人工蜂群算法的研究及其应用

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1、第一章绪论本章主要介绍人工蜂群算法的基本知识。首先，介绍蜜蜂的采蜜机理和人工蜂群算法的原理；其次，简述人工蜂群算法的研究现状和研究意义；最后，列出本文的内容安排。1．1人工蜂群算法简介自然界中的群居昆虫，它们虽然个体结构简单，但是通过个体间的合作却能够表现出极其复杂的行为能力。受这些社会性昆虫群体行为的启发，研究者通过模拟这些群体的行为提出了群集智能算法。这些群集智能算法的出现，使得一些比较复杂且难于用经典优化算法进行处理的问题得到了有效的解决，同时这些算法已不断地运用于解决实际问题，在很多领域得到了广泛的应用，如调度问题，人工神经

2、网络，组合优化问题等工程领域。人工蜂群算法11J就是一种群集智能算法，它是模拟蜂群采蜜行为的随机优化算法。由于蜂群能够表现出极其高效的行为能力，近年来，人工蜂群算法受到了研究者越来越多的关注，正不断地得到广泛的应用。1．1．1蜜蜂采蜜机理蜜蜂具有群集智能应必备的两个条件：自组织性和分工合作性ll】。虽然单个蜜蜂的行为很简单，但是由单个蜜蜂所组成的群体却能够表现出极其复杂的行为，它们可以在任何复杂的环境下以很高的效率从花朵中采集花蜜，同时还能够很快的适应环境的改变。通常在一个蜂巢中，有三种类型的蜜蜂：蜂王、雄蜂和工蜂。它们有着十分严密

3、的组织和严格的纪律，三种蜜蜂，各司其职，分工合作。蜂王的任务是产卵，雄蜂的任务是和蜂王交配繁殖后代，而工蜂是蜜蜂王国里最为辛劳的蜜蜂，它要负责清洁、哺育、筑巢、守卫和采蜜等各项工作。工蜂总是在一定的范围内进行采蜜，由于各个蜜蜂采蜜经验的不同，它们的采蜜速度和方法存在着一定的差异。但是工蜂具有较强的学习能力，它们可以把与食物源相关的各种信息联系起来形成条件反射；同时，工蜂的学习速度也是很快的，虽然单个工蜂的采蜜行为常常趋于特化，但作为整体的蜂群却能够对环境的变化做出迅速的反应，它可以调动大部分成员到一种收益率较高的食物源上采2人工蜂群

4、算法的研究及其应用蜜，这样既能够充分地利用集中的食物资源，又能有效地利用分散的食物资源。通常在一个蜂群中，大多数的工蜂都首先留在蜂巢内，只有少数作为“侦察员"四处寻找食物源。这些侦察员专门负责寻找新的食物源，一旦发现有了新的采蜜地点，它们就会变成采集蜂，并飞回蜂巢跳“摇摆舞’’来指出食物源的所在地、蜂巢与食物源之间的距离以及食物源所携带花蜜的多少，通知在蜂巢内的蜜蜂一块去采蜜。在蜂巢中的工蜂不仅可以通过侦察员的“摇摆舞"来判别食物源的方向和距离，还可以从它们跳舞的兴奋程度感受食物源所含花蜜的多少，蜜蜂之间通过摇摆舞的交流使整个蜂群向

5、收益率较高的食物源靠近。因此，蜜蜂奇妙的采蜜对策不仅可以使它们得到较好的花蜜，而且也能对食物源的变化做出快速的反应，当旧的食物源被耗尽或者是更好的食物源出现的时候，侦察员们可以借助于召唤行为迅速引导蜂群转向新的食物源。蜂群采蜜主要包括三个基本元素【2】：食物源、被雇佣的蜜蜂和未被雇佣的蜜蜂；两种最为基本的行为模型：为食物源招募蜜蜂和放弃某个食物源。1)食物源：食物源的价值由很多方面的因素来决定，如食物源离蜂巢的远近、所含花蜜的丰富程度以及可获得花蜜的难易程度等等。为简单起见，食物源的价值统一由“收益率"来表示，收益率越高，说明此食物

6、源可以招募更多的蜜蜂，从而得到充分的开采。2)被雇佣的蜜蜂：称为采蜜蜂，它们主要的任务是探索开发食物源，跟其发现的食物源一一对应。采蜜蜂储存着与食物源相关的信息，如食物源相对于蜂巢的距离、方向和食物源所含花蜜的丰富程度，并且将这些信息与其它蜜蜂共同分享。3)未被雇佣的蜜蜂：有两种非雇佣蜂，分别是观察蜂(在舞蹈区等待的蜜蜂)和侦察蜂，它们的主要任务是开采食物源。观察蜂在蜂巢里等待，不仅从采蜜蜂处分享食物源的信息，而且利用一种选择策略以一定的选择概率选择食物源并对其进行开采。侦察蜂在蜂巢附近搜索新的较好的食物源替代原来较差的食物源，侦察

7、蜂的个数一般为蜂群个数的5％．10％。在蜜蜂群体智能形成的过程中，蜜蜂之间的信息交流是最重要的环节，而舞蹈区是蜂巢中最重要的信息交换地。采蜜蜂在舞蹈区通过跳摇摆舞与其它蜜蜂共同分享食物源的信息，观察蜂则是通过采蜜蜂所跳的摇摆舞来获得当前食物源的信息的，所以，观察蜂要以最小的资源耗费来选择到哪个食物源采蜜。因此，蜜蜂被招募到某个食物源的概率与食物源的收益率成正比。初始时刻，蜜蜂的搜索不受任何先验知识的决定，是完全随机的。此时的蜜蜂有以下两种选择：(1)它转变成为侦察蜂，并且由于一些内部动机或可能的外部环境自发地在蜂巢附近搜索食物源；(

8、2)在观看了摇摆舞之后，它可能被招募到某个食物源，并且开始开采食物源。第一章绪论在蜜蜂确定食物源后，它们利用自己本身的存储能力来记忆位置信息并开始采集花蜜。此时，蜜蜂将转变成为“雇佣蜂”。蜜蜂在食物源处采集完花蜜，回到蜂巢并卸下花蜜后