゴリズム部40から与えられる決定変数の値に基づいて目的関数値を出力する。
The
本例の多目的最適化装置1においては、条件変数の複数の値についての初期解集合が条件変数の他の値についての中途解集合を混合することにより生成される。それにより、少ない最適化回数で適切なパレート最適解集合を効率良く得ることができる。したがって、条件変数の種類数が多い場合でも、パラメトリック多目的最適化に要する時間を大幅に削減することができる。
In the
(16)請求項の構成要素と実施の形態の各部との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
(16) Correspondence between Claim Component and Each Part of Embodiment The following describes an example of correspondence between each component of the claim and each part of the embodiment, but the present invention is not limited to the following example. .
上記実施の形態では、条件変数計画部2が条件変数選択部の例であり、個体集合初期化部3または解集合初期化部30が初期解集合生成部の例であり、探索履歴記憶部5または探索履歴記憶部50が記憶部の例であり、多目的進化型アルゴリズム部4または多目的最適化アルゴリズム部40が多目的最適化部の例である。
In the above embodiment, the conditional
また、初期個体集合が初期解集合の例であり、パレート最適個体集合がパレート最適解集合の例であり、パレート最適個体がパレート最適解の例であり、最小二乗法による回帰処理が統計的処理の例である。 In addition, the initial individual set is an example of the initial solution set, the Pareto optimal individual set is an example of the Pareto optimal solution set, the Pareto optimal individual is an example of the Pareto optimal solution, and the regression process by the least square method is a statistical process It is an example.
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。 As each constituent element in the claims, various other elements having configurations or functions described in the claims can be used.
本発明は、条件により目的関数が変化する最適化対象の決定変数を最適化するため等に利用することができる。 The present invention can be used for optimizing a decision variable to be optimized whose objective function changes depending on conditions.
1 多目的最適化装置
2 条件変数計画部
3 個体集合初期化部
4 多目的進化型アルゴリズム部
5 探索履歴記憶部
6 最適化対象
30 解集合初期化部
40 多目的最適化アルゴリズム部
50 探索履歴記憶部
61 エンジン
62 ECU
63 計測装置
64 制御用コンピュータ
65 超低慣性ダイナモメータ
101 CPU
102 ROM
103 RAM
104 入力装置
105 表示装置
106 外部記憶装置
107 記録媒体駆動装置
108 入出力インタフェース
109 記録媒体
b1〜b5 枝
c1〜c5 矢印
f1,f2 適応度関数
I1〜I10 個体
p11〜p15,p21〜p25 個体
P1,P2 個体集合
w,w1,w2 条件変数
w1,w2,w3,w4 条件変数の値
wq 要求条件変数値
x1,x2 決定変数
DESCRIPTION OF
63
102 ROM
103 RAM
104
Claims (5)
前記最適化対象の条件変数の値を予め設定された順序で選択する条件変数選択部と、
多目的最適化のための初期解集合を生成する初期解集合生成部と、
前記条件変数選択部により選択された条件変数の値ごとに前記初期解集合生成部により生成された初期解集合を用いて多目的最適化を行うことにより、条件変数の値ごとに、前記複数の目的関数について決定変数のパレート最適解集合をそれぞれ求める多目的最適化部と、
前記多目的最適化部による多目的最適化により条件変数の値ごとに得られる解集合を記憶する記憶部とを備え、
前記初期解集合生成部は、前記条件変数選択部により選択される条件変数の一の値についての初期解集合を前記記憶部に記憶される条件変数の他の値について多目的最適化の過程で得られる解集合に基づいて生成することを特徴とするパラメトリック多目的最適化装置。 A parametric multi-objective optimization device for optimizing an optimization target in which a plurality of objective functions change depending on a condition variable,
A condition variable selection unit for selecting values of the condition variables to be optimized in a preset order;
An initial solution set generator for generating an initial solution set for multi-objective optimization;
By performing multi-objective optimization using the initial solution set generated by the initial solution set generation unit for each value of the condition variable selected by the condition variable selection unit , the plurality of objectives for each value of the condition variable a multi-objective optimization section for determining each Pareto optimal solution set of decision variables for the function,
A storage unit that stores a solution set obtained for each condition variable value by multi-objective optimization by the multi-objective optimization unit;
The initial solution set generation unit obtains an initial solution set for one value of the condition variable selected by the condition variable selection unit in a multi-objective optimization process for another value of the condition variable stored in the storage unit. A parametric multi-objective optimization device, characterized in that the parametric multi-objective optimization device is generated based on a set of solutions.
条件変数の前記一の値と前記記憶部に記憶される条件変数の他の値との条件変数空間における距離に基づいて条件変数の複数の値を選択するとともに選択された複数の値についての複数のパレート最適解集合を選択し、
条件変数の前記選択された複数の値間の前記条件変数空間における距離および前記選択された複数のパレート最適解集合間の類似度を算出し、
前記条件変数空間における距離を説明変数とし、類似度を被説明変数として統計的処理により前記距離と前記類似度との関係を算出し、
条件変数の前記一の値と前記記憶部に記憶される条件変数の他の値との前記条件変数空間における距離に基づいて条件変数の複数の値を選択し、条件変数の前記選択された複数の値の各々について多目的最適化の過程で得られる解集合とパレート最適解集合との類似度を算出し、
条件変数の前記一の値と条件変数の前記選択された複数の値との前記条件変数空間における距離および前記統計的処理により算出された関係に基づいて、条件変数の前記選択された複数の値に対応する類似度を推定し、
条件変数の前記選択された複数の値の各々について多目的最適化の過程で得られる解集合のうち前記推定された類似度に最も近い類似度を有する解集合を選択し、
条件変数の前記選択された複数の値について多目的最適化の過程で得られる解集合を前記条件変数空間における前記距離に基づく比率で混合することにより条件変数の前記一の値についての初期解集合を生成することを特徴とする請求項1または2記載のパラメトリック多目的最適化装置。 The initial solution set generation unit includes:
Selecting a plurality of values of the condition variable based on a distance in the condition variable space between the one value of the condition variable and another value of the condition variable stored in the storage unit; Choose the Pareto optimal solution set of
Calculating a distance in the condition variable space between the selected values of the condition variable and a similarity between the selected Pareto optimal solution sets;
Using the distance in the condition variable space as an explanatory variable, and calculating the relationship between the distance and the similarity by statistical processing using the similarity as an explained variable,
Selecting a plurality of values of the condition variable based on a distance in the condition variable space between the one value of the condition variable and another value of the condition variable stored in the storage unit; For each value of, calculate the similarity between the solution set obtained in the multi-objective optimization process and the Pareto optimal solution set,
The selected plurality of values of the condition variable based on a distance in the condition variable space between the one value of the condition variable and the selected plurality of values of the condition variable and the relationship calculated by the statistical processing Estimate the similarity corresponding to
Selecting a solution set having a similarity closest to the estimated similarity among solution sets obtained in the process of multi-objective optimization for each of the selected plurality of values of the condition variable;
An initial solution set for the one value of the condition variable is mixed by mixing a solution set obtained in the process of multi-objective optimization for the selected plurality of values of the condition variable at a ratio based on the distance in the condition variable space. The parametric multi-objective optimization apparatus according to claim 1 or 2, wherein the parametric multi-objective optimization apparatus is generated.
コンピュータが前記最適化対象の条件変数の値を予め設定された順序で選択するステップと、
前記コンピュータが多目的最適化のための初期解集合を生成するステップと、
前記コンピュータが前記選択された条件変数の値ごとに前記生成された初期解集合を用いて多目的最適化を行うことにより、条件変数の値ごとに、前記複数の目的関数について決定変数のパレート最適解集合をそれぞれ求めるステップと、
前記コンピュータが前記多目的最適化により条件変数の値ごとに得られる解集合を記憶部に記憶するステップとを備え、
前記初期解集合を生成するステップは、前記選択される条件変数の一の値についての初期解集合を前記記憶部に記憶される条件変数の他の値について多目的最適化の過程で得られる解集合に基づいて生成するステップを含むことを特徴とするパラメトリック多目的最適化方法。 A parametric multi-objective optimization method for optimizing an optimization target in which a plurality of objective functions change depending on a condition variable,
A computer selecting values of the condition variables to be optimized in a preset order;
The computer generating an initial solution set for multi-objective optimization;
The computer performs multi-objective optimization using the generated initial solution set for each value of the selected conditional variable, so that the Pareto optimal solution of the decision variable for the plurality of objective functions is obtained for each value of the conditional variable. Obtaining each set, and
Storing the solution set obtained by the computer for each condition variable value in the multipurpose optimization in a storage unit,
In the step of generating the initial solution set, an initial solution set for one value of the selected condition variable is obtained in a multi-objective optimization process for another value of the condition variable stored in the storage unit. A parametric multi-objective optimization method comprising the step of generating based on:
前記最適化対象の条件変数の値を予め設定された順序で選択する処理と、
多目的最適化のための初期解集合を生成する処理と、
前記選択された条件変数の値ごとに前記生成された初期解集合を用いて多目的最適化を行うことにより、条件変数の値ごとに、前記複数の目的関数について決定変数のパレート最適解集合をそれぞれ求める処理と、
前記多目的最適化により条件変数の値ごとに得られる解集合を記憶部に記憶する処理とを、
前記コンピュータに実行させ、
前記初期解集合を生成する処理は、前記選択される条件変数の一の値についての初期解集合を前記記憶部に記憶される条件変数の他の値について多目的最適化の過程で得られる解集合に基づいて生成する処理を含むことを特徴とするパラメトリック多目的最適化プログラム。 A parametric multi-objective optimization program for causing a computer to execute an optimization method for optimizing an optimization target in which a plurality of objective functions change depending on a condition variable,
A process of selecting values of the condition variables to be optimized in a preset order;
Processing to generate an initial solution set for multi-objective optimization;
Each By performing multi-objective optimization using the initial solution set said generated for each value of the selected condition variables, for each value of the condition variable, the Pareto optimal solution set of decision variables for said plurality of objective functions The required processing,
Storing a solution set obtained for each condition variable value by the multi-objective optimization in a storage unit;
Causing the computer to execute,
The process of generating the initial solution set includes: an initial solution set for one value of the selected condition variable and a solution set obtained in a multi-objective optimization process for another value of the condition variable stored in the storage unit A parametric multi-objective optimization program characterized in that it includes processing to be generated on the basis of.
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