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KOA开普勒优化算法,于2023年5月发表在SCI、中科院1区Top顶级期刊《Knowledge-Based Systems》上。
该算法提出时间很短,目前还没有套用这个算法的文献。
同样的,我们利用该新鲜出炉的算法对我们的CNN-BiLSTM-Attention时序和空间特征结合-融合注意力机制的回归预测程序代码中的超参数进行优化,构成KOA-CNN-BiLSTM-Attention多变量回归预测模型.
这篇论文介绍了一种名为开普勒优化算法(Kepler optimization algorithm,KOA)的新型元启发式算法,并对其进行了评估。KOA算法受开普勒行星运动定律的启发,旨在解决连续优化问题。在KOA中,每个行星及其位置代表一个候选解,通过根据迄今为止的最佳解(太阳)进行随机更新来实现优化过程,从而更有效地探索和利用搜索空间。通过使用各种基准问题对KOA算法的性能进行评估,并与其他随机优化算法进行比较。结果表明,KOA在收敛性和统计数据方面优于其他优化器。
KOA的开普勒优化步骤主要包括初始化行星位置和速度、根据适应度函数评估每个行星的适应度、更新每个行星的位置和速度、更新最佳解(太阳)位置、重复执行更新步骤直到达到停止条件等。这些步骤使得KOA能够在优化过程中更好地探索和利用搜索空间。
构成的KOA-CNN-BiLSTM-Attention多变量回归预测模型的创新性在于以下几点:
KOA算法区别于传统智能算法的创新性:
①受到开普勒行星运动定律的启发:KOA算法受到开普勒行星运动定律的启发,将每个行星的位置作为候选解,并通过随机更新这些候选解来进行优化过程。这种设计使得KOA算法能够更有效地探索和利用搜索空间。
②基于物理学的元启发算法:KOA算法属于物理学的元启发算法,通过模拟行星围绕太阳的运动规律来进行优化。它利用行星的位置、质量、引力和轨道速度等参数来控制候选解的更新过程。这种基于物理学的方法使得KOA算法在全局优化问题上具有更好的可解释性。
③对比其他优化算法的优越性:通过与其他随机优化算法进行对比实验,KOA算法在收敛性和统计数据方面表现出色。实验结果表明,KOA算法在多个基准问题上优于其他比较算法。这表明KOA算法在解决优化问题时具有更高的效果和性能。
优化套用—基于开普勒优化算法(KOA)、卷积神经网络(CNN)和双向长短期记忆网络(BiLSTM)融合注意力机制(SelfAttention)的超前24步多变量时间序列回归预测算法KOA-CNN-LSTM-Attention:
功能:
1、多变量特征输入,单序列变量输出,输入前一天的特征,实现后一天的预测,超前24步预测。
2、通过KOA优化算法优化学习率、卷积核大小、神经元个数,这3个关键参数,以最小MAPE为目标函数。
3、提供损失、RMSE迭代变化极坐标图;网络的特征可视化图;测试对比图;适应度曲线(若首轮精度最高,则适应度曲线为水平直线)。
4、提供MAPE、RMSE、MAE等计算结果展示。
适用领域:风速预测、光伏功率预测、发电功率预测、碳价预测等多种应用。
数据集格式:
前一天18个气象特征,采样时间为24小时,输出为第二天的24小时的功率出力,也就是18×24输入,1×24输出,一共有75个这样的样本。
预测值与实际值对比;训练特征可视化:
训练误差曲线的极坐标形式(误差由内到外越来越接近0);适应度曲线(误差逐渐下降)
KOA部分核心代码:
%% 定义
Sun_Pos = zeros(1, dim); %% 包含迄今为止的最优解的向量,表示太阳
Sun_Score = inf; %% 包含迄今为止的最优分数的标量
%% 控制参数
%%
Tc = 3;
M0 = 0.1;
lambda = 15;
%% 第1步:初始化过程
% 轨道离心率 (e)
orbital = rand(1, SearchAgents_no); %% Eq.(4)
%% 轨道周期 (T)
T = abs(randn(1, SearchAgents_no)); %% Eq.(5)
Positions = initialization(SearchAgents_no, dim, ub, lb);%% 初始化行星位置
t = 0; %% 函数评估计数器
%%
%%---------------------评估-----------------------%%
for i = 1:SearchAgents_no
%% 目标函数嵌套
[PL_Fit(i),tsmvalue{i},tnet{i},tinfo{i}] = objectiveFunction(Positions(i,:)');
% 更新迄今为止的最优解
if PL_Fit(i) < Sun_Score %% 问题为最大化时,请将其更改为>
Sun_Score = PL_Fit(i); %% 更新迄今为止的最优分数
Sun_Pos = Positions(i,:); %% 更新迄今为止的最优解
bestPred = tsmvalue{i} ; %% 更新迄今为止的最准确预测结果
bestNet = tnet{i};
bestInfo = tinfo{i};
end
end
while t < Tmax %% 终止条件
[Order] = sort(PL_Fit); %% 对当前种群中的解的适应度值进行排序
%% 函数评估t时的最差适应度值
worstFitness = Order(SearchAgents_no); %% Eq.(11)
M = M0 * (exp(-lambda * (t / Tmax))); %% Eq.(12)
%% 计算表示太阳与第i个解之间的欧几里得距离R
for i = 1:SearchAgents_no
R(i) = 0;
for j = 1:dim
R(i) = R(i) + (Sun_Pos(j) - Positions(i, j))^2; %% Eq.(7)
end
R(i) = sqrt(R(i));
end
%% 太阳和对象i在时间t的质量计算如下:
for i = 1:SearchAgents_no
sum = 0;
for k = 1:SearchAgents_no
sum = sum + (PL_Fit(k) - worstFitness);
end
MS(i) = rand * (Sun_Score - worstFitness) / (sum); %% Eq.(8)
m(i) = (PL_Fit(i) - worstFitness) / (sum); %% Eq.(9)
end
%% 第2步:定义引力(F)
% 计算太阳和第i个行星的引力,根据普遍的引力定律:
for i = 1:SearchAgents_no
Rnorm(i) = (R(i) - min(R)) / (max(R) - min(R)); %% 归一化的R(Eq.(24))
MSnorm(i) = (MS(i) - min(MS)) / (max(MS) - min(MS)); %% 归一化的MS
Mnorm(i) = (m(i) - min(m)) / (max(m) - min(m)); %% 归一化的m
Fg(i) = orbital(i) * M * ((MSnorm(i) * Mnorm(i)) / (Rnorm(i) * Rnorm(i) + eps)) + (rand); %% Eq.(6)
end
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