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JP2005285090A - Multiobjective optimization apparatus, method, and program - Google Patents

Multiobjective optimization apparatus, method, and program Download PDF

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JP2005285090A JP2004368744A JP2004368744A JP2005285090A JP 2005285090 A JP2005285090 A JP 2005285090A JP 2004368744 A JP2004368744 A JP 2004368744A JP 2004368744 A JP2004368744 A JP 2004368744A JP 2005285090 A JP2005285090 A JP 2005285090A
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洋隆 梶
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Yamaha Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multiobjective optimization apparatus, method, and program for making it possible to obtain a diversified Pareto-optimum individual in a short time even if an optimization target has uncertainty. <P>SOLUTION: A multiobjective evolutionary algorithm unit 2 feeds a set of parameters of an individual to a search history storage device 31 in a fitness estimating unit 3 and to an optimization target 6. The optimization target 6 outputs a set of sampled values of fitnesses on the basis of the set of parameters of the individual. The search history storage device 31 stores the set of parameters of the individual and a set of sampled values as a search history. A fitness estimating module 30 computes a set of estimated values of true fitnesses on the basis of the search history stored in the search history storage device for output to the multiobjective evolutionary algorithm unit 2. The multiobjective evolutionary algorithm unit 2 determines a Pareto-optimal population in accordance with a genetic algorithm on the basis of a plurality of sets of estimated values. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、最適化対象のパラメータを最適化する多目的最適化装置、多目的最適化方法および多目的最適化プログラムに関する。   The present invention relates to a multi-objective optimization device, a multi-objective optimization method, and a multi-objective optimization program that optimize parameters to be optimized.

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36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. 36 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37はパレート最適解について説明するための図である。図37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. 37 is a diagram for explaining the Pareto optimal solution. FIG. 37 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:Multiple Objective Evolutionary Algorithm)がある。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。   Many solutions for multi-objective optimization problems have been proposed. Recently, there has been a multiple objective evolutionary algorithm (MOEAs). 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 adaptive 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(Multiple Objective 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。   Specifically, Fonseca et al. MOGA (Multiple Objective Genetic Algorithm: see, for example, Non-Patent Document 1), Deb et al. NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm-II: see, for example, Non-Patent Document 2), Zitzler SPEA2 (Strength Pareto Evolutionary Algorithm 2: see, for example, Non-Patent Document 3) has been proposed. In particular, NSGA-II and SPEA2 are known as excellent multi-objective evolutionary algorithms.

多目的進化型アルゴリズムは、実応用として、超音速旅客機の翼形状を求める問題、車体またはエンジン等のパラメ一タ最適化等に用いられている。   The multi-objective evolutionary algorithm is used as a practical application for the problem of obtaining the wing shape of a supersonic passenger aircraft, optimizing parameters of a vehicle body or an engine, and the like.

また、不確実性を伴う適応度関数の最適化のために、探索履歴を用いて真の適応度を推定するMFEGA(Memory-based Fitness Estimation Genetic Algorithm)が佐野、喜多らにより提案されている(例えば、非特許文献4参照)。ここで、MFEGAでは、過去に得られた個体の適応度のサンプル値を探索履歴として保存し、探索履歴を参照して真の適応度を推定する。MFEGAは、不確実性を持つ問題に関して、同一個体の適応度を複数回サンプリングする方法および通常の遺伝的アルゴリズムに比べて優秀な探索性能を持つことが報告されている。
C.M.fonseca,p.J.Flemimg:genetic algorithms for multiobjective optimization:formulation,discussion and generalization,of the 5th international conference on genetic algorithms,pp.416-423(1993) K.Deb,S.Agrawal,A.Pratab,and T.Meyarivan:A Fast Elitist Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm for Multi-Objective Optimization:NSGA-II,KanGAL report 20001,Indian Institute of Technology,Kanpur,India(20OO) E.Zitzler,M.Laumanns,L.Thiele:SPEA2:Improving the Performance of the Strength Pareto Evolutionary A1gorithm,Technical Report 103,Computer Engineering and Communication Networks Lab(TIK),Swiss Federal Institute of Technology(ETH)Zurich(2001) 佐野,喜多:探索履歴を利用した遺伝的アルゴリズムによる不確実関数の最適化,電学論C 122巻6号,PP−1001−1008(2002) K.Ikeda, H.Kita, and S.Kobayashi : Failuer of Pareto-Based MOEAs, Does Non-Dominated Really Mean Near to Optimal? Congress on Evolutionary Computation, pp.957-962(2001) M.D.Berg, et.al. : Computational Geometry : Algorithms and Applications, Springer-Verlag (1997) 今井浩、今井桂子,計算幾何学,情報数学講座12,共立出版(1994) E.Zitzler, K.Deb, L,Thiele : Comparison of Mu1tiobjective Evo1utionary Algorithms : Empirical Results, Evolutionary Computation 8(2), pp.173-195 (2000)
In addition, for optimization of the fitness function with uncertainty, MFEGA (Memory-based Fitness Estimation Genetic Algorithm) for estimating the true fitness using the search history has been proposed by Sano, Kita et al. ( For example, refer nonpatent literature 4). Here, in MFEGA, a sample value of the fitness of an individual obtained in the past is stored as a search history, and the true fitness is estimated with reference to the search history. MFEGA has been reported to have an excellent search performance in comparison with a method of sampling the fitness of the same individual multiple times and a normal genetic algorithm regarding a problem with uncertainty.
CMfonseca, pJFlemimg: genetic algorithms for multiobjective optimization: formation, discussion and generalization, of the 5th international conference on genetic algorithms, pp.416-423 (1993) K. Deb, S. Agrawal, A. Pratab, and T. Meyarivan: A Fast Elitist Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm for Multi-Objective Optimization: NSGA-II, KanGAL report 20001, Indian Institute of Technology, Kanpur, India (20OO ) E.Zitzler, M. Laumanns, L. Thiele: SPEA2: Improving the Performance of the Strength Pareto Evolutionary A1gorithm, Technical Report 103, Computer Engineering and Communication Networks Lab (TIK), Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich (2001) Sano, Kita: Optimization of uncertain function by genetic algorithm using search history, Electrology C, Vol. 122, No. 6, PP-1001-1008 (2002) K.Ikeda, H.Kita, and S.Kobayashi: Failuer of Pareto-Based MOEAs, Does Non-Dominated Really Mean Near to Optimal? Congress on Evolutionary Computation, pp.957-962 (2001) MDBerg, et.al .: Computational Geometry: Algorithms and Applications, Springer-Verlag (1997) Hiroshi Imai, Keiko Imai, Computational Geometry, Information Mathematics Course 12, Kyoritsu Shuppan (1994) E.Zitzler, K.Deb, L, Thiele: Comparison of Mu1tiobjective Evo1utionary Algorithms: Empirical Results, Evolutionary Computation 8 (2), pp.173-195 (2000)

しかしながら、上記非特許文献1〜非特許文献3に提案された遺伝的アルゴリズムは、いずれもベンチマ一ク問題または確率要素を含まない理想モデルのように、何度実行しても同じ解が得られるシミュレーションに適用されている。実システムまたは確率要素を含むシミュレーションのように、個体の適応度がノイズを伴う問題、いわゆる不確実性を持つ問題に上記の遺伝的アルゴリズムが適用された例は報告されていない。その理由としては次の2点が挙げられる。   However, the genetic algorithms proposed in Non-Patent Document 1 to Non-Patent Document 3 can obtain the same solution regardless of how many times they are executed, such as an ideal model that does not include a benchmark problem or a probability element. Applied to simulation. There has not been reported an example in which the above genetic algorithm is applied to a problem in which the fitness of an individual involves noise, that is, a problem with uncertainties, such as a simulation including a real system or a probability element. There are two reasons for this.

第1に、最適化対象がノイズを伴うために、個体の評価ごとに最適化対象から得られる個体の適応度が変化し、進化が良好に進まないことが挙げられる。すなわち、ノイズにより適応度が悪化することにより、本来ならば良い適応度が得られるはずの個体が淘汰される。あるいは、ノイズにより適応度が向上することにより、本来ならば悪い適応度が得られるはずの個体が生き残る。このような現象が発生することにより、個体の正常な進化ができない。   First, since the optimization target is accompanied by noise, the fitness of the individual obtained from the optimization target changes for each individual evaluation, and the evolution does not proceed well. In other words, when the fitness deteriorates due to noise, an individual who should originally be able to obtain a good fitness is deceived. Alternatively, by improving the fitness level due to noise, an individual who would originally be able to obtain a poor fitness level survives. When such a phenomenon occurs, the individual cannot normally evolve.

第2に、得られるパレート最適解集合の形状が不明瞭であることが挙げられる。すなわち、得られる適応度がノイズを伴うために、例えば2目的最適化問題において適応度を適応度関数空間の平面にプロットした場合に、パレート境界が形成されない。したがって、従来の遺伝的アルゴリズムを意志決定または知見の獲得に用いることは困難である。   Secondly, the shape of the Pareto optimal solution set obtained is unclear. That is, since the obtained fitness is accompanied by noise, a Pareto boundary is not formed when the fitness is plotted on the plane of the fitness function space in the two-objective optimization problem, for example. Therefore, it is difficult to use conventional genetic algorithms for decision making or knowledge acquisition.

多目的最適化が必要とされる実システムおよび確率要素を含むシミュレーションとしては、例えば、交通流シミュレータを用いた信号切り替えルールの最適化およびモータの制御パラメータの最適化が挙げられる。信号切り替えルールの最適化は、2つの幹線道路の交差点およびその付近の信号を上手く切り替えて、どちらの道路も渋滞を起こさないようにすることを目的とする。モータの制御パラメータの最適化は、モータの即応性の向上およびオーバシュート量の減少を両立させることを目的とする。   Examples of simulations including real systems and random elements that require multi-objective optimization include optimization of signal switching rules using a traffic flow simulator and optimization of motor control parameters. The purpose of the optimization of the signal switching rule is to successfully switch signals at the intersection of two main roads and the vicinity thereof so that neither road causes traffic jams. The purpose of optimizing motor control parameters is to achieve both improvement of motor responsiveness and reduction of overshoot.

しかし、交通流シミュレータの場合には、通行する車の速度および台数がランダムに与えられ、モータの場合には、センサの測定誤差等が生じるために、同一の個体(すなわちルールおよび制御パラメータ)を用いて適応度を算出しても、その都度異なる適応度が得られることになる。そのため、上記の2つの問題が生じることになる。   However, in the case of a traffic flow simulator, the speed and number of vehicles to be passed are randomly given. In the case of a motor, the measurement error of the sensor occurs, so the same individual (that is, the rule and the control parameter) Even if the fitness is calculated by using the same, a different fitness is obtained each time. Therefore, the above two problems occur.

このような不確実性を伴う問題は、多目的最適化だけでなく、単目的最適化にとっても、非常に困難な問題である。進化型計算法においては、ノイズを統計的に処理するいくつかの方法が提案されている。最も一般的な方法は、個体を複数回サンプリングする方法である。この方法では、サンプリング回数をnとするとノイズの分散をn-0.5に低減することができる。しかしながら、この方法は、時間のかかる実システムまたは大規模シミュレーションの最適化においては、評価時間がn倍になるので好ましくはない。 Such a problem with uncertainty is a very difficult problem not only for multi-objective optimization but also for single-objective optimization. In the evolutionary calculation method, several methods for statistically processing noise have been proposed. The most common method is to sample an individual multiple times. In this method, if the number of samplings is n, the noise variance can be reduced to n −0.5 . However, this method is not preferable because the evaluation time is n times in the optimization of a time-consuming real system or large-scale simulation.

また、非特許文献4において提案されたMFEGAは、単目的最適化問題に対して優秀な探索性能を発揮しているが、多目的最適化問題への応用については十分に検討されていない。   Further, MFEGA proposed in Non-Patent Document 4 exhibits excellent search performance for a single-objective optimization problem, but its application to a multi-objective optimization problem has not been sufficiently studied.

本発明の目的は、最適化対象が不確実性を伴う場合でも、多様性を有する適切なパレート最適個体を短時間で得ることが可能な多目的最適化装置、多目的最適化方法および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 multi-objective optimization apparatus, a multi-objective optimization method, and a multi-objective optimization program capable of obtaining appropriate Pareto optimal individuals having diversity in a short time even when the optimization target is accompanied by uncertainty. Is to provide.

(1)第1の発明に係る多目的最適化装置は、最適化対象に個体のパラメータの組を与え、複数の目的に対応する複数の適応度関数についての適応度のサンプル値の組を最適化対象から受ける多目的最適化装置であって、個体のパラメータの組および最適化対象から出力される適応度のサンプル値の組を記憶する記憶部と、記憶部に記憶された複数の個体に対応する複数組のサンプル値に基づいて注目個体に対応する真の適応度の推定値の組を求める推定部と、推定部により求められた推定値に基づいて新たな個体を生成し、生成された個体のパラメータの組を最適化対象および記憶部に与えるとともに、推定部により求められた複数組の推定値に基づいて評価用個体集合を多目的進化型アルゴリズムに従って評価することによりパレート最適個体集合を求める演算部とを備え、推定部は、記憶部に記憶された各個体に対応するサンプル値の組に重み付けを行い、重み付けられた複数組のサンプル値の線形和を求めることにより、注目個体に対応する適応度の推定値の組を求め、各個体の重みは、パラメータ空間上で注目個体とその個体との距離を含む関数であり、演算部は、複数の適応度関数の各々について評価用個体集合の複数の個体に対応する推定値の優劣を比較し、複数の適応度関数の各々についての比較結果に重み付けを行い、複数の適応度関数について重み付けられた複数の比較結果の線形和に基づいて評価用個体集合の複数の個体のランク付けを行い、適応度関数空間上で評価用個体集合の最上位ランクの個体の分布における疎の程度を表す分布指標に基づいて新たな個体を生成するものである。   (1) The multi-objective optimization apparatus according to the first invention provides a set of individual parameters to the optimization target, and optimizes a set of fitness sample values for a plurality of fitness functions corresponding to a plurality of objectives. A multi-objective optimization device received from a target, which stores a set of individual parameters and a set of fitness sample values output from the optimization target, and corresponds to a plurality of individuals stored in the storage unit An estimation unit that obtains a set of true fitness estimation values corresponding to the target individual based on a plurality of sets of sample values, a new individual is generated based on the estimation value obtained by the estimation unit, and the generated individual Pareto parameters are given to the optimization target and storage unit, and the evaluation individual set is evaluated according to the multi-objective evolutionary algorithm based on the multiple sets of estimation values obtained by the estimation unit. A calculation unit for obtaining an individual set, the estimation unit weights a set of sample values corresponding to each individual stored in the storage unit, and obtains a linear sum of a plurality of sets of weighted sample values, A set of fitness estimates corresponding to the individual of interest is obtained, and the weight of each individual is a function including the distance between the individual of interest and the individual on the parameter space. Comparing the superiority or inferiority of the estimated values corresponding to multiple individuals of the evaluation individual set, weighting the comparison results for each of the multiple fitness functions, and comparing the multiple comparison results weighted for the multiple fitness functions Ranks multiple individuals in the evaluation individual set based on the linear sum, and creates a new one based on the distribution index that represents the degree of sparseness in the distribution of the highest rank individual in the evaluation individual set on the fitness function space And generates an individual.

その多目的最適化装置においては、個体のパラメータの組および最適化対象から出力される適応度のサンプル値の組が記憶部に記憶される。記憶部に記憶された複数の個体に対応する複数組のサンプル値に基づいて注目個体に対応する真の適応度の推定値の組が推定部により求められる。推定値に基づいて演算部により新たな個体が生成され、生成された個体のパラメータの組が最適化対象および記憶部に与えられる。また、求められた複数組の推定値に基づいて評価用個体集合が多目的進化型アルゴリズムに従って演算部により評価される。それにより、パレート最適個体集合が求められる。   In the multi-objective optimization apparatus, a set of individual parameters and a set of fitness sample values output from the optimization target are stored in the storage unit. Based on a plurality of sets of sample values corresponding to a plurality of individuals stored in the storage unit, a set of true fitness estimation values corresponding to the target individual is obtained by the estimation unit. A new individual is generated by the calculation unit based on the estimated value, and a set of parameters of the generated individual is given to the optimization target and the storage unit. In addition, the evaluation individual set is evaluated by the calculation unit according to the multi-objective evolution type algorithm based on the obtained plural sets of estimated values. Thereby, the Pareto optimal individual set is obtained.

この場合、記憶部に記憶された各個体に対応するサンプル値の組に重み付けが行われ、重み付けられた複数組のサンプル値の線形和が求められることにより、注目個体に対応する適応度の推定値の組が求められる。   In this case, a set of sample values corresponding to each individual stored in the storage unit is weighted, and a linear sum of a plurality of sets of weighted sample values is obtained to estimate fitness corresponding to the target individual. A set of values is determined.

各個体の重みはパラメータ空間上で注目個体とその個体との距離を含む関数であるので、真の適応度からの誤差が十分に小さい推定値を得ることができる。したがって、最適化対象から出力されるサンプル値が不確実性を有する場合でも、適切なパレート最適個体集合を得ることができる。   Since the weight of each individual is a function including the distance between the target individual and the individual in the parameter space, an estimated value with a sufficiently small error from the true fitness can be obtained. Therefore, even when the sample value output from the optimization target has uncertainty, an appropriate Pareto optimal individual set can be obtained.

また、複数の適応度関数の各々について評価用個体集合の複数の個体に対応する推定値の優劣が比較され、複数の適応度関数の各々についての比較結果に重み付けが行われる。そして、複数の適応度関数について重み付けられた複数の比較結果の線形和に基づいて評価用個体集合の複数の個体のランク付けが行われる。   In addition, for each of the plurality of fitness functions, the superiority and inferiority of the estimated values corresponding to the plurality of individuals in the evaluation individual set are compared, and the comparison result for each of the plurality of fitness functions is weighted. The plurality of individuals in the evaluation individual set are ranked based on the linear sum of the plurality of comparison results weighted for the plurality of fitness functions.

それにより、弱パレート最適個体を淘汰することができる。また、最適化対象の不確実性により適応度のサンプル値がノイズを含む場合に、弱パレート最適個体がパレート最適個体と個体と判定されることが防止される。したがって、最適化対象が不確実性を有する場合でも、複数の適応度間の関係を考慮した合理的なパレート最適個体を求めることが可能となる。   Thereby, a weak Pareto optimal individual can be deceived. Further, when the fitness sample value includes noise due to the uncertainty of the optimization target, it is prevented that the weak Pareto optimal individual is determined as the Pareto optimal individual. Therefore, even when the optimization target has uncertainty, it is possible to obtain a rational Pareto optimal individual considering the relationship between a plurality of fitness levels.

さらに、適応度関数空間上での最上位ランクの個体の分布において、疎の程度を表す分布指標に基づいて新たな個体が生成される。それにより、適応度関数空間上の広い範囲に偏りのなく個体を容易に生成することが可能となる。したがって、多様性を有するパレート最適個体を短時間で得ることができる。   Furthermore, in the distribution of individuals of the highest rank in the fitness function space, new individuals are generated based on the distribution index representing the degree of sparseness. As a result, individuals can be easily generated without a bias in a wide range on the fitness function space. Therefore, Pareto optimal individuals having diversity can be obtained in a short time.

(2)推定部は、記憶部に記憶された複数の個体をhlとし、注目個体xに対応するサンプル値の組をF(x)とし、パラメータ空間上で注目個体から距離dl離れた個体に対応するサンプル値の組をF(hl)とし、k’を係数とし、l=1,…,Hとし、nを自然数とした場合に、 (2) The estimation unit sets a plurality of individuals stored in the storage unit as h l , sets a set of sample values corresponding to the target individual x as F (x), and is separated from the target individual by a distance d l in the parameter space When a set of sample values corresponding to an individual is F (h l ), k ′ is a coefficient, l = 1,..., H, and n is a natural number,

Figure 2005285090
Figure 2005285090

で表される推定式により注目個体xに対応する真の適応度の推定値の組f’(x)を算出してもよい。   A set f ′ (x) of estimated values of true fitness corresponding to the target individual x may be calculated using the estimation formula represented by:

この場合、パラメータ空間上で注目個体と他の個体との距離を考慮して真の適応度からの誤差がより小さい推定値を得ることができる。   In this case, an estimated value with a smaller error from the true fitness can be obtained in consideration of the distance between the target individual and other individuals on the parameter space.

(3)nは1であってもよい。この場合、推定値の算出において、パラメータ空間上で注目個体から遠く離れた他の個体の影響が小さくなる。それにより、真の適応度からの誤差が十分に小さい推定値を得ることができる。   (3) n may be 1. In this case, in calculating the estimated value, the influence of other individuals far away from the target individual in the parameter space is reduced. Thereby, an estimated value with a sufficiently small error from the true fitness can be obtained.

(4)nは3であってもよい。この場合、推定値の算出において、パラメータ空間上で注目個体から遠く離れた他の個体の影響が大幅に小さくなる。それにより、真の適応度からの誤差がさらに十分に小さい推定値を得ることができる。   (4) n may be 3. In this case, in the calculation of the estimated value, the influence of other individuals far away from the target individual in the parameter space is greatly reduced. Thereby, it is possible to obtain an estimated value with a sufficiently small error from the true fitness.

(5)演算部は、p個の目的に対応するp個の適応度関数のうち一の適応度関数についての個体x1およびx2に対応する適応度の推定値をfk(x1)およびfk(x2)とし、p個の適応度関数のうち他の適応度関数についての個体x1およびx2に対応する適応度の推定値をfj(x1)およびfj(x2)とし、kおよびjを1,・・・,pとし、kはjとは異なり、αkjを重みとし、次式で表されるgk(x1,x2)がk=1,・・・,pのすべてに関してgk(x1,x2)≦0を満足しかつk=1,・・・,pの少なくとも1つに関してgk(x1,x2)<0の関係を有する場合に、個体x1が個体x2に優越すると判定してもよい。 (5) The computing unit calculates fitness estimates corresponding to the individuals x1 and x2 for one fitness function among the p fitness functions corresponding to the p objectives, f k (x1) and f k. (X2), the estimated fitness values corresponding to individuals x1 and x2 for the other fitness functions among the p fitness functions are f j (x1) and f j (x2), and k and j are ,..., P, k is different from j, α kj is a weight, and g k (x1, x2) expressed by the following equation is g k for all k = 1 ,. It is determined that the individual x1 is superior to the individual x2 when (x1, x2) ≦ 0 is satisfied and g k (x1, x2) <0 is satisfied with respect to at least one of k = 1,. May be.

Figure 2005285090
Figure 2005285090

(6)複数の目的が2以上のm目的である場合に、分布指標はm個の目的に対応する適応度関数空間上で注目個体に隣接するm個の個体が形成する単体の大きさであり、演算部は、単体の大きさに基づいて疎の程度が最も高い個体を選択し、選択された個体を用いて新たな個体を生成してもよい。   (6) When a plurality of objectives are two or more m objectives, the distribution index is a single size formed by m individuals adjacent to the individual of interest on the fitness function space corresponding to the m objectives. The calculation unit may select an individual having the highest degree of sparseness based on the size of a single unit, and generate a new individual using the selected individual.

この場合、適応度関数空間上での最上位ランクの個体の分布において、分布指標に基づいて個体が疎らな領域に新たな個体を容易に生成することが可能となる。それにより、多様性の高いパレート最適個体を容易に得ることができる。   In this case, in the distribution of individuals with the highest rank in the fitness function space, it becomes possible to easily generate new individuals in a region where the individuals are sparse based on the distribution index. Thereby, a highly diverse Pareto optimal individual can be easily obtained.

(7)複数の目的が2目的である場合に、単体の大きさは適応度関数空間上で注目個体に隣接する2個体を結ぶ直線の長さで表され、複数の目的が3目的である場合に、単体の大きさは適応度関数空間上で注目個体に隣接する3個体を頂点とする三角形の面積で表され、複数の目的が4目的である場合に、単体の大きさは適応度関数空間上で注目個体に隣接する4個体を頂点とする三角錐の体積で表されてもよい。   (7) When a plurality of objectives are two objectives, the size of a single object is represented by the length of a straight line connecting two individuals adjacent to the target individual in the fitness function space, and the plurality of objectives are three objectives. In this case, the size of a single unit is represented by the area of a triangle having apexes of three individuals adjacent to the target individual in the fitness function space. It may be represented by the volume of a triangular pyramid having four individuals adjacent to the target individual on the function space.

この場合、最上位ランクの個体の分布において個体が疎らな領域を目的の数に応じて容易に判定することができる。   In this case, an area where individuals are sparse in the distribution of individuals of the highest rank can be easily determined according to the target number.

(8)複数の目的が4以上のm目的である場合に、単体の大きさは適応度関数空間上で注目個体に隣接するm個の個体が形成する単体の底(m−1)次元面積×高さ/mにより表されてもよい。   (8) When a plurality of objectives are 4 or more m objectives, the size of a single is the bottom (m−1) dimensional area of a single formed by m individuals adjacent to the target individual in the fitness function space X It may be expressed by height / m.

この場合、最上位ランクの個体の分布において個体が疎らな領域を目的の数に応じて容易に判定することができる。   In this case, an area where individuals are sparse in the distribution of individuals of the highest rank can be easily determined according to the target number.

(9)複数の目的が3以上の目的である場合に、単体はドローネ三角形分割法により形成されてもよい。この場合、分布指標である単体の大きさを容易に算出することができる。   (9) When a plurality of purposes are three or more purposes, the simple substance may be formed by Delaunay triangulation. In this case, the size of a single unit that is a distribution index can be easily calculated.

(10)演算部は、生成された新たな個体が評価用個体集合の個体と異なる場合に、新たな個体を評価用個体集合の下位ランクの個体と置換してもよい。   (10) When the generated new individual is different from the individual in the evaluation individual set, the calculation unit may replace the new individual with a lower rank individual in the evaluation individual set.

この場合、パレート最適個体の探索初期には、緩やかに悪い個体を減少させることができ、パレート最適個体の探索後期には、パレート最適個体の多様性を維持することができる。   In this case, in the initial stage of searching for the Pareto optimal individual, bad individuals can be gradually decreased, and in the latter stage of searching for the Pareto optimal individual, diversity of the Pareto optimal individual can be maintained.

(11)演算部は、生成された新たな個体が評価用個体集合の個体と重複する場合に、新たな個体に最下位ランクを付与してもよい。   (11) The arithmetic unit may give the lowest rank to the new individual when the generated new individual overlaps with the individual in the evaluation individual set.

この場合、パレート最適個体の探索初期には、緩やかに悪い個体を減少させることができ、パレート最適個体の探索後期には、パレート最適個体の多様性を維持することができる。   In this case, in the initial stage of searching for the Pareto optimal individual, bad individuals can be gradually decreased, and in the latter stage of searching for the Pareto optimal individual, diversity of the Pareto optimal individual can be maintained.

(12)演算部は、評価用個体集合の各個体を1回ずつ評価してもよい。この場合、個体の再評価が行われないので、実システムまたは大規模シミュレーションのように1個体の評価に時間を要する場合でも、最適化時間の短縮が可能となる。   (12) The calculation unit may evaluate each individual of the evaluation individual set once. In this case, since the individual is not re-evaluated, the optimization time can be shortened even when it takes time to evaluate one individual as in an actual system or a large-scale simulation.

(13)推定部は、記憶部に記憶されるサンプル値の組の量が所定の記憶容量に達した場合に、最適化対象から出力されるサンプル値の組の記憶を終了してもよい。   (13) The estimation unit may end the storage of the set of sample values output from the optimization target when the amount of the set of sample values stored in the storage unit reaches a predetermined storage capacity.

この場合、記憶部に記憶された所定量のサンプル値の組を用いて適応度の推定値の組が求められる。それにより、最適化時間の短縮が可能となる。   In this case, a set of fitness estimation values is obtained using a set of sample values of a predetermined amount stored in the storage unit. Thereby, the optimization time can be shortened.

(14)演算部は、推定部により求められた推定値の組に基づいてパレート最適個体を表示してもよい。   (14) The computing unit may display the Pareto optimal individual based on the set of estimated values obtained by the estimating unit.

この場合、使用者は、パレート最適個体を視覚的に認識することができるので、種々の意思決定を容易に行うことができる。   In this case, since the user can visually recognize the Pareto optimal individual, various decision making can be easily performed.

(15)演算部は、多目的進化型アルゴリズムとして遺伝的アルゴリズムを用いて評価用個体集合の個体を評価してもよい。   (15) The calculation unit may evaluate individuals in the evaluation individual set using a genetic algorithm as a multi-purpose evolutionary algorithm.

この場合、遺伝的アルゴリズムに基づいて世代交代を行うことにより、最適なパレート最適個体を容易に得ることができる。   In this case, an optimal Pareto optimal individual can be easily obtained by performing generation change based on a genetic algorithm.

(16)最適化対象は、機器の複数の性能を評価するための評価システムを含み、パラメータの組は、評価システムのための制御用パラメータの組を含み、複数の適応度関数は評価システムの評価により得られる複数の性能であり、適応度の組は複数の性能の値であってもよい。   (16) The optimization target includes an evaluation system for evaluating a plurality of performances of the device, the set of parameters includes a set of control parameters for the evaluation system, and the plurality of fitness functions are included in the evaluation system. It is a plurality of performances obtained by evaluation, and the fitness set may be a plurality of performance values.

この場合、評価システムに制御用パラメータの組が与えられる。評価システムにより制御用パラメータの組に基づいて機器の性能が評価され、複数の性能に対応するサンプル値の組が出力される。この多目的最適化装置によれば、評価システムが不確実性を伴う場合でも、多様性を有する適切な制御用パラメータの組の集合をパレート最適個体として短時間で得ることができる。   In this case, a set of control parameters is given to the evaluation system. The evaluation system evaluates the performance of the device based on the set of control parameters, and outputs a set of sample values corresponding to a plurality of performances. According to this multi-objective optimization device, even when the evaluation system involves uncertainty, a set of appropriate control parameter sets having diversity can be obtained as Pareto optimal individuals in a short time.

(17)機器はエンジンであってもよい。この場合、評価システムにエンジン制御用パラメータの組が与えられる。評価システムによりエンジン制御用パラメータの組に基づいてエンジンの性能が評価され、複数の性能に対応するサンプル値の組が出力される。この多目的最適化装置によれば、評価システムが不確実性を伴う場合でも、多様性を有する適切なエンジン制御用パラメータの組の集合をパレート最適個体として短時間で得ることができる。   (17) The device may be an engine. In this case, a set of engine control parameters is given to the evaluation system. The evaluation system evaluates engine performance based on a set of engine control parameters, and outputs a set of sample values corresponding to a plurality of performances. According to this multi-objective optimization apparatus, even when the evaluation system involves uncertainty, a set of appropriate engine control parameter sets having diversity can be obtained in a short time as Pareto optimal individuals.

(18)機器はモータであってもよい。この場合、評価システムにモータ制御用パラメータの組が与えられる。評価システムによりモータ制御用パラメータの組に基づいてモータの性能が評価され、複数の性能に対応するサンプル値の組が出力される。この多目的最適化装置によれば、評価システムが不確実性を伴う場合でも、多様性を有する適切なモータ制御用パラメータの組の集合をパレート最適個体として短時間で得ることができる。   (18) The device may be a motor. In this case, a set of motor control parameters is given to the evaluation system. The evaluation system evaluates the performance of the motor based on the set of motor control parameters, and outputs a set of sample values corresponding to a plurality of performances. According to this multi-objective optimization apparatus, even when the evaluation system involves uncertainty, a set of appropriate motor control parameter sets having diversity can be obtained in a short time as Pareto optimal individuals.

(19)評価システムは、パラメータの組に基づいて機器を制御するとともに機器の動作により発生される複数の性能の値をサンプル値として出力する機器評価装置であってもよい。   (19) The evaluation system may be a device evaluation device that controls a device based on a set of parameters and outputs a plurality of performance values generated by the operation of the device as sample values.

この場合、機器評価装置に制御用パラメータの組が与えられる。機器評価装置により制御用パラメータの組に基づいて機器の性能が評価され、複数の性能に対応するサンプル値の組が出力される。この多目的最適化装置によれば、機器評価装置が不確実性を伴う場合でも、多様性を有する適切な制御用パラメータの組の集合をパレート最適個体として短時間で得ることができる。   In this case, a set of control parameters is given to the device evaluation apparatus. The device evaluation apparatus evaluates the performance of the device based on the control parameter set, and outputs a set of sample values corresponding to a plurality of performances. According to this multi-objective optimization apparatus, a set of appropriate control parameter sets having diversity can be obtained in a short time as a Pareto optimal individual even when the apparatus evaluation apparatus involves uncertainty.

(20)評価システムは、パラメータの組に基づいて機器の動作をシミュレーションすることにより複数の性能を評価し、評価された複数の性能の値をサンプル値の組として出力する機器シミュレータであってもよい。   (20) The evaluation system may be a device simulator that evaluates a plurality of performances by simulating the operation of the device based on a set of parameters and outputs the evaluated values of the plurality of performances as a set of sample values. Good.

この場合、機器シミュレータに制御用パラメータの組が与えられる。機器シミュレータにより制御用パラメータの組に基づいて機器の動作がシミュレーションされることにより複数の性能が評価され、評価された複数の性能に対応するサンプル値の組が出力される。この多目的最適化装置によれば、機器シミュレータが不確実性を伴う場合でも、多様性を有する適切な制御用パラメータの組の集合をパレート最適個体として短時間で得ることができる。   In this case, a set of control parameters is given to the equipment simulator. A plurality of performances are evaluated by simulating the operation of the device based on the control parameter set by the device simulator, and a set of sample values corresponding to the evaluated plurality of performances is output. According to this multi-objective optimization apparatus, a set of appropriate control parameter sets having diversity can be obtained in a short time as a Pareto optimal individual even when the equipment simulator involves uncertainty.

(21)第2の発明に係る多目的最適化方法は、最適化対象に個体のパラメータの組を与え、最適化対象から出力される複数の目的に対応する複数の適応度関数についての適応度のサンプル値の組に基づいてパラメータを最適化する多目的最適化方法であって、個体のパラメータの組および最適化対象から出力される適応度のサンプル値の組を記憶部に記憶するステップと、記憶部に記憶された複数の個体に対応する複数組のサンプル値に基づいて注目個体に対応する真の適応度の推定値の組を求めるステップと、求められた推定値に基づいて新たな個体を生成し、生成された個体のパラメータの組を最適化対象および記憶部に与えるとともに、求められた複数組の推定値に基づいて評価用個体集合を多目的進化型アルゴリズムに従って評価することによりパレート最適個体集合を求めるステップとを備え、推定値の組を求めるステップは、記憶部に記憶された各個体に対応するサンプル値の組に重み付けを行い、重み付けられた複数組のサンプル値の線形和を求めることにより、注目個体に対応する適応度の推定値の組を求めるステップを含み、各個体の重みは、パラメータ空間上で注目個体とその個体との距離を含む関数であり、パレート最適個体を求めるステップは、複数の適応度関数の各々について評価用個体集合の複数の個体に対応する推定値の優劣を比較し、複数の適応度関数の各々についての比較結果に重み付けを行い、複数の適応度関数について重み付けられた複数の比較結果の線形和に基づいて評価用個体集合の複数の個体のランク付けを行うステップと、適応度関数空間上で評価用個体集合の最上位ランクの個体の分布における疎の程度を表す分布指標に基づいて新たな個体を生成するステップとを含むものである。   (21) In the multi-objective optimization method according to the second invention, a set of individual parameters is given to an optimization target, and the fitness of a plurality of fitness functions corresponding to a plurality of objectives output from the optimization target is determined. A multi-objective optimization method for optimizing a parameter based on a set of sample values, the step of storing a set of individual parameters and a set of fitness sample values output from an optimization target in a storage unit; Obtaining a set of true fitness estimates corresponding to the individual of interest based on a plurality of sets of sample values corresponding to the plurality of individuals stored in the section; and a new individual based on the obtained estimate Generates and sets the generated individual parameter set to the optimization target and storage unit, and evaluates the evaluation individual set according to the multi-objective evolutionary algorithm based on the obtained multiple sets of estimated values A step of obtaining a Pareto optimal individual set, wherein the step of obtaining a set of estimated values weights a set of sample values corresponding to each individual stored in the storage unit, and sets a plurality of weighted sets of samples A step of obtaining a set of fitness estimates corresponding to the individual of interest by obtaining a linear sum of values, and the weight of each individual is a function including the distance between the individual of interest and the individual in the parameter space The step of obtaining the Pareto optimal individual compares the superiority or inferiority of the estimated values corresponding to the plurality of individuals of the evaluation individual set for each of the plurality of fitness functions, and weights the comparison result for each of the plurality of fitness functions. Performing a ranking of a plurality of individuals in an evaluation individual set based on a linear sum of a plurality of comparison results weighted for a plurality of fitness functions; It is intended to include a step of generating a new individual based on distribution index representing the degree of sparse in the individual distribution of the highest ranking of the evaluation population of individuals over the function space.

その多目的最適化方法においては、個体のパラメータの組および最適化対象から出力される適応度のサンプル値の組が記憶部に記憶される。記憶部に記憶された複数の個体に対応する複数組のサンプル値に基づいて注目個体に対応する真の適応度の推定値の組が求められる。推定値に基づいて新たな個体が生成され、生成された個体のパラメータの組が最適化対象および記憶部に与えられる。また、求められた複数組の推定値に基づいて評価用個体集合が多目的進化型アルゴリズムに従って評価される。それにより、パレート最適個体集合が求められる。   In the multi-objective optimization method, a set of individual parameters and a set of fitness sample values output from the optimization target are stored in the storage unit. Based on a plurality of sets of sample values corresponding to a plurality of individuals stored in the storage unit, a set of true fitness estimation values corresponding to the target individual is obtained. A new individual is generated based on the estimated value, and a set of parameters of the generated individual is given to the optimization target and the storage unit. Further, the evaluation individual set is evaluated according to the multi-objective evolutionary algorithm based on the obtained plural sets of estimated values. Thereby, the Pareto optimal individual set is obtained.

この場合、記憶部に記憶された各個体に対応するサンプル値の組に重み付けが行われ、重み付けられた複数組のサンプル値の線形和が求められることにより、注目個体に対応する適応度の推定値の組が求められる。   In this case, a set of sample values corresponding to each individual stored in the storage unit is weighted, and a linear sum of a plurality of sets of weighted sample values is obtained to estimate fitness corresponding to the target individual. A set of values is determined.

各個体の重みはパラメータ空間上で注目個体とその個体との距離を含む関数であるので、真の適応度からの誤差が十分に小さい推定値を得ることができる。したがって、最適化対象から出力されるサンプル値が不確実性を有する場合でも、適切なパレート最適個体集合を得ることができる。   Since the weight of each individual is a function including the distance between the target individual and the individual in the parameter space, an estimated value with a sufficiently small error from the true fitness can be obtained. Therefore, even when the sample value output from the optimization target has uncertainty, an appropriate Pareto optimal individual set can be obtained.

また、複数の適応度関数の各々について評価用個体集合の複数の個体に対応する推定値の優劣が比較され、複数の適応度関数の各々についての比較結果に重み付けが行われる。そして、複数の適応度関数について重み付けられた複数の比較結果の線形和に基づいて評価用個体集合の複数の個体のランク付けが行われる。   In addition, for each of the plurality of fitness functions, the superiority and inferiority of the estimated values corresponding to the plurality of individuals in the evaluation individual set are compared, and the comparison result for each of the plurality of fitness functions is weighted. The plurality of individuals in the evaluation individual set are ranked based on the linear sum of the plurality of comparison results weighted for the plurality of fitness functions.

それにより、弱パレート最適個体を淘汰することができる。また、最適化対象の不確実性により適応度のサンプル値がノイズを含む場合に、弱パレート最適個体がパレート最適個体と個体と判定されることが防止される。したがって、最適化対象が不確実性を有する場合でも、複数の適応度間の関係を考慮した合理的なパレート最適個体を求めることが可能となる。   Thereby, a weak Pareto optimal individual can be deceived. Further, when the fitness sample value includes noise due to the uncertainty of the optimization target, it is prevented that the weak Pareto optimal individual is determined as the Pareto optimal individual. Therefore, even when the optimization target has uncertainty, it is possible to obtain a rational Pareto optimal individual considering the relationship between a plurality of fitness levels.

さらに、適応度関数空間上での最上位ランクの個体の分布において、疎の程度を表す分布指標に基づいて新たな個体が生成される。それにより、適応度関数空間上の広い範囲に偏りのなく個体を容易に生成することが可能となる。したがって、多様性を有するパレート最適個体を短時間で得ることができる。   Furthermore, in the distribution of individuals of the highest rank in the fitness function space, new individuals are generated based on the distribution index representing the degree of sparseness. As a result, individuals can be easily generated without a bias in a wide range on the fitness function space. Therefore, Pareto optimal individuals having diversity can be obtained in a short time.

(22)第3の発明に係る多目的最適化プログラムは、最適化対象に個体のパラメータの組を与え、最適化対象から出力される複数の目的に対応する複数の適応度関数についての適応度のサンプル値の組に基づいてパラメータを最適化する、コンピュータにより実行可能な多目的最適化プログラムであって、個体のパラメータの組および最適化対象から出力される適応度のサンプル値の組を記憶部に記憶する処理と、記憶部に記憶された複数の個体に対応する複数組のサンプル値に基づいて注目個体に対応する真の適応度の推定値の組を求める処理と、求められた推定値に基づいて新たな個体を生成し、生成された個体のパラメータの組を最適化対象および記憶部に与えるとともに、求められた複数組の推定値に基づいて評価用個体集合を多目的進化型アルゴリズムに従って評価することによりパレート最適個体集合を求める処理とをコンピュータに実行させ、推定値の組を求める処理は、記憶部に記憶された各個体に対応するサンプル値の組に重み付けを行い、重み付けられた複数組のサンプル値の線形和を求めることにより、注目個体に対応する適応度の推定値の組を求める処理を含み、各個体の重みは、パラメータ空間上で注目個体とその個体との距離を含む関数であり、パレート最適個体を求める処理は、複数の適応度関数の各々について評価用個体集合の複数の個体に対応する推定値の優劣を比較し、複数の適応度関数の各々についての比較結果に重み付けを行い、複数の適応度関数について重み付けられた複数の比較結果の線形和に基づいて評価用個体集合の複数の個体のランク付けを行う処理と、適応度関数空間上で評価用個体集合の最上位ランクの個体の分布における疎の程度を表す分布指標に基づいて新たな個体を生成する処理とを含むものである。   (22) A multi-objective optimization program according to a third aspect of the present invention provides a set of individual parameters to an optimization target, and the fitness of a plurality of fitness functions corresponding to the plurality of objectives output from the optimization target A computer-executable multi-objective optimization program that optimizes parameters based on a set of sample values. The storage unit stores a set of individual parameters and a set of fitness sample values output from the optimization target. A process for storing, a process for obtaining a set of estimated values of true fitness corresponding to the target individual based on a plurality of sample values corresponding to the plurality of individuals stored in the storage unit, and A new individual is generated on the basis of this, and a set of parameters of the generated individual is given to the optimization target and the storage unit. The Pareto optimal individual set by performing an evaluation according to a genetic evolution algorithm, and the process of obtaining a set of estimated values weights a set of sample values corresponding to each individual stored in the storage unit. And calculating a set of fitness estimates corresponding to the individual of interest by calculating a linear sum of weighted sample values, and the weight of each individual A function that includes the distance to the individual, and the process of obtaining the Pareto optimal individual compares the superiority or inferiority of the estimated values corresponding to the plurality of individuals of the evaluation individual set for each of the plurality of fitness functions, and the plurality of fitness functions Weighting the comparison results for each of the plurality of individual individuals in the evaluation individual set based on a linear sum of the plurality of comparison results weighted for the plurality of fitness functions. A process of performing a ranking, is intended to include a process of generating a new individual based on distribution index representing the degree of sparse in the individual distribution of the highest ranking of the evaluation population of individuals on the fitness function space.

その多目的最適化プログラムにおいては、個体のパラメータの組および最適化対象から出力される適応度のサンプル値の組が記憶部に記憶される。記憶部に記憶された複数の個体に対応する複数組のサンプル値に基づいて注目個体に対応する真の適応度の推定値の組が求められる。推定値に基づいて新たな個体が生成され、生成された個体のパラメータの組が最適化対象および記憶部に与えられる。また、求められた複数組の推定値に基づいて評価用個体集合が多目的進化型アルゴリズムに従って評価される。それにより、パレート最適個体集合が求められる。   In the multi-objective optimization program, a set of individual parameters and a set of fitness sample values output from the optimization target are stored in the storage unit. Based on a plurality of sets of sample values corresponding to a plurality of individuals stored in the storage unit, a set of true fitness estimation values corresponding to the target individual is obtained. A new individual is generated based on the estimated value, and a set of parameters of the generated individual is given to the optimization target and the storage unit. Further, the evaluation individual set is evaluated according to the multi-objective evolutionary algorithm based on the obtained plural sets of estimated values. Thereby, the Pareto optimal individual set is obtained.

この場合、記憶部に記憶された各個体に対応するサンプル値の組に重み付けが行われ、重み付けられた複数組のサンプル値の線形和が求められることにより、注目個体に対応する適応度の推定値の組が求められる。   In this case, a set of sample values corresponding to each individual stored in the storage unit is weighted, and a linear sum of a plurality of sets of weighted sample values is obtained to estimate fitness corresponding to the target individual. A set of values is determined.

各個体の重みはパラメータ空間上で注目個体とその個体との距離を含む関数であるので、真の適応度からの誤差が十分に小さい推定値を得ることができる。したがって、最適化対象から出力されるサンプル値が不確実性を有する場合でも、適切なパレート最適個体集合を得ることができる。   Since the weight of each individual is a function including the distance between the target individual and the individual in the parameter space, an estimated value with a sufficiently small error from the true fitness can be obtained. Therefore, even when the sample value output from the optimization target has uncertainty, an appropriate Pareto optimal individual set can be obtained.

また、複数の適応度関数の各々について評価用個体集合の複数の個体に対応する推定値の優劣が比較され、複数の適応度関数の各々についての比較結果に重み付けが行われる。そして、複数の適応度関数について重み付けられた複数の比較結果の線形和に基づいて評価用個体集合の複数の個体のランク付けが行われる。   In addition, for each of the plurality of fitness functions, the superiority and inferiority of the estimated values corresponding to the plurality of individuals in the evaluation individual set are compared, and the comparison result for each of the plurality of fitness functions is weighted. The plurality of individuals in the evaluation individual set are ranked based on the linear sum of the plurality of comparison results weighted for the plurality of fitness functions.

それにより、弱パレート最適個体を淘汰することができる。また、最適化対象の不確実性により適応度のサンプル値がノイズを含む場合に、弱パレート最適個体がパレート最適個体と個体と判定されることが防止される。したがって、最適化対象が不確実性を有する場合でも、複数の適応度間の関係を考慮した合理的なパレート最適個体を求めることが可能となる。   Thereby, a weak Pareto optimal individual can be deceived. Further, when the fitness sample value includes noise due to the uncertainty of the optimization target, it is prevented that the weak Pareto optimal individual is determined as the Pareto optimal individual. Therefore, even when the optimization target has uncertainty, it is possible to obtain a rational Pareto optimal individual considering the relationship between a plurality of fitness levels.

さらに、適応度関数空間上での最上位ランクの個体の分布において、疎の程度を表す分布指標に基づいて新たな個体が生成される。それにより、適応度関数空間上の広い範囲に偏りのなく個体を容易に生成することが可能となる。したがって、多様性を有するパレート最適個体を短時間で得ることができる。   Furthermore, in the distribution of individuals of the highest rank in the fitness function space, new individuals are generated based on the distribution index representing the degree of sparseness. As a result, individuals can be easily generated without a bias in a wide range on the fitness function space. Therefore, Pareto optimal individuals having diversity can be obtained in a short time.

本発明によれば、最適化対象が不確実性を伴う場合でも、多様性を有する適切なパレート最適個体を短時間で得ることが可能となる。   According to the present invention, it is possible to obtain an appropriate Pareto optimal individual having diversity in a short time even when the optimization target involves uncertainty.

(1)第1の実施の形態
まず、本発明の第1の実施の形態に係る多目的最適化装置を図1に基づき説明する。
(1) First Embodiment First, a multi-objective optimization apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

(a)多目的最適化装置の機能的な構成
図1は本発明の第1の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。
(A) Functional Configuration of Multi-Objective Optimization Device FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of the multi-purpose optimization device according to the first embodiment of the present invention.

図1の多目的最適化装置1は、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)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。この多目的最適化装置1は、最適化対象6に接続される。   The multi-objective optimization apparatus 1 in FIG. 1 calculates a Pareto optimal individual set of a multi-objective optimization problem using a multi-objective genetic algorithm (GA) as a multi-objective evolutionary algorithm. This multi-objective optimization apparatus 1 is connected to an optimization target 6.

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確率要素を含む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はエンジン評価装置である。   The optimization target 6 is an evaluation system that evaluates the performance of the device. The evaluation system is an evaluation device for evaluating an actual system or a simulator including a probability element. The actual system is, for example, an engine or a motor, and the evaluation device is, for example, an engine evaluation device or a motor evaluation device. The simulator is, for example, an engine simulator or a motor simulator. In the present embodiment, the optimization target 6 is an engine evaluation device.

多目的最適化装置1は、多目的進化型アルゴリズム部2、適応度推定部3、出力インタフェース4および入力インタフェース5を含む。適応度推定部3は、適応度推定モジュール30および探索履歴記憶装置31を含む。   The multi-objective optimization apparatus 1 includes a multi-objective evolution type algorithm unit 2, a fitness estimation unit 3, an output interface 4 and an input interface 5. The fitness level estimation unit 3 includes a fitness level estimation module 30 and a search history storage device 31.

多目的進化型アルゴリズム部2および適応度推定部3の適応度推定モジュール30は、後述するCPU101(図2)が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。探索履歴記憶装置31は、後述する外部記憶装置106(図2)により構成される。   The fitness estimation module 30 of the multi-objective evolution type algorithm unit 2 and the fitness estimation unit 3 is realized by a CPU 101 (FIG. 2) described later executing a multi-objective optimization program. The search history storage device 31 is configured by an external storage device 106 (FIG. 2) described later.

使用者10は、多目的進化型アルゴリズム部2に複数の適応度関数(目的関数)を設定する。本実施の形態では、複数の適応度関数としては、燃費、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。 The user 10 sets a plurality of fitness functions (objective functions) in the multipurpose evolution type algorithm unit 2. In the present embodiment, the plurality of fitness functions include fuel consumption, torque, and concentrations of components such as CO (carbon monoxide), HC (hydrocarbon), and NO x (nitrogen oxide) contained in engine exhaust gas. Etc. 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。 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.

また、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、複数のパラメータの組および複数の適応度を有する。パラメータは、調整可能な値であり、遺伝的アルゴリズムでは、遺伝子と呼ばれる。パラメータとしては、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。適応度は、適応度関数の値である。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。   An individual of the multi-objective genetic algorithm is a candidate for a solution of the multi-objective optimization problem, and has a plurality of parameter sets and a plurality of fitness values. A parameter is an adjustable value and is called a gene in the genetic algorithm. The parameters include fuel injection amount, fuel injection timing, ignition timing, throttle opening, and the like. The fitness is a value of the fitness function. Hereinafter, an individual of a multipurpose genetic algorithm is simply referred to as an individual.

多目的進化型アルゴリズム部2は、後述する適応度推定モジュール30により算出された真の適応度の推定値を受け、個体のパラメータの組を適応度推定部3の探索履歴記憶装置31に与えるとともに出力インタフェース4を介して最適化対象6に与える。   The multi-objective evolution type algorithm unit 2 receives an estimate value of the true fitness calculated by the fitness estimation module 30 described later, and gives a set of individual parameters to the search history storage device 31 of the fitness estimation unit 3 and outputs it. This is given to the optimization object 6 via the interface 4.

最適化対象6は、多目的最適化装置1から与えられた個体のパラメータの組に基づいて適応度のサンプル値の組を出力する。最適化対象6から出力される各サンプル値は、後述するように、真の適応度およびノイズ成分を含む。サンプル値の詳細については、後述する。   The optimization target 6 outputs a set of fitness sample values based on the set of individual parameters given from the multipurpose optimization apparatus 1. Each sample value output from the optimization target 6 includes a true fitness and a noise component, as will be described later. Details of the sample value will be described later.

最適化対象6から出力されるサンプル値の組は、入力インタフェース5を介して適応度推定部3の探索履歴記憶装置31に入力される。探索履歴記憶装置31は、個体のパラメータの組およびサンプル値の組を探索履歴として記憶する。以下、探索履歴に含まれる個体のパラメータおよびサンプル値の各組を履歴データと呼ぶ。   A set of sample values output from the optimization target 6 is input to the search history storage device 31 of the fitness estimation unit 3 via the input interface 5. The search history storage device 31 stores a set of individual parameters and a set of sample values as a search history. Hereinafter, each set of individual parameters and sample values included in the search history is referred to as history data.

適応度推定モジュール30は、探索履歴記憶装置31に記憶される探索履歴の履歴データに基づいて真の適応度の推定値の組を算出し、推定値の組を多目的進化型アルゴリズム部2に与える。以下、真の適応度の推定値を単に適応度の推定値または推定値と呼ぶ。   The fitness estimation module 30 calculates a set of true fitness estimates based on the history data of the search history stored in the search history storage device 31 and provides the set of estimates to the multi-objective evolution algorithm unit 2 . Hereinafter, the true fitness estimate is simply referred to as fitness estimate or estimate.

多目的進化型アルゴリズム部2は、複数組の推定値に基づいて遺伝的アルゴリズムにしたがって複数の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同時に求める。また、多目的進化型アルゴリズム部2は、求められたパレート最適個体集合を使用者10に提示する。   The multi-objective evolution type algorithm unit 2 generates a plurality of individuals according to a genetic algorithm based on a plurality of sets of estimated values, performs a multipoint search, and evaluates the fitness function with the Pareto optimality, whereby the Pareto optimal individual Find a set at the same time. Further, the multi-objective evolution type algorithm unit 2 presents the obtained Pareto optimal individual set to the user 10.

このように、多目的進化型アルゴリズム部2および適応度推定部3は、協働することにより個体のパラメータの最適化を行う。   As described above, the multi-objective evolution type algorithm unit 2 and the fitness level estimation unit 3 optimize the parameters of the individual by working together.

多目的進化型アルゴリズム部2および適応度推定部3の詳細な動作については後述する。   Detailed operations of the multi-objective evolution algorithm unit 2 and the fitness estimation unit 3 will be described later.

(b)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。
(B) Hardware configuration of multipurpose optimization apparatus FIG. 2 is a block diagram showing a hardware configuration of the multipurpose optimization apparatus 1 of FIG.

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 multi-objective optimization apparatus 1 includes a CPU (Central Processing Unit) 101, a ROM (Read Only Memory) 102, a RAM (Random Access Memory) 103, an input device 104, a display device 105, an external storage device 106, and a recording medium driving device 107. And an input / output interface 108.

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 input device 104 includes a keyboard, a mouse, and the like, and is used for inputting various commands and various data. The ROM 102 stores a system program. The recording medium driving device 107 includes a CD (compact disk) drive, a DVD (digital versatile disk) drive, a flexible disk drive, and the like, and reads / writes data from / to a recording medium 109 such as a CD, DVD, or flexible disk.

記録媒体109には、多目的最適化プログラムが記録されている。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。   A multipurpose optimization program is recorded on the recording medium 109. The external storage device 106 includes a hard disk device or the like, and stores a multipurpose optimization program and various data read from the recording medium 109 via the recording medium driving device 107. The CPU 101 executes the multipurpose optimization program stored in the external storage device 106 on the RAM 103.

表示装置105は、液晶表示パネル、CRT(陰極線管)等からなり、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は、図1の出力インタフェース4および入力インタフェース5を含む。この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から出力されるサンプル値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パラメータの組を最適化対象6に与える。   The display device 105 includes a liquid crystal display panel, a CRT (cathode ray tube), and the like, and displays various images such as a Pareto optimal individual set. The input / output interface 108 includes the output interface 4 and the input interface 5 of FIG. The optimization target 6 is connected to the input / output interface 108 by wireless communication or wired communication. The input / output interface 108 transfers a set of sample values output from the optimization target 6 to the external storage device 106 and provides the optimization target 6 with a set of individual parameters generated by the multi-objective optimization program.

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 recording medium 109 for recording the multipurpose optimization program, various recording media such as a semiconductor memory such as a ROM and a hard disk can be used. Alternatively, the multipurpose optimization program may be downloaded to the external storage device 106 via a communication medium such as a communication line and executed on the RAM 103.

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 recording medium 109 is a computer-readable recording medium, the recording medium 109 includes an electronic reading method, a magnetic reading method, an optical reading method, or any other reading method. For example, in addition to the above-mentioned CD, DVD and flexible disk, optical reading type recording medium such as CDV (compact disk video), semiconductor recording medium such as RAM and ROM, magnetic recording type recording medium such as hard disk, MO (magneto-optical) A magnetic storage type / optical reading type recording medium such as a disk) can be used.

(c)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。
(C) Configuration of Optimization Target FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of the optimization target 6. The optimization target 6 in FIG. 3 is an engine evaluation device.

最適化対象6は、エンジン61、ECU(エンジン制御ユニット)62、排気ガス分析計63、コントローラ64、スロットルユニット65およびダイナモ66を含む。   The optimization target 6 includes an engine 61, an ECU (engine control unit) 62, an exhaust gas analyzer 63, a controller 64, a throttle unit 65, and a dynamo 66.

ECU62は、多目的最適化装置1からシリアル通信によりパラメータの組を受ける。本例では、パラメータの組は、点火時期および燃料噴射時期である。ECU62は、パラメータの組に基づいてエンジン61の点火時期および燃料噴射時期を制御する。エンジン61からコントローラ64に回転数、空燃比等のエンジン情報が与えられる。   The ECU 62 receives a set of parameters from the multipurpose optimization device 1 by serial communication. In this example, the set of parameters is an ignition timing and a fuel injection timing. The ECU 62 controls the ignition timing and fuel injection timing of the engine 61 based on the parameter set. Engine information such as the rotational speed and the air-fuel ratio is given from the engine 61 to the controller 64.

コントローラ64は、エンジン情報に基づいてスロットルユニット65およびダイナモ66を制御する。スロットルユニット65は、エンジン61の吸入空気量を調整することによりエンジン61の出力トルクを制御する。ダイナモ66は、負荷トルクを制御する。   The controller 64 controls the throttle unit 65 and the dynamo 66 based on the engine information. The throttle unit 65 controls the output torque of the engine 61 by adjusting the intake air amount of the engine 61. The dynamo 66 controls the load torque.

排気ガス分析計63は、エンジン61からの排気ガス中の成分を分析し、HC濃度およびNOx濃度をサンプル値の組としてシリアル通信により多目的最適化装置1に出力する。 The exhaust gas analyzer 63 analyzes the components in the exhaust gas from the engine 61 and outputs the HC concentration and the NO x concentration as a set of sample values to the multipurpose optimization apparatus 1 by serial communication.

図4はHC濃度、NOx濃度およびCO濃度と空燃比との関係を示す図である。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the HC concentration, NO x concentration, CO concentration and air-fuel ratio.

燃料が完全に燃焼すれば、排気ガスに二酸化炭素と水とが含まれる。しかし、運転状態が変化すると燃焼状態も変化し、排気ガスにCO、HCおよびNOxが含まれる。 If the fuel burns completely, the exhaust gas contains carbon dioxide and water. However, when the operating state changes, the combustion state also changes, and the exhaust gas contains CO, HC, and NO x .

図4に示すように、空燃比が小さいと、HC濃度およびNOx 濃度が低くなる。NOx 濃度は空燃比が理論空燃比(14.7)よりやや小さいときに最大となり、それ以外の領域では減少する。理論空燃比付近では、HC濃度とNOx 濃度はトレードオフの関係を有し、CO濃度とNOx 濃度とはトレードオフの関係を有する。 As shown in FIG. 4, when the air-fuel ratio is small, the HC concentration and the NO x concentration are lowered. Concentration of NO x is becomes maximum when the air-fuel ratio is slightly smaller than the stoichiometric air-fuel ratio (14.7), it decreases in the other region. In the vicinity of the theoretical air-fuel ratio, the HC concentration and the NO x concentration have a trade-off relationship, and the CO concentration and the NO x concentration have a trade-off relationship.

図3の最適化対象6は、多目的最適化装置1から個体のパラメータの組として点火時期および燃料噴射時期を受け、サンプル値の組としてHC濃度およびNOx 濃度を出力する。 The optimization target 6 in FIG. 3 receives the ignition timing and the fuel injection timing as a set of individual parameters from the multi-purpose optimization device 1, and outputs the HC concentration and the NO x concentration as a set of sample values.

(d)多目的最適化装置の全体処理
図5および図6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。
(D) Overall Processing of Multipurpose Optimization Device FIGS. 5 and 6 are flowcharts showing the overall processing of the multipurpose optimization device 1 of FIG.

図5に示すように、最適化処理が開始されると、多目的進化型アルゴリズム部2は、初期個体集合として親個体集合Pを各パラメータの定められた範囲内でランダムに生成することにより親個体集合Pを初期化し、生成された親個体集合Pの各個体のパラメータの組を最適化対象6に順次与える(ステップS1)。それにより、最適化対象6から適応度のサンプル値の組が順次出力される。   As shown in FIG. 5, when the optimization process is started, the multi-objective evolution type algorithm unit 2 generates a parent individual set P as an initial individual set within a range determined by each parameter at random. The set P is initialized, and a set of parameters of each individual of the generated parent individual set P is sequentially given to the optimization target 6 (step S1). Thereby, a set of fitness sample values is sequentially output from the optimization target 6.

なお、事前知識として知られているパレート最適個体が存在する場合は、そのパレート最適個体を初期個体集合の一部として用いてもよい。それにより、パレート最適個体の探索の収束性の向上が期待できる。   When there is a Pareto optimal individual known as prior knowledge, the Pareto optimal individual may be used as part of the initial individual set. Thereby, the convergence of the search for the Pareto optimal individual can be expected to be improved.

適応度推定部3の探索履歴記憶装置31は、最適化対象6から親個体集合Pの各個体に対応するサンプル値の組を取得し、親個体集合Pのパラメータの組およびサンプル値の組を探索履歴として記憶する(ステップS2)。   The search history storage device 31 of the fitness estimator 3 acquires a set of sample values corresponding to each individual of the parent individual set P from the optimization target 6, and sets a set of parameters and a sample value of the parent individual set P. The search history is stored (step S2).

次に、適応度推定部3の適応度推定モジュール30は、探索履歴記憶装置31に記憶された複数の個体に対応するサンプル値の組に基づいて親個体集合Pの各個体の適応度の推定値の組を算出する(ステップS3)。適応度の推定値の算出方法については後述する。   Next, the fitness estimation module 30 of the fitness estimator 3 estimates the fitness of each individual in the parent individual set P based on a set of sample values corresponding to a plurality of individuals stored in the search history storage device 31. A set of values is calculated (step S3). A method for calculating the fitness value will be described later.

次に、多目的進化型アルゴリズム部2は、適応度の推定値の組に基づく優劣比較およびパレートランキングにより親個体集合Pをランクごとの個体集合に分割する(ステップS4)。パレートランキングについては後述する。   Next, the multi-objective evolution type algorithm unit 2 divides the parent individual set P into individual sets for each rank by superiority comparison and Pareto ranking based on the fitness value set (step S4). The Pareto ranking will be described later.

次に、多目的進化型アルゴリズム部2は、親個体集合Pの各ランクの個体集合に混雑度ソートを行う(ステップS5)。それにより、各ランクの個体が混雑度(混雑距離)の大きい順に並べられる。混雑度ソートについては後述する。そして、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。   Next, the multi-purpose evolution type algorithm unit 2 performs the congestion degree sort on the individual sets of each rank of the parent individual set P (step S5). Thereby, the individuals of each rank are arranged in descending order of the degree of congestion (congestion distance). The congestion degree sorting will be described later. Then, a predetermined number of individuals having a higher degree of congestion at a higher rank are selected, and other individuals are deleted.

さらに、多目的進化型アルゴリズム部2は、親個体集合Pの最上位ランク(ランク1)の個体集合から特定の3つの親個体を選択するとともに、3つの親個体に交叉操作を施すことにより子個体集合Cを生成し、生成された子個体集合Cの各個体のパラメータの組を最適化対象6に順次与える(ステップS6)。それにより、最適化対象6から適応度のサンプル値の組が順次出力される。   Further, the multi-purpose evolution type algorithm unit 2 selects three specific parent individuals from the individual set of the highest rank (rank 1) of the parent individual set P, and performs a crossover operation on the three parent individuals, thereby performing child operations. A set C is generated, and a set of parameters of each individual of the generated child individual set C is sequentially given to the optimization target 6 (step S6). Thereby, a set of fitness sample values is sequentially output from the optimization target 6.

ここで、交叉操作とは、個体の遺伝子を掛け合わせることにより新たな個体を生成することをいう。特定の親個体の選択方法については後述する。   Here, the crossover operation means generating a new individual by multiplying the genes of the individual. A method for selecting a specific parent individual will be described later.

適応度推定部3の探索履歴記憶装置31は、最適化対象6から出力される子個体集合Cの各個体に対応する適応度のサンプル値の組を取得し、各個体に対応するパラメータの組およびサンプル値の組を探索履歴として記憶する(ステップS7)。   The search history storage device 31 of the fitness estimation unit 3 acquires a set of fitness sample values corresponding to each individual of the child individual set C output from the optimization target 6, and sets a parameter corresponding to each individual. The set of sample values is stored as a search history (step S7).

次いで、多目的進化型アルゴリズム部2は、子個体集合Cと親個体集合Pとから個体集合Fを生成する(ステップS8)。   Next, the multipurpose evolution type algorithm unit 2 generates an individual set F from the child individual set C and the parent individual set P (step S8).

適応度推定部3の適応度推定モジュール30は、探索履歴記憶装置31に記憶された複数組のサンプル値に基づいて個体集合Fの各個体に対応する適応度の推定値の組を算出する(ステップS9)。   The fitness estimation module 30 of the fitness estimation unit 3 calculates a set of fitness estimation values corresponding to each individual of the individual set F based on a plurality of sets of sample values stored in the search history storage device 31 ( Step S9).

多目的進化型アルゴリズム部2は、適応度の推定値の組に基づく優劣比較およびパレートランキングにより個体集合Fをランクごとの個体集合に分割し、子個体集合Cにおいて親個体集合Pの個体と重複する個体に最下位ランクを付与する(ステップS10)。   The multi-objective evolution type algorithm unit 2 divides the individual set F into individual sets for each rank by superiority or inferiority comparison based on a set of fitness estimates and Pareto ranking, and overlaps with individuals in the parent individual set P in the child individual set C The lowest rank is assigned to the individual (step S10).

次に、多目的進化型アルゴリズム部2は、個体集合Fの各ランクの個体集合に混雑度ソートを行って新たな親個体集合Pを生成する(ステップS11)。それにより、各ランクの個体が混雑度(混雑距離)の大きい順に並べられる。混雑度ソートについては後述する。そして、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。   Next, the multi-purpose evolution type algorithm unit 2 generates a new parent individual set P by performing congestion degree sorting on the individual sets of each rank of the individual set F (step S11). Thereby, the individuals of each rank are arranged in descending order of the degree of congestion (congestion distance). The congestion degree sorting will be described later. Then, a predetermined number of individuals having a higher degree of congestion at a higher rank are selected, and other individuals are deleted.

その後、多目的進化型アルゴリズム部2は、世代数が所定の終了条件に到達したか否かを判定する(ステップS12)。   Thereafter, the multipurpose evolutionary algorithm unit 2 determines whether or not the number of generations has reached a predetermined end condition (step S12).

ここで、世代とは、個体集合から親個体を選択する選択ステップ、交叉操作により新たな子個体を生成する交叉ステップおよび親個体と子個体とを入れ替える世代交代ステップから構成される。世代数が所定の終了条件に到達していないと判定した場合には、ステップS6に移行する。世代数が所定の終了条件に到達したと判定した場合には、多目的進化型アルゴリズム部2は、ステッブS11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10に提示し、処理を終了する。   Here, the generation includes a selection step for selecting a parent individual from an individual set, a crossover step for generating a new child individual by a crossover operation, and a generation change step for exchanging the parent individual and the child individual. If it is determined that the number of generations has not reached the predetermined end condition, the process proceeds to step S6. If it is determined that the number of generations has reached a predetermined end condition, the multi-objective evolution algorithm unit 2 presents the parent individual set P generated in step S11 to the user 10 as a Pareto optimal individual set, and performs processing. finish.

(e)多目的最適化装置の各処理の具体例
図7〜図12は多目的最適化装置1の各処理の具体例を示す模式図である。
(E) Specific Example of Each Process of Multipurpose Optimization Device FIGS. 7 to 12 are schematic diagrams illustrating specific examples of each process of the multipurpose optimization device 1.

図7〜図12には、2つのパラメータx1,x2および2つの適応度関数f1,f2の例が示される。図3の最適化対象6の場合には、パラメータx1,x2は点火時期および燃料噴射時期であり、適応度関数f1,f2はHC濃度およびNOx 濃度である。 7 to 12 show examples of two parameters x 1 and x 2 and two fitness functions f 1 and f 2 . In the case of the optimization target 6 in FIG. 3, the parameters x 1 and x 2 are the ignition timing and the fuel injection timing, and the fitness functions f 1 and f 2 are the HC concentration and the NO x concentration.

(e−1)親個体集合の初期化
図7は初期化により生成される親個体集合を示す模式図であり、(a)は適応度関数空間における親個体集合を示し、(b)はパラメータ空間における親個体集合を示す。初期化においては、図7に示すように、適応度関数空間およびパラメータ空間に複数の個体がランダムに生成される。
(E-1) Initialization of parent individual set FIG. 7 is a schematic diagram showing a parent individual set generated by initialization, (a) shows a parent individual set in the fitness function space, and (b) shows parameters. Indicates the parent individual set in the space. In initialization, as shown in FIG. 7, a plurality of individuals are randomly generated in the fitness function space and the parameter space.

(e−2)個体の評価方法
多目的最適化問題においては、個体が複数の適応度関数に対応する適応度を有するため、単純な値の大小では個体の優劣を比較できない。本実施の形態では、以下に説明する優劣比較、パレートランキングおよび混雑度ソートを用いて個体を評価する。
(E-2) Individual Evaluation Method In the multi-objective optimization problem, since individuals have fitness values corresponding to a plurality of fitness functions, it is not possible to compare the superiority or inferiority of individuals with simple values. In the present embodiment, an individual is evaluated using superiority / inferiority comparison, Pareto ranking, and congestion degree sorting described below.

(e−2−1)優劣比較
図5のステップS4および図6のステップS10における優劣比較について説明する。この優劣比較には、以下に示すα優越戦略(α-domination strategy)が用いられる。なお、α優越戦略の詳紬については、例えば、非特許文献5に掲載されている。
(E-2-1) Superiority comparison In FIG. 5, the superiority comparison in step S4 of FIG. 5 and step S10 of FIG. 6 is demonstrated. For this superiority / inferiority comparison, the following α-domination strategy is used. Details of the α superiority strategy are described in Non-Patent Document 5, for example.

図8はα優越戦略を説明するための模式図である。ここで、一般に、α優越は、次のように定義される。   FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the α superiority strategy. Here, in general, α superiority is defined as follows.

あるp個の目的度関数fk(k=1,・・・,p)の2つの解x1,x2∈Fに対して次式(8)で表されるgk(x1,x2)が次の関係を有する場合、解x1は解x2にα優越する。 G k (x1, x2) represented by the following equation (8) is obtained for two solutions x1, x2∈F of a certain number of p objective functions f k (k = 1,..., P). The solution x1 is α superior to the solution x2.

k(x1,x2)≦0(∀k=1,・・・,p)∧gk(x1,x2)<0(∃k=1,・・・,p) g k (x1, x2) ≦ 0 (∀k = 1,..., p) ∧g k (x1, x2) <0 (∃k = 1,..., p)

Figure 2005285090
Figure 2005285090

上式において、fk(x1)およびfj(x1)はそれぞれ解x1に対応する目的度関数fkおよびfjの値であり、fk(x2)およびfj(x2)はそれぞれ解x2に対応する目的度関数fkおよびfjの値である。多目的遺伝的アルゴリズムでは、解x1および解x2が個体に相当し、目的関数fkおよびfjが適応度関数に相当する。 In the above equation, f k (x1) and f j (x1) are the values of the objective functions f k and f j corresponding to the solution x1, respectively, and f k (x2) and f j (x2) are the solutions x2 respectively. Are the values of the objective function f k and f j corresponding to. In the multi-objective genetic algorithm, the solutions x1 and x2 correspond to individuals, and the objective functions f k and f j correspond to fitness functions.

ここで、図8において、個体I3に注目する。一般的な優越比較によれば、個体I3から適応度関数f1に平行に延びる直線L11および個体I3から適応度関数f2に平行に延びる直線L12で個体I3が他の個体に優越する領域が定められる。すなわち、個体I3は、直線L11よりも上でかつ直線L12より右の領域にある他の個体I6,I7,I8に優越する。個体I2,I4は、個体I3により優越されない。 Here, attention is paid to the individual I3 in FIG. According to a general superiority comparison, a region where an individual I3 in a straight line L12 extending parallel from the line L11 and the individual I3 extending parallel to fitness functions f 1 from the individual I3 in fitness function f 2 is superior to other individuals Determined. That is, the individual I3 dominates the other individuals I6, I7, and I8 in the region above the straight line L11 and to the right of the straight line L12. Individuals I2 and I4 are not dominated by individual I3.

個体I2は、適応度関数f1に関しては個体I3によりもわずかに優れているが、適応度関数f2に関しては個体I3よりもかなり劣っている。個体I4は、適応度関数f2に関しては個体I3によりもわずかに優れているが、適応度関数f1に関しては個体I3よりもかなり劣っている。このような個体I2,I4の適応度が不確実性(例えばノイズ)を有する場合には、個体I2,I4は個体I3により優越される可能性がある。 Individuals I2 is with respect to fitness functions f 1 is slightly better than the two individual I3, are quite inferior individuals I3 respect fitness function f 2. Individuals I4 is with respect to fitness function f 2 are slightly better than the two individual I3, are quite inferior individuals I3 respect fitness function f 1. When the fitness of such individuals I2 and I4 has uncertainty (for example, noise), the individuals I2 and I4 may be dominated by the individual I3.

これに対して、α優越戦略によれば、個体I3から適応度関数f1の軸に近づくように傾斜した直線L1および個体I3から適応度関数f2の軸に近づくように傾斜した直線L2により個体I3が他の個体に優越する領域が定められる。すなわち、個体I3は、直線L1よりも上側でかつ直線L2より右側の領域にある個体I2,I4,I6,I7,I8に優越する。α優劣戦略によれば、個体I2,I4はパレート最適個体から排除される。 On the other hand, according to the α superiority strategy, the straight line L1 inclined so as to approach the axis of the fitness function f 1 from the individual I3 and the straight line L2 inclined so as to approach the axis of the fitness function f 2 from the individual I3. A region where the individual I3 is superior to other individuals is determined. That is, the individual I3 dominates the individuals I2, I4, I6, I7, and I8 in the region above the straight line L1 and to the right of the straight line L2. According to the α superiority / inferiority strategy, the individuals I2 and I4 are excluded from the Pareto optimal individuals.

本実施の形態では、α優越戦略により複数の適応度の推定値の重み付線形和に基づいて個体の優劣比較が行われる。α優越戦略によれば、ある個体の1つの適応度が1悪くなれば、他の適応度はα悪くなる。すなわち、優劣比較において、1つの適応度の優劣が他の適応度の優劣に影響を与える。それにより、次のように、複数の適応度間の関係を考慮した合理的な解を求めることが可能となる。   In this embodiment, individual superiority or inferiority comparison is performed based on a weighted linear sum of a plurality of fitness estimation values by an α superiority strategy. According to the α superiority strategy, if one fitness level of a certain individual gets worse by 1, the other fitness level becomes α worse. That is, in the superiority / inferiority comparison, superiority or inferiority of one fitness affects the superiority or inferiority of other fitness. As a result, it is possible to obtain a rational solution in consideration of the relationship between a plurality of fitness levels as follows.

弱パレート最適個体は、複数の適応度のうち少なくとも1つが他の個体に優越されない(すなわち少なくとも1つの適応度があるパレート最適解と等しい)解である。このような弱パレート最適個体は、ある適応度関数について最適解を有するが、残りの適応度関数についてはパレート最適個体に劣る。したがって、弱パレート最適個体は、合理的な解とは言えず、本来は求める必要の無い解である。そこで、α優越戦略を導入することにより、弱パレート最適個体を淘汰することができる。   The weak Pareto optimal individual is a solution in which at least one of the fitness values is not superior to other individuals (that is, equal to a Pareto optimal solution having at least one fitness value). Such weak Pareto optimal individuals have optimal solutions for certain fitness functions, but the remaining fitness functions are inferior to Pareto optimal individuals. Therefore, the weak Pareto optimal individual is not a reasonable solution, and is a solution that does not need to be obtained originally. Therefore, by introducing an α superiority strategy, weak Pareto optimal individuals can be deceived.

また、適応度が不確実性を伴っている場合、弱パレート最適個体が不確実性によりパレート最適個体となる現象が生じる。弱パレート最適個体が不確実性によりパレート最適個体と判定されると、いつまでも淘汰されることなく個体集合中に存続することとなり、パレート最適個体の探索が停滞する原因となる。そこで、α優越戦略を導入することにより、このようなパレート最適個体と判定される弱パレート最適個体を淘汰することが可能となる。   Further, when the fitness is accompanied by uncertainty, a phenomenon occurs in which the weak Pareto optimal individual becomes a Pareto optimal individual due to the uncertainty. If a weak Pareto optimal individual is determined to be a Pareto optimal individual due to uncertainty, it will remain in the individual set without being deceived indefinitely, causing a search for the Pareto optimal individual to stagnate. Therefore, by introducing an α superiority strategy, it is possible to deceive such weak Pareto optimal individuals determined as Pareto optimal individuals.

図9はα優劣戦略による個体の優劣比較を説明するための模式図である。   FIG. 9 is a schematic diagram for explaining individual superiority / inferiority comparison by the α superiority / inferiority strategy.

図9において、個体I3は個体I2,I4,I5,I6,I7に優越しており、個体I6は個体I8に優越しており、個体I7は個体I8に優越している。個体I1,I3,I5を優越する個体はない。よって、個体I1,I3,I5パレート最適個体である。   In FIG. 9, the individual I3 dominates the individuals I2, I4, I5, I6, and I7, the individual I6 dominates the individual I8, and the individual I7 dominates the individual I8. There is no individual superior to individuals I1, I3, and I5. Therefore, the individuals I1, I3, and I5 are Pareto optimal individuals.

(e−2−2)パレートランキング
次に、図5のステップS4および図6のステップS10のパレートランキングについて説明する。図10はパレートランキングを説明するための図である。パレートランキングでは、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。
(E-2-2) Pareto Ranking Next, the Pareto ranking in step S4 in FIG. 5 and step S10 in FIG. 6 will be described. FIG. 10 is a diagram for explaining the Pareto ranking. In the Pareto ranking, a Pareto optimal individual set is obtained based on the ranking of each individual.

i個の個体に優越されている個体xiのランクr(xi)は次式で与えられる。 The rank r (x i ) of the individual x i that is superior to the p i individuals is given by the following equation.

r(xi)=1+pi
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ことにする。
r (x i ) = 1 + pi
Here, rank 1 is the highest rank, and ranks of higher numerical values are lower ranks as the numerical values increase.

図10において、個体I1,I3,I5は他の個体に優越されていない。したがって、個体I1,I3,I5のランクは1である。個体I2,I4は1つの個体I3に優越されている。したがって、個体I2,I4のランクは2である。同様にして、個体I6のランクは6であり、個体I7のランクは5であり、個体I8のランクは8である。   In FIG. 10, individuals I1, I3, and I5 are not dominated by other individuals. Therefore, the rank of the individuals I1, I3, and I5 is 1. Individuals I2 and I4 are superior to one individual I3. Therefore, the ranks of the individuals I2 and I4 are 2. Similarly, the rank of the individual I6 is 6, the rank of the individual I7 is 5, and the rank of the individual I8 is 8.

(e−2−3)混雑度ソート
次に、図5のステップS5および図6のステップS11における混雑度ソートについて説明する。図11は混雑度ソートを説明するための模式図である。
(E-2-3) Congestion degree sort Next, the congestion degree sort in step S5 of FIG. 5 and step S11 of FIG. 6 will be described. FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the congestion degree sorting.

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11において、個体I3の混雑度は、隣接する個体I1,I5が作る長方形s1の縦および横の辺の合計で表される。個体I1の混雑度は、隣接する個体I9,I3が作る長方形s2の縦および横の辺の合計で表される。個体I5の混雑度は、隣接する個体I3,I10が作る長方形s3の縦および横の辺の合計で表される。   In FIG. 11, the degree of congestion of the individual I3 is represented by the sum of the vertical and horizontal sides of the rectangle s1 formed by the adjacent individuals I1 and I5. The degree of congestion of the individual I1 is represented by the sum of the vertical and horizontal sides of the rectangle s2 created by the adjacent individuals I9 and I3. The congestion degree of the individual I5 is represented by the sum of the vertical and horizontal sides of the rectangle s3 formed by the adjacent individuals I3 and I10.

図12は多目的進化型アルゴリズム部2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. 12 is a flowchart showing the congestion degree sorting process by the multipurpose evolutionary algorithm unit 2.

まず、多目的進化型アルゴリズム部2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S31)。   First, the multipurpose evolutionary algorithm unit 2 sorts the individual set for each fitness function, and examines two individuals adjacent to each target individual within the same rank for each fitness function (step S31).

次に、多目的進化型アルゴリズム部2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S32)。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 type algorithm unit 2 calculates a mathematical distance between two individuals adjacent to each target individual for each fitness function, and sums the mathematical distances in a plurality of fitness functions for each target individual. Is calculated as the degree of congestion (step S32). Here, the Euclidean distance is used as the mathematical distance.

その後、多目的進化型アルゴリズム部2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S33)。   Thereafter, the multi-purpose evolutionary algorithm unit 2 sorts the individuals in the individual set of each rank in descending order of the value of the degree of congestion (step S33).

(e−3)探索履歴による推定値の算出
次に、図5のステップS3および図6のステップS9における推定値の算出について説明する。
(E-3) Calculation of Estimated Value Based on Search History Next, calculation of the estimated value in step S3 in FIG. 5 and step S9 in FIG. 6 will be described.

図13は適応度推定部3の適応度推定モジュール30による推定値の算出を説明するための模式図である。   FIG. 13 is a schematic diagram for explaining calculation of an estimated value by the fitness estimation module 30 of the fitness estimation unit 3.

図1の探索履歴記憶装置31には、多目的進化型アルゴリズム部2から与えられる個体のパラメータの組および最適化対象6から出力される適応度のサンプル値の組が探索履歴HSとして順次記憶される。図13においては、個体ごとにパラメータx1,x2の組およびサンプル値F1,F2の組が探索履歴HSとして記憶されている。 In the search history storage device 31 of FIG. 1, a set of individual parameters given from the multi-objective evolution type algorithm unit 2 and a set of fitness sample values output from the optimization target 6 are sequentially stored as a search history HS. . In FIG. 13, a set of parameters x 1 and x 2 and a set of sample values F 1 and F 2 are stored as a search history HS for each individual.

適応度推定モジュール30は、探索履歴HSに基づいて各個体に対応する真の適応度を推定値として算出する。各個体に対応するパラメータの組および推定値の組は、推定結果Eとして図1の探索履歴記憶装置31に記憶される。   The fitness estimation module 30 calculates the true fitness corresponding to each individual as an estimated value based on the search history HS. A set of parameters and a set of estimated values corresponding to each individual are stored in the search history storage device 31 of FIG.

図13に示すように、探索履歴記憶装置31には、個体ごとにパラメータx1,x2の組および推定値f1’,f2'の組が推定結果Eとして記憶されている。 As shown in FIG. 13, the search history storage device 31 stores a set of parameters x 1 and x 2 and a set of estimated values f 1 ′ and f 2 ′ as estimation results E for each individual.

また、適応度推定モジュール30は、各個体のパラメータの組および推定値の組に基づいて適応度関数空間およびパラメータ空間上のパレート最適個体集合を図2の表示装置105の画面に表示することができる。   Further, the fitness estimation module 30 can display the fitness function space and the Pareto optimal individual set on the parameter space on the screen of the display device 105 in FIG. 2 based on the parameter set and the set of estimated values of each individual. it can.

図13においては、適応度関数f1,f2からなる適応度関数空間上およびパラメータx1,x2からなるパラメータ空間上にパレート最適個体集合が表示されている。パレート最適個体集合が形成する境界をパレート境界と呼ぶ。 In FIG. 13, the Pareto optimal individual set is displayed on the fitness function space including the fitness functions f 1 and f 2 and on the parameter space including the parameters x 1 and x 2 . A boundary formed by the Pareto optimal population is called a Pareto boundary.

このように、探索履歴記憶装置31に記憶された探索履歴HSを用いて個体の適応度を推定する方法をメモリベース適応度推定法(Memory-based Fitness Estimated Method:MFEM)と呼ぶ(非特許文献5参照)。   Thus, the method of estimating the fitness of an individual using the search history HS stored in the search history storage device 31 is called a memory-based fitness estimated method (MFEM) (non-patent literature). 5).

注目個体の推定値を算出する場合、一般に注目個体と探索履歴HSの個体とは異なる探索点である。また、不確実な環境を想定するため、最適化対象6に同じパラメータの組を与えても、異なるサンプル値の組が出力される。したがって、探索履歴HSのサンプル値の組から注目個体の推定値の組を算出するためには適応度関数の性質に何らかの仮定を設ける必要がある。MFEMでは、適応度関数が注目個体からの数学的距離に応じてランダムに変動すると考えて不確実な環境をモデル化している。   When calculating the estimated value of the target individual, the target individual and the individual of the search history HS are generally different search points. In addition, in order to assume an uncertain environment, even if the same parameter set is given to the optimization target 6, a set of different sample values is output. Therefore, in order to calculate the set of estimated values of the individual of interest from the set of sample values of the search history HS, it is necessary to make some assumption on the nature of the fitness function. In MFEM, an uncertain environment is modeled on the assumption that the fitness function varies randomly according to the mathematical distance from the target individual.

注目個体をxとし、その注目個体xの真の適応度をf(x)とする。パラメータ空間において注目個体xから距離dだけ離れた個体hの適応度f(h)を考える。適応度f(h)の期待値がf(x)であり、適応度f(h)の分散が距離dに比例して増大する正規分布に従うモデルは次式(1)で表される。   Let x be the target individual, and let f (x) be the true fitness of the target individual x. Consider the fitness f (h) of an individual h that is a distance d away from the target individual x in the parameter space. The expected value of the fitness f (h) is f (x), and a model that follows a normal distribution in which the variance of the fitness f (h) increases in proportion to the distance d is expressed by the following equation (1).

f(h)〜N(f(x),kd) …(1)
上式(1)において、kは距離による重みを決定する正の定数であり、N(f(x),kd)は平均がf(x)でかつ分散がkdである正規分布の確率密度関数を表す。
f (h) to N (f (x), kd) (1)
In the above equation (1), k is a positive constant that determines the weight based on distance, and N (f (x), kd) is a probability density function of a normal distribution with an average of f (x) and a variance of kd. Represents.

ここで、真の適応度f(x)には、平均0および分散σE 2 でかつ個体の位置に無関係な正規分布に従うノイズδが加わるものとする。この場合、個体xに対応するサンプル値F(x)は次式のように定義される。 Here, it is assumed that noise δ according to a normal distribution having an average of 0 and a variance σ E 2 and independent of the position of the individual is added to the true fitness f (x). In this case, the sample value F (x) corresponding to the individual x is defined as follows:

F(x)=f(x)+δ …(2)
図14は正規分布に従うノイズδを伴うサンプル値を示す模式図である。ここで、サンプル値F(x)は適応度関数f1についてのサンプル値F1(x)および適応度関数f2についてのサンプル値F2(x)の組であり、真の適応度f(x)は適応度関数f1についての真の適応度f1(x)および適応度関数f2についての真の適応度f2(x)の組である。また、ノイズδは適応度関数f1についてのノイズδ1および適応度関数f2についてのノイズδ2の組である。ノイズδi(i=1,2)は次式で表される。
F (x) = f (x) + δ (2)
FIG. 14 is a schematic diagram showing sample values with noise δ according to a normal distribution. Here, the sample value F (x) is a set of the sample value F 1 (x) for the fitness function f 1 and the sample value F 2 (x) for the fitness function f 2 , and the true fitness f ( x) is the set of true fitness f 2 (x) of the true fitness f 1 (x) and fitness function f 2 for fitness functions f 1. Also, the noise [delta] is the noise [delta] 2 of the set of the noise [delta] 1 and a fitness function f 2 for fitness functions f 1. Noise δ i (i = 1, 2) is expressed by the following equation.

δi〜N(0,σEi 2 ) (i=1,2)
上式において、N(0,σEi 2 )は平均0および分散σE 2である正規分布の確率密度関数を表す。
δ i to N (0, σ Ei 2 ) (i = 1, 2)
In the above equation, N (0, σ Ei 2 ) represents a probability density function of a normal distribution with mean 0 and variance σ E 2 .

適応度推定部3は、サンプル値F(x)の期待値を最小にするパレート最適個体集合を求める。このとき、個体hに対応するサンプル値F(h)は、次式(3.1)および(3.2)としてモデル化される。   The fitness estimating unit 3 obtains a Pareto optimal individual set that minimizes the expected value of the sample value F (x). At this time, the sample value F (h) corresponding to the individual h is modeled as the following equations (3.1) and (3.2).

F(h)〜N(f(x),kd+σE 2 ) …(3.1)
d=|h−x|・・・(3.2)
上式(3.1)において、N(f(x),kd+σE 2 )は平均がf(x)でありかつ分散がkd+σE 2 である正規分布の確率密度関数を表す。
F (h) to N (f (x), kd + σ E 2 ) (3.1)
d = | h−x | (3.2)
In the above equation (3.1), N (f (x), kd + σ E 2 ) represents a probability density function of a normal distribution having an average of f (x) and a variance of kd + σ E 2 .

図15は不確実な適応度関数のモデルを示す模式図である。このモデルでは、注目個体xから遠く離れるほどサンプル値F(h)が大きく不規則に変化するものと仮定している。   FIG. 15 is a schematic diagram showing a model of an uncertain fitness function. In this model, it is assumed that the sample value F (h) changes greatly and irregularly as the distance from the target individual x increases.

このモデルに基づいて探索履歴HSを用いた最尤法により真の適応度f(x)の推定値を算出する。   Based on this model, an estimated value of the true fitness f (x) is calculated by the maximum likelihood method using the search history HS.

探索履歴HSに記憶された個体hl(l=1,…,H)、個体hlのサンプル値F(hl)および注目個体xから個体hlまでの距離dl(l=1,…,H)を考えると、サンプル値F(hl),…,F(hH)が得られる確率は次式により表わすことができる。 Individuals stored in the search history HS h l (l = 1, ..., H), the distance d l (l = 1 from the sample value F (h l) and target individuals x individuals h l to individuals h l, ... , H), the probability of obtaining sample values F (h 1 ),..., F (h H ) can be expressed by the following equation.

Figure 2005285090
Figure 2005285090

ここで、p(F(hl),dl)は、サンプル値F(hl)が得られる確率を表す確率密度関数であり、次式で表すことができる。 Here, p (F (h l ), d l ) is a probability density function representing the probability that the sample value F (h l ) is obtained, and can be represented by the following equation.

Figure 2005285090
Figure 2005285090

ここで、k’=k/σE 2 である。本実施の形態においては、定数k’は事前実験にて求めるものとする。非特許文献4には、探索中に定数k’を推定する方法が提案されている。提案された方法により定数k’を求めてもよい。 Here, k ′ = k / σ E 2 . In the present embodiment, the constant k ′ is obtained by a preliminary experiment. Non-Patent Document 4 proposes a method for estimating a constant k ′ during a search. The constant k ′ may be obtained by the proposed method.

上記式(4)および(5)を真の適応度f(x)の尤度と考え、最尤法を用いる。それにより、真の適応度f(x)の推定値f’(x)は、次式(6)に示すように、距離dlを含む関数により重み付けされた加重平均の式で表すことができる。 The above equations (4) and (5) are considered as the likelihood of the true fitness f (x), and the maximum likelihood method is used. Thereby, the estimated value f ′ (x) of the true fitness f (x) can be expressed by a weighted average expression weighted by a function including the distance d l as shown in the following expression (6). .

Figure 2005285090
Figure 2005285090

図16は適応度推定部3の適応度推定モジュール30による推定値の算出処理を示すフローチャートである。   FIG. 16 is a flowchart showing an estimated value calculation process by the fitness estimation module 30 of the fitness estimation unit 3.

まず、適応度推定モジュール30は、多目的進化型アルゴリズム部2において親個体集合Pが初期化されたことを確認する(ステップS41)。次に、適応度推定モジュール30は、探索履歴記憶装置31の探索履歴HSをすべてクリアする(ステップS42)。   First, the fitness estimation module 30 confirms that the parent individual set P has been initialized in the multi-objective evolution type algorithm unit 2 (step S41). Next, the fitness estimation module 30 clears all the search histories HS in the search history storage device 31 (step S42).

その後、適応度推定モジュール30は、最適化対象6から出力されるサンプル値の組を探索履歴記憶装置31に探索履歴HSとして記憶する(ステップS43)。次いで、適応度推定モジュール30は、探索履歴記憶装置31の探索履歴HSに基づいて上記式(6)より各個体に対応する真の適応度の推定値の組を算出する(ステップS44)。   Thereafter, the fitness estimation module 30 stores the set of sample values output from the optimization target 6 in the search history storage device 31 as the search history HS (step S43). Next, the fitness estimation module 30 calculates a set of true fitness estimation values corresponding to each individual from the above equation (6) based on the search history HS of the search history storage device 31 (step S44).

適応度推定モジュール30は、多目的進化型アルゴリズム部2の処理が終了したか否かを判定する(ステップS45)。   The fitness estimation module 30 determines whether or not the processing of the multi-objective evolution type algorithm unit 2 has been completed (step S45).

多目的進化型アルゴリズム部2の処理が終了していない場合には、ステップS43に戻ってステップS43〜S45の処理を繰り返す。多目的進化型アルゴリズム部2の処理が終了した場合には、推定値の算出処理を終了する。   If the process of the multipurpose evolutionary algorithm unit 2 has not ended, the process returns to step S43 and the processes of steps S43 to S45 are repeated. When the process of the multipurpose evolution type algorithm unit 2 is finished, the calculation process of the estimated value is finished.

(e−4)親個体の選択から世代交代までの方法
次に、図6のステップS6の特定の親個体の選択からステップS11の世代交代までの方法を説明する。図17は特定の親個体の選択から世代交代までの方法を説明するための模式図である。
(E-4) Method from selection of parent individual to generational change Next, a method from the selection of a specific parent individual in step S6 in FIG. 6 to the generational change in step S11 will be described. FIG. 17 is a schematic diagram for explaining a method from selection of a specific parent individual to generational change.

図17(a)に示すように、パレートランキングにより親個体集合Pがランク付けされる。図17(b)に示すように、親個体集合Pのランク1の個体集合について、適応度関数空間における隣接する各2つの個体間のユークリッド距離を分布指標として算出する。本実施の形態では、適応度関数空間は、2つの適応度関数f1およびf2からなる。 As shown in FIG. 17A, the parent individual set P is ranked by Pareto ranking. As shown in FIG. 17B, for the rank 1 individual set of the parent individual set P, the Euclidean distance between each two adjacent individuals in the fitness function space is calculated as a distribution index. In the present embodiment, the fitness function space includes two fitness functions f 1 and f 2 .

ユークリッド距離が最大となる2つの個体Ia,Ibのうちいずれか1つの個体を第1の親個体Iaとして確率1/2でランダムに選択する。さらに、第2の親個体Icおよび第3の親個体Idを親個体集合Pからランダム選択で選択する。   One of the two individuals Ia and Ib having the maximum Euclidean distance is randomly selected as the first parent individual Ia with probability 1/2. Further, the second parent individual Ic and the third parent individual Id are selected from the parent individual set P by random selection.

本実施の形態においては、分布指標のユークリッド距離Lは、図17(f)に示すように、隣接する2つの個体をxおよびyとすると、次式により求められる。   In the present embodiment, the Euclidean distance L of the distribution index is obtained by the following equation, assuming that two adjacent individuals are x and y, as shown in FIG.

L=[{f1(x)−f1(y)}2 +{f2(x)−f2(y)}2 1/2 …(7)
次いで、図17(c)に示すように、第1、第2および第3の親個体Ia,Ic,Idから子個体集合Cを生成する。さらに、図17(d)に示すように、子個体集合Cおよび親個体集合Pから個体集合Fを生成し、個体集合Fに上記のα優越戦略を用いたパレートランキングを行う。このとき、子個体集合Cにおいて親個体集合Pに含まれる個体に重複する個体がある場合には、その個体に最下位ランクを付与する。
L = [{f 1 (x) −f 1 (y)} 2 + {f 2 (x) −f 2 (y)} 2 ] 1/2 (7)
Next, as shown in FIG. 17C, a child individual set C is generated from the first, second and third parent individuals Ia, Ic and Id. Further, as shown in FIG. 17 (d), an individual set F is generated from the child individual set C and the parent individual set P, and the Pareto ranking using the α superiority strategy is performed on the individual set F. At this time, if there is an individual that overlaps the individuals included in the parent individual set P in the child individual set C, the lowest rank is assigned to the individual.

その後、図17(e)に示すように、個体集合Fに混雑度ソートを行い、個体のランクおよび各ランク内の混雑度に基づいて所定数の個体を選択し、残りの個体を削除する。それにより、新たな親個体集合Pを生成する。このようにして、世代交代が行われる。   Thereafter, as shown in FIG. 17E, the degree of congestion is sorted into the individual set F, a predetermined number of individuals are selected based on the rank of the individuals and the degree of congestion within each rank, and the remaining individuals are deleted. Thereby, a new parent individual set P is generated. In this way, generational changes are made.

図18は子個体集合Cの生成処理を説明するための模式図である。図18(a)はパラメータ空間上の親個体集合Pを示し、図18(b)はパラメータ空間上の子個体集合Cを示す。子個体集合Cの個体I21のパラメータx1,x2が親個体集合Pの個体I11のパラメータx1,x2と一致する場合には、個体I21には最下位ランクが付与される。同様に、子個体集合Cの個体I22のパラメータx1,x2が親個体集合Pの個体I12のパラメータx1,x2と一致する場合には、個体I22には最下位ランクが付与される。 FIG. 18 is a schematic diagram for explaining the generation process of the child individual set C. FIG. 18A shows a parent individual set P in the parameter space, and FIG. 18B shows a child individual set C in the parameter space. When the parameters x 1 and x 2 of the individual I 21 of the child individual set C match the parameters x 1 and x 2 of the individual I 11 of the parent individual set P, the lowest rank is assigned to the individual I 21. Similarly, when the parameters x 1 and x 2 of the individual I 22 of the child individual set C match the parameters x 1 and x 2 of the individual I 12 of the parent individual set P, the lowest rank is assigned to the individual I 22. .

なお、特定の親個体の選択方法は、本実施の形態に限定されず、ランク1の個体集合からユークリッド距離Lが最大となる2つの個体を第1および第2の親個体として選択し、第3の親個体を親個体集合Pからランダム選択、ルーレット選択またはトーナメント選択等の方法により選択してもよい。   Note that the method for selecting a specific parent individual is not limited to the present embodiment, and the two individuals having the maximum Euclidean distance L from the rank 1 individual set are selected as the first and second parent individuals. Three parent individuals may be selected from the parent individual set P by a method such as random selection, roulette selection, or tournament selection.

図19は多目的進化型アルゴリズム部2による特定の親個体の選択処理を示すフローチャートである。   FIG. 19 is a flowchart showing a process of selecting a specific parent individual by the multipurpose evolution type algorithm unit 2.

まず、多目的進化型アルゴリズム部2は、親個体集合Pから選択されたランク1の個体集合を適応度関数ごとにソートする(ステップS51)。   First, the multi-purpose evolutionary algorithm unit 2 sorts the rank-1 individual set selected from the parent individual set P for each fitness function (step S51).

次に、多目的進化型アルゴリズム部2は、ランク1の個体集合において隣接する2つの個体間のユークリッド距離を算出する(ステップS52)。   Next, the multipurpose evolutionary algorithm unit 2 calculates the Euclidean distance between two adjacent individuals in the rank-1 individual set (step S52).

さらに、多目的進化型アルゴリズム部2は、最大のユークリッド距離を与える2つの個体のうち1つの個体を第1の親個体として確率1/2でランダムに選択し、第2の親個体および第3の親個体を親個体集合Pからランダム選択で選択する(ステップS53)。   Furthermore, the multi-objective evolution type algorithm unit 2 randomly selects one of the two individuals giving the maximum Euclidean distance as the first parent individual with a probability of 1/2, and the second parent individual and the third A parent individual is selected from the parent individual set P by random selection (step S53).

本実施の形態では、第1、第2および第3の親個体から交叉操作により子個体が生成される。交叉操作としては、例えば、UNDX(単峰性正規分布交叉:Unimodal Normal Distribution Crossover)が用いられる。   In the present embodiment, a child individual is generated from the first, second, and third parent individuals by a crossover operation. For example, UNDX (Unimodal Normal Distribution Crossover) is used as the crossover operation.

図20はUNDXによる子個体の生成処理を示す模式図である。UNDXでは、第1の親個体P1、第2の親個体P2および第3の親個体P3の位置関係に基づいて定められる正規分布乱数に従って子個体C1を生成する。この場合、第1の親個体P1と第2の親個体P2とを結ぶ軸AXの周辺の正規分布に従って子個体C1が生成されるので、子個体C1が第1〜第3の親個体P1〜P3から遠くに離れた位置に生成されることがない。   FIG. 20 is a schematic diagram showing child individual generation processing by UNDX. In UNDX, a child individual C1 is generated in accordance with a normal distribution random number determined based on a positional relationship among the first parent individual P1, the second parent individual P2, and the third parent individual P3. In this case, since the child individual C1 is generated according to the normal distribution around the axis AX connecting the first parent individual P1 and the second parent individual P2, the child individual C1 is the first to third parent individuals P1 to P1. It is not generated at a position far away from P3.

(f)第1の実施の形態の効果
本実施の形態に係る多目的最適化装置1においては、上式(6)により探索履歴記憶装置31に記憶された各個体に対応するサンプル値の組に重み付けが行われ、重み付けられた複数組のサンプル値の線形和を用いて注目個体に対応する適応度の推定値の組が求められる。
(F) Effects of the First Embodiment In the multi-objective optimization apparatus 1 according to this embodiment, the sample values corresponding to each individual stored in the search history storage device 31 according to the above equation (6) are used. Weighting is performed, and a set of fitness estimated values corresponding to the individual of interest is obtained using a linear sum of a plurality of sets of weighted sample values.

各個体の重みは、パラメータ空間上で注目個体とその個体との距離を含む関数であるので、真の適応度からの誤差が十分に小さい推定値を得ることができる。したがって、最適化対象から出力されるサンプル値が不確実性を有する場合でも、適切なパレート最適個体集合を得ることができる。   Since the weight of each individual is a function including the distance between the target individual and the individual in the parameter space, an estimated value with a sufficiently small error from the true fitness can be obtained. Therefore, even when the sample value output from the optimization target has uncertainty, an appropriate Pareto optimal individual set can be obtained.

また、α優越戦略により複数の適応度関数の各々について個体集合の複数の個体に対応する推定値の優劣が比較され、複数の適応度関数の各々についての比較結果に重み付けが行われる。そして、複数の適応度関数について重み付けられた複数の比較結果の線形和に基づいて個体集合の複数の個体のランク付けが行われる。それにより、最適化対象が不確実性を有する場合でも、複数の適応度間の関係を考慮した合理的なパレート最適個体を求めることが可能となる。   Further, the superiority or inferiority of the estimated values corresponding to a plurality of individuals in the individual set is compared for each of the plurality of fitness functions by the α superiority strategy, and the comparison result for each of the plurality of fitness functions is weighted. A plurality of individuals in the individual set are ranked based on a linear sum of a plurality of comparison results weighted with respect to the plurality of fitness functions. Thereby, even when the optimization target has uncertainty, it is possible to obtain a rational Pareto optimal individual considering the relationship between a plurality of fitness levels.

さらに、適応度関数空間上での最上位ランクの個体の分布において、隣接する個体間の距離を分布指標として用いることにより、疎らな領域に新たな子個体を容易に生成することができる。それにより、最上位ランクの個体を適応度関数空間上の広い領域に偏りなく分布するように生成することが可能となる。したがって、多様性を有するパレート最適個体を容易に得ることができる。   Further, in the distribution of individuals of the highest rank in the fitness function space, a new child individual can be easily generated in a sparse region by using the distance between adjacent individuals as a distribution index. As a result, individuals with the highest rank can be generated so as to be distributed evenly over a wide area in the fitness function space. Therefore, Pareto optimal individuals having diversity can be easily obtained.

さらに、生成された新たな子個体が親個体集合の個体と重複する場合に、新たな子個体に最下位ランクが付与される。それにより、パレート最適個体の探索初期には、緩やかに悪い個体を減少させることができ、パレート最適個体の探索後期には、パレート最適個体の多様性を維持することができる。   Furthermore, when the generated new child individual overlaps with an individual in the parent individual set, the lowest rank is assigned to the new child individual. Thereby, bad individuals can be gradually reduced in the initial stage of searching for the Pareto optimal individual, and diversity of the Pareto optimal individual can be maintained in the latter stage of searching for the Pareto optimal individual.

また、適応度推定部3により算出された推定値の組に基づいてパレート最適個体が表示装置105の画面上に表示される。それにより、使用者は、パレート最適個体を視覚的に認識することができるので、種々の意思決定を容易に行うことができる。   Further, the Pareto optimal individual is displayed on the screen of the display device 105 based on the set of estimated values calculated by the fitness estimating unit 3. As a result, the user can visually recognize the Pareto optimal individual and can easily make various decisions.

(2)第2の実施の形態
次に、本発明の第2の実施の形態に係るに多目的最適化装置について説明する。本実施の形態に係る多目的最適化装置は、図1および図2に示した構成を有する。また、本実施の形態に係る多目的最適化装置の全体処理は、図5および図6に示した処理と同様である。
(2) Second Embodiment Next, a multi-objective optimization apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. The multipurpose optimization apparatus according to the present embodiment has the configuration shown in FIGS. Further, the overall processing of the multi-objective optimization apparatus according to the present embodiment is the same as the processing shown in FIGS.

本実施の形態が第1の実施の形態と異なるのは、図5のステップS3および図6のステップS9における推定値の算出方法および図6のステップS6における特定の親個体の選択方法である。   The present embodiment differs from the first embodiment in the estimated value calculation method in step S3 in FIG. 5 and step S9 in FIG. 6 and the specific parent individual selection method in step S6 in FIG.

(a)推定値の算出
本実施の形態では、真の適応度f(x)の推定値f’(x)は、改良された推定式により算出される。
(A) Calculation of Estimated Value In the present embodiment, the estimated value f ′ (x) of the true fitness f (x) is calculated by an improved estimation formula.

Figure 2005285090
Figure 2005285090

上式(9)に示すように、推定値f’(x)はパラメータ空間上の距離dlの3乗を含む関数により重み付けされた加重平均の式で表される。 As shown in the above equation (9), the estimated value f ′ (x) is represented by a weighted average equation weighted by a function including the cube of the distance d 1 in the parameter space.

上式(9)によれば、注目個体から探索履歴HS内の個体までの距離が短いほど重みが大きくなる。一方、注目個体から探索履歴HS内の個体までの距離が長くなると、極端に重みが小さくなる。したがって、注目個体から離れた個体は推定値f’(x)の算出にほとんど寄与しない。   According to the above equation (9), the shorter the distance from the target individual to the individual in the search history HS, the greater the weight. On the other hand, when the distance from the individual of interest to the individual in the search history HS increases, the weight becomes extremely small. Therefore, an individual away from the target individual hardly contributes to the calculation of the estimated value f ′ (x).

図21は探索履歴記憶装置31に記憶された探索履歴に基づく個体の探索を示す模式図である。図21(a)は単目的最適化における探索初期の個体集合を示し、図21(b)は多目的最適化における探索初期の個体集合を示し、図21(c)は単目的最適化における探索後期の個体集合を示し、図21(d)は多目的最適化における探索後期の個体集合を示す。   FIG. 21 is a schematic diagram showing an individual search based on the search history stored in the search history storage device 31. FIG. 21 (a) shows an initial set of individuals in single-objective optimization, FIG. 21 (b) shows an initial set of individuals in multi-objective optimization, and FIG. 21 (c) shows a late search in single-objective optimization. FIG. 21 (d) shows an individual set in the latter half of the search in the multi-objective optimization.

図21(a),(c)の縦軸は適応度関数fを示し、横軸はパラメータxを示す。図21(b),(d)の縦軸は適応度関数f2を示し、横軸は適応度関数f1を示す。 21A and 21C, the vertical axis represents the fitness function f, and the horizontal axis represents the parameter x. In FIGS. 21B and 21D, the vertical axis represents the fitness function f 2 and the horizontal axis represents the fitness function f 1 .

探索初期には、図21(a),(b)に示すように複数の個体が分散している。探索後期には、単目的最適化では、図21(c)に示すように個体があるパラメータの値の近傍に集中し、多目的最適化では、図21(d)に示すように複数の個体がパレート最適個体集合を形成する。   At the beginning of the search, a plurality of individuals are dispersed as shown in FIGS. In the latter half of the search, in single-objective optimization, individuals are concentrated in the vicinity of a certain parameter value as shown in FIG. 21 (c), and in multi-objective optimization, a plurality of individuals are arranged as shown in FIG. 21 (d). Form a Pareto optimal population.

このように、多目的最適化では、個体が適応度関数空間の広い範囲に分散するので、式(9)を用いることにより、注目個体から遠く離れた個体の寄与が小さくなるので、推定値の精度が高くなる。   In this way, in multi-objective optimization, individuals are dispersed over a wide range of the fitness function space. Therefore, the use of equation (9) reduces the contribution of individuals far away from the target individual, so that the accuracy of the estimated value can be reduced. Becomes higher.

(b)特定の親個体の選択から世代交代までの方法
図22は親個体の選択から世代交代までの方法を説明するための模式図である。本実施の形態では、3つの適応度関数f1,f2,f3の例が示される。
(B) Method from Selection of Specific Parent Individual to Generation Change FIG. 22 is a schematic diagram for explaining a method from selection of a parent individual to generation change. In the present embodiment, examples of three fitness functions f 1 , f 2 , and f 3 are shown.

図22(a)に示すように、パレートランキングにより親個体集合Pがランク付けされている。図22(b)に示すように、親個体集合Pのランク1の個体集合について、適応度関数空間における隣接する各3つの個体が形成する三角形の面積を分布指標として算出する。   As shown in FIG. 22A, the parent individual set P is ranked by Pareto ranking. As shown in FIG. 22B, the area of a triangle formed by each of the three adjacent individuals in the fitness function space is calculated as a distribution index for the rank 1 individual set of the parent individual set P.

三角形の形成には、ドローネ三角形分割(Delaunay Triangulation)の方法を用いる(非特許文献6参照)。   For the formation of the triangle, Delaunay Triangulation is used (see Non-Patent Document 6).

ここで、ドローネ三角形分割について簡単に説明する。ドローネ三角形分割は、計算幾何学(Computational Geometry)の中で重要な概念であるボロノイ図(Voronoi Diagram)の双対図形である。平面(空間)上の点集合の三角形分割の中で、種々の意味で最適な三角形分割として知られており、コンピュータグラフィクスにおけるメッシュ生成または有限要素法等にも用いられる。ドローネ三角形分割は、分割された三角形の最小角を最大にする分割方法であり、アルゴリズムとして逐次添加法、分割統治法または幾何変換を用いる方法等がある。なお、ドローネ三角形分割の詳細については、例えば非特許文献7に記載されている。   Here, Delaunay triangulation will be briefly described. Delaunay triangulation is a dual figure of Voronoi Diagram, which is an important concept in computational geometry. Among the triangulation of a point set on a plane (space), it is known as an optimal triangulation in various meanings, and is also used for mesh generation in computer graphics or a finite element method. Delaunay triangulation is a division method for maximizing the minimum angle of a divided triangle, and examples include an algorithm using a sequential addition method, a division rule method, or a geometric transformation. The details of Delaunay triangulation are described in Non-Patent Document 7, for example.

最大の三角形の面積を与える3つの個体IA,IB,ICのうちいずれか1つの個体を第1の親個体IAとして確率1/3でランダムに選択する。さらに、第2の親個体IDおよび第3の親個体IEを親個体集合Pからランダム選択で選択する。   Any one of the three individuals IA, IB, and IC giving the maximum triangular area is selected at random with a probability of 1/3 as the first parent individual IA. Further, the second parent individual ID and the third parent individual IE are selected from the parent individual set P by random selection.

次いで、図22(c)に示すように、第1、第2および第3の親個体IA,ID,IEから子個体集合Cを生成する。さらに、図22(d)に示すように、子個体集合Cおよび親個体集合Pから個体集合Fを生成し、個体集合Fに上記のα優越戦略を用いたパレートランキングを行う。このとき、子個体集合Cにおいて親個体集合Pに含まれる個体に重複する個体がある場合には、その個体に最下位ランクを付与する。   Next, as shown in FIG. 22C, a child individual set C is generated from the first, second, and third parent individuals IA, ID, IE. Further, as shown in FIG. 22 (d), an individual set F is generated from the child individual set C and the parent individual set P, and the Pareto ranking using the α superiority strategy is performed on the individual set F. At this time, if there is an individual that overlaps the individuals included in the parent individual set P in the child individual set C, the lowest rank is assigned to the individual.

その後、図22(e)に示すように、個体集合Fに混雑度ソートを行い、個体のランクおよび各ランク内の順位に基づいて所定数の個体を選択し、残りの個体を削除する。それにより、新たな親個体集合Pを生成する。このようにして、世代交代が行われる。   Thereafter, as shown in FIG. 22E, the degree of congestion is sorted into the individual set F, a predetermined number of individuals are selected based on the rank of the individuals and the rank within each rank, and the remaining individuals are deleted. Thereby, a new parent individual set P is generated. In this way, generational changes are made.

なお、特定の親個体の選択方法は、本実施の形態に限定されず、最大の三角形の面積を与える3つの個体を第1、第2および第3の親個体として選択してもよく、あるいは最大の三角形の面積を与える3つの個体のうち2つを第1および第2の親個体として選択し、第3の親個体を親個体集合Pからランダム選択、ルーレット選択またはトーナメント選択等の方法により選択してもよい。   Note that the method for selecting a specific parent individual is not limited to the present embodiment, and three individuals giving the largest triangular area may be selected as the first, second and third parent individuals, or Two of the three individuals giving the largest triangular area are selected as the first and second parent individuals, and the third parent individual is selected from the parent individual set P by a method such as random selection, roulette selection or tournament selection. You may choose.

また、パラメータが3つ以上の場合には、多親拡張された交叉方法、例えばUNDX−m等を用いてもよい。   In addition, when there are three or more parameters, a cross-parent extended crossover method such as UNDX-m may be used.

図24は多目的進化型アルゴリズム部2による特定の親個体の選択処理を示すフローチャートである。   FIG. 24 is a flowchart showing a process of selecting a specific parent individual by the multipurpose evolution type algorithm unit 2.

まず、多目的進化型アルゴリズム部2は、親個体集合Pから選択されたランク1の個体集合をfi−fj平面に正射影する(ステップS61)。ここで、fiおよびfjは適応度関数である。i,j=1,2,3であり、かつi≠jであり、それらの組み合わせは世代ごとに変化させる。 First, multi-objective evolutionary algorithm unit 2 orthogonal projection of an individual set of rank 1 selected from the parent population of individuals P to f i -f j plane (step S61). Here, f i and f j are fitness functions. i, j = 1, 2, 3 and i ≠ j, and the combination thereof is changed for each generation.

次に、多目的進化型アルゴリズム部2は、正射影した個体集合のドローネ三角形分割を行う(ステップS62)。   Next, the multi-objective evolution type algorithm unit 2 performs Delaunay triangulation of the orthogonally projected individual set (step S62).

さらに、多目的進化型アルゴリズム部2は、ドローネ三角形分割されたランク1の個体集合に適応度関数fkの成分を高さ成分として与え、複数の三角形を3次元空間上に展開する(ステップS63)。ここで、k≠i,jである。 Further, the multi-objective evolution type algorithm unit 2 gives a component of the fitness function f k as a height component to the Delaunay triangulated rank 1 individual set, and develops a plurality of triangles in a three-dimensional space (step S63). . Here, k ≠ i, j.

次いで、多目的進化型アルゴリズム部2は、3次元空間上に展開された複数の三角形の面積をそれぞれ算出する(ステップS64)。   Next, the multi-objective evolution type algorithm unit 2 calculates the areas of a plurality of triangles developed in the three-dimensional space (step S64).

面積最大の三角形を形成する3つの個体のうち1つの個体を第1の親個体として確率1/3でランダムに選択し、親個体集合Pから2つの個体を第2の親個体および第3の親個体としてランダム選択で選択する(ステップS65)。   One of the three individuals forming the triangle with the largest area is randomly selected as the first parent individual with a probability of 1/3, and two individuals from the parent individual set P are selected as the second parent individual and the third A parent individual is selected by random selection (step S65).

(c)第2の実施の形態の効果
本実施の形態に係る多目的最適化装置1においては、上式(9)により探索履歴記憶装置31に記憶された各個体に対応するサンプル値の組に重み付けが行われ、重み付けられた複数組のサンプル値の線形和を用いて注目個体に対応する適応度の推定値の組が求められる。
(C) Effects of Second Embodiment In the multi-objective optimization apparatus 1 according to this embodiment, a set of sample values corresponding to each individual stored in the search history storage device 31 by the above equation (9) is used. Weighting is performed, and a set of fitness estimated values corresponding to the individual of interest is obtained using a linear sum of a plurality of sets of weighted sample values.

各個体の重みは、パラメータ空間上で注目個体とその個体との距離の3乗を含む関数であるので、パラメータ空間上で注目個体から遠く離れた他の個体の影響が十分に小さくなる。それにより、真の適応度からの誤差が十分に小さい推定値を得ることができる。したがって、最適化対象から出力されるサンプル値が不確実性を有する場合でも、適切なパレート最適個体集合を得ることができる。   Since the weight of each individual is a function including the cube of the distance between the target individual and the individual in the parameter space, the influence of other individuals far away from the target individual in the parameter space is sufficiently small. Thereby, an estimated value with a sufficiently small error from the true fitness can be obtained. Therefore, even when the sample value output from the optimization target has uncertainty, an appropriate Pareto optimal individual set can be obtained.

また、適応度関数空間上での最上位ランクの個体の分布において、隣接する3つの個体を頂点とする三角形の面積を分布指標として用いることにより、疎らな領域に新たな子個体を容易に生成することができる。それにより、最上位ランクの個体を適応度関数空間上の広い領域に偏りなく分布するように生成することが可能となる。したがって、多様性を有するパレート最適個体を容易に得ることができる。   In addition, in the distribution of individuals with the highest rank in the fitness function space, a new child individual can be easily generated in a sparse region by using the area of a triangle with three adjacent individuals as vertices as a distribution index. can do. As a result, individuals with the highest rank can be generated so as to be distributed evenly over a wide area in the fitness function space. Therefore, Pareto optimal individuals having diversity can be easily obtained.

(3)他の実施の形態
(a)拡張された推定式
上記の推定式(4)および(9)を一般化すると、次式のようになる。
(3) Other Embodiments (a) Extended Estimation Formula When the above estimation expressions (4) and (9) are generalized, the following expression is obtained.

Figure 2005285090
Figure 2005285090

上式(10)において、nは任意の自然数である。第1の実施の形態の推定式(4)はn=1の場合を示し、第2の実施の形態の推定式(9)はn=3の場合を示す。n=3が好ましいが、nが他の自然数であってもよい。   In the above formula (10), n is an arbitrary natural number. The estimation formula (4) of the first embodiment shows a case where n = 1, and the estimation formula (9) of the second embodiment shows a case where n = 3. Although n = 3 is preferable, n may be another natural number.

このように、注目個体の真の適応度の推定値は、ノイズ成分を有する適応度のサンプル値を用いずに、探索履歴HSにおける他の個体の推定値の重み付け線形和により算出される。それにより、サンプル値が不確実性を有する場合でも、パレート最適個体を安定に探索することができる。   Thus, the estimated value of the true fitness of the individual of interest is calculated by the weighted linear sum of the estimated values of other individuals in the search history HS without using the fitness sample value having a noise component. Thereby, even when the sample value has uncertainty, the Pareto optimal individual can be searched stably.

また、パラメータ空間上で注目個体と他の個体との距離のn乗の関数を含む重みが用いられるので、推定値の算出が広範囲に広がる他の個体の影響を大きく受けることが防止される。したがって、推定値を高精度に算出することができる。   In addition, since a weight including a function of the nth power of the distance between the target individual and another individual is used in the parameter space, the estimation value is prevented from being greatly influenced by other individuals spreading over a wide range. Therefore, the estimated value can be calculated with high accuracy.

(b)親個体の選択
第1の実施の形態で示されるように、2目的最適化問題では、特定の親個体の選択のための分布指標として個体間の距離が用いられる。また、第2の実施の形態で示されるように、3目的最適化問題では、特定の親個体の選択のための分布指標として3つの個体が形成する三角形の面積が用いられる。
(B) Selection of parent individuals As shown in the first embodiment, in the two-purpose optimization problem, the distance between individuals is used as a distribution index for selecting a specific parent individual. Further, as shown in the second embodiment, in the three-purpose optimization problem, a triangular area formed by three individuals is used as a distribution index for selecting a specific parent individual.

特定の親個体の選択のための分布指標をm目的最適化問題に拡張した場合、分布指標は、適応度関数空間上で隣接するm個の個体が形成する単体(simplex)の大きさである。mは2以上の自然数である。上記の単体は、ドローネ三角形分割により形成することができる。   When the distribution index for selecting a specific parent individual is expanded to an m-objective optimization problem, the distribution index is the size of a simplex formed by m individuals adjacent in the fitness function space. . m is a natural number of 2 or more. The simple substance can be formed by Delaunay triangulation.

図24はm目的最適化問題に拡張された分布指標を示す図である。図24に示すように、2目的の場合には、分布指標は隣接する2つの個体間を結ぶ直線の長さであり、3目的の場合には、分布指標は隣接する3つの個体を頂点とする三角形の面積であり、4目的の場合には、分布指標は隣接する4つの個体を頂点とする三角錐の体積である。分布指標は4次元単体の大きさであり、底体積×高さ÷4により算出される。5目的の場合には、分布指標は5次元単体の大きさであり、底4次元面積×高さ÷5により算出される。(m+1)目的の場合には、分布指標はm次元単体の大きさであり、底(m−1)次元面積×高さ÷mにより算出される。   FIG. 24 is a diagram showing a distribution index extended to the m-object optimization problem. As shown in FIG. 24, in the case of two purposes, the distribution index is the length of a straight line connecting two adjacent individuals, and in the case of three purposes, the distribution index has three adjacent individuals as vertices. In the case of four purposes, the distribution index is the volume of a triangular pyramid having four adjacent individuals as vertices. The distribution index is a size of a four-dimensional simple substance, and is calculated by bottom volume × height ÷ 4. In the case of five purposes, the distribution index is the size of a five-dimensional simple substance, and is calculated by the following equation: bottom 4D area × height / 5. In the case of (m + 1) purpose, the distribution index is the size of a single m-dimension, and is calculated from the base (m−1) -dimensional area × height / m.

このように、分布指標に基づいて特定の親個体を選択することにより、適応度関数空間上で分布が疎らな領域で積極的な個体の探索が行われる。それにより、広い領域で個体の探索が行われるので、推定値を高精度に算出することができるとともに、適応度関数空間上の広い領域で均等にパレート最適個体を見出すことができる。   In this way, by selecting a specific parent individual based on the distribution index, an active individual search is performed in a region where the distribution is sparse in the fitness function space. Thereby, since an individual is searched in a wide area, an estimated value can be calculated with high accuracy, and a Pareto optimal individual can be found equally in a wide area on the fitness function space.

(c)エンジンシミュレータへの適応例
図25は多目的最適化装置をエンジンシミュレータに適用した例を示すブロック図である。
(C) Application Example to Engine Simulator FIG. 25 is a block diagram showing an example in which the multi-objective optimization device is applied to an engine simulator.

図25の最適化対象6aはエンジンシミュレータである。エンジンシミュレータは、例えばパーソナルコンピュータからなる。この最適化対象6aは、多目的最適化装置1から与えられるパラメータの組に基づいてエンジンの動作のシミュレーションを行い、シミュレーション結果を適応度のサンプル値の組として多目的最適化装置1に出力する。   The optimization target 6a in FIG. 25 is an engine simulator. The engine simulator is composed of a personal computer, for example. The optimization target 6a simulates the operation of the engine based on a set of parameters given from the multipurpose optimization apparatus 1, and outputs a simulation result to the multipurpose optimization apparatus 1 as a set of fitness sample values.

本実施の形態では、複数の適応度関数としては、燃費、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。 In the present embodiment, the plurality of fitness functions include fuel consumption, torque, and concentrations of components such as CO (carbon monoxide), HC (hydrocarbon), and NO x (nitrogen oxide) contained in engine exhaust gas. Etc. are set.

また、パラメータとしては、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。   The parameters include fuel injection amount, fuel injection timing, ignition timing, throttle opening, and the like.

図25の多目的最適化装置1によれば、適応度関数の組およびパラメータの組を設定することにより、パレート最適個体集合を効率良く求めることができる。   According to the multi-objective optimization apparatus 1 of FIG. 25, the Pareto optimal individual set can be efficiently obtained by setting the fitness function set and the parameter set.

(d)モータ評価装置への適応例
図26は多目的最適化装置をモータ評価装置に適用した例を示すブロック図である。
(D) Application Example to Motor Evaluation Device FIG. 26 is a block diagram showing an example in which the multi-objective optimization device is applied to a motor evaluation device.

図26の最適化対象6bはモータ評価装置である。モータ評価装置は、モータ、制御回路および各種検出回路により構成される。この最適化対象6bは、多目的最適化装置1から与えられる個体のパラメータの組に基づいてモータを制御するとともにモータの複数の性能項目を測定し、測定結果を適応度のサンプル値の組として多目的最適化装置1に出力する。   The optimization target 6b in FIG. 26 is a motor evaluation device. The motor evaluation device includes a motor, a control circuit, and various detection circuits. The optimization target 6b controls the motor based on a set of individual parameters given from the multi-purpose optimization apparatus 1, measures a plurality of performance items of the motor, and uses the measurement results as a set of fitness sample values. Output to the optimization device 1.

複数の適応度関数としては、立ち上がり時間、整定時間、オーバーシュート量、消費電流等のうち複数が設定される。   As the plurality of fitness functions, a plurality of functions such as rise time, settling time, overshoot amount, and current consumption are set.

また、パラメータとしては、PID(比例積分微分:Proportional Integral Derivative)ゲイン、駆動電流等が挙げられる。   The parameters include PID (Proportional Integral Derivative) gain, drive current, and the like.

ここで、トレードオフの関係としては、立ち上がり時間とオーバーシュート量、立ち上がり時間と消費電流、整定時間とオーバーシュート量等が挙げられる。   Here, the trade-off relationship includes rise time and overshoot amount, rise time and current consumption, settling time and overshoot amount, and the like.

図26の多目的最適化装置1によれば、適応度関数の組およびパラメータの組を設定することにより、パレート最適個体集合を効率良く求めることができる。   According to the multi-objective optimization apparatus 1 of FIG. 26, the Pareto optimal individual set can be efficiently obtained by setting the fitness function set and the parameter set.

また、パレート最適個体集合をリアルタイムに算出することにより実環境に即したモータのリアルタイム制御を行うことも可能である。   It is also possible to perform real-time control of the motor in accordance with the actual environment by calculating the Pareto optimal population in real time.

(e)モータシミュレータへの適応例
図27は多目的最適化装置をモータシミュレータに適用した例を示すブロック図である。
(E) Application Example to Motor Simulator FIG. 27 is a block diagram showing an example in which the multipurpose optimization device is applied to a motor simulator.

図27の最適化対象6cはモータシミュレータである。モータシミュレータは、例えばパーソナルコンピュータからなる。この最適化対象6cは、多目的最適化装置1から与えられるパラメータの組に基づいてモータの動作のシミュレーションを行い、シミュレーション結果を適応度のサンプル値の組として多目的最適化装置1に出力する。   The optimization target 6c in FIG. 27 is a motor simulator. The motor simulator is composed of a personal computer, for example. The optimization target 6c performs a simulation of motor operation based on a set of parameters given from the multipurpose optimization apparatus 1, and outputs a simulation result to the multipurpose optimization apparatus 1 as a set of fitness sample values.

複数の適応度関数としては、立ち上がり時間、整定時間、オーバーシュート量、消費電流等のうち複数が設定される。また、パラメータとしては、PIDゲイン、駆動電流等が挙げられる。   As the plurality of fitness functions, a plurality of functions such as rise time, settling time, overshoot amount, and current consumption are set. The parameters include PID gain, drive current, and the like.

図27の多目的最適化装置1によれば、適応度関数の組およびパラメータの組を設定することにより、パレート最適個体集合を効率良く求めることができる。   According to the multi-objective optimization apparatus 1 of FIG. 27, the Pareto optimal individual set can be efficiently obtained by setting the fitness function set and the parameter set.

(f)多目的進化型アルゴリズムの他の例
上記実施の形態では、多目的進化型アルゴリズムとして遺伝的アルゴリズム(GA)を用いているが、これに限定されず、遺伝的アルゴリズムの代わりに、進化戦略(ES:Evolution Strategy)等の同様のアイデアに基づく計算法を用いてもよい。
(F) Other examples of multi-objective evolutionary algorithm In the above embodiment, the genetic algorithm (GA) is used as the multi-objective evolutionary algorithm. However, the present invention is not limited to this, and instead of the genetic algorithm, an evolution strategy ( A calculation method based on a similar idea such as ES (Evolution Strategy) may be used.

なお、GA、ES等の計算法は、進化アルゴリズム(EAs:Evolutionary Algorithms)または進化計算(Evolutionary Computation)と総称される。   Note that calculation methods such as GA and ES are collectively referred to as evolutionary algorithms (EAs) or evolutionary computation (Evolutionary Computation).

(g)4以上の目的への適用
上記実施の形態では、2目的および3目的の最適化を例に挙げて説明したが、本発明は、4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4以上の適応度関数が設定される。
(G) Application to four or more objectives In the above-described embodiment, the two-objective and three-objective optimizations have been described as examples. However, the present invention is similarly applied to optimization of four or more objectives. be able to. In this case, four or more fitness functions having a trade-off relationship are set.

(h)世代交代方法
上記の図6のステップS10において、子個体集合Cのうち親個体集合Pの個体と重複しない個体を親個体集合Pの下位の個体と入れ換えることにより新たな親個体集合Pを生成してもよい。
(H) Generation change method In step S10 of FIG. 6 described above, a new parent individual set P is obtained by replacing an individual that does not overlap with an individual of the parent individual set P in the child individual set C with an individual lower in the parent individual set P. May be generated.

この場合、パレート最適個体の探索初期には、緩やかに悪い個体を減少させることができるとともに、パレート最適個体の探索後期には、パレート最適個体の多様性を維持することができる。   In this case, in the initial stage of searching for the Pareto optimal individual, it is possible to reduce the number of bad individuals gradually and maintain the diversity of the Pareto optimal individual in the latter stage of searching for the Pareto optimal individual.

(i)親個体の再評価
上記実施の形態においては、親個体の再評価を行っているが、実システムまたは大規模シミュレーションにおいて個体の評価回数に制限がある場合には、子個体のみ再評価してもよい。それにより、評価回数を低減することが可能になる。
(I) Re-evaluation of parent individual In the above embodiment, the parent individual is re-evaluated. However, if there is a limit to the number of individual evaluations in a real system or large-scale simulation, only the child individual is re-evaluated. May be. Thereby, the number of evaluations can be reduced.

(j)サンプル値の取得の制限
探索履歴記憶装置31に記憶されるサンプル値の量が所定の記憶容量に達した時点で探索履歴記憶装置31へのサンプル値の取得を終了してもよい。それにより、以後は探索履歴記憶装置31に記憶された探索履歴HSに基づいて推定値を算出し、算出された推定値に基づいてパレート最適個体の探索を進めることが可能になる。
(J) Restriction on Acquisition of Sample Value When the amount of sample values stored in the search history storage device 31 reaches a predetermined storage capacity, the acquisition of sample values in the search history storage device 31 may be terminated. As a result, the estimated value is calculated based on the search history HS stored in the search history storage device 31 and the search for the Pareto optimal individual can proceed based on the calculated estimated value.

(k)ランク付け
上記実施の形態では、パレートランキングにより複数の個体のランク付けが行われているが、これに限定されず、非優越ソート等の他の方法を用いて複数の個体がランク付けされてもよい。
(K) Ranking In the above embodiment, a plurality of individuals are ranked by Pareto ranking. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of individuals are ranked using other methods such as non-dominant sorting. May be.

(l)各部の実現方法
上記実施の形態では、多目的進化型アルゴリズム部2、適応度推定モジュール30および探索履歴記憶部31がCPU101およびプログラムにより実現されるが、多目的進化型アルゴリズム部2、適応度推定モジュール30および探索履歴記憶部31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。
(L) Realization Method of Each Part In the above embodiment, the multi-objective evolution algorithm part 2, the fitness estimation module 30 and the search history storage part 31 are realized by the CPU 101 and the program. Part or all of the estimation module 30 and the search history storage unit 31 may be realized by hardware such as an electronic circuit.

(4)実施例1および比較例1
以下の実施例1では、第1の実施の形態に係る多目的最適化装置によりベンチマーク問題を実行した。また、比較例1では、選択オペレータを除いて第1の実施の形態に係る多目的最適化装置と同様の多目的最適化装置によりベンチマーク問題を実行した。
(4) Example 1 and Comparative Example 1
In Example 1 below, the benchmark problem was executed by the multi-objective optimization apparatus according to the first embodiment. In Comparative Example 1, the benchmark problem is executed by a multi-objective optimization device similar to the multi-objective optimization device according to the first embodiment except for the selection operator.

図28は比較例1および実施例1の多目的最適化の条件を示す図である。図28(a)は比較例1の多目的最適化の条件を示し、図28(b)は実施例1の多目的最適化の条件を示し、図28(c)は比較例1および実施例1において実行するベンチマーク問題を示す。   FIG. 28 is a diagram showing conditions for multi-objective optimization in Comparative Example 1 and Example 1. FIG. 28 (a) shows the conditions for multi-objective optimization of Comparative Example 1, FIG. 28 (b) shows the conditions for multi-objective optimization of Example 1, and FIG. 28 (c) shows the results of Comparative Example 1 and Example 1. Indicates the benchmark problem to be performed.

図28(a)に示すように、比較例1において、個体集合サイズは100であり、世代数は30であり、評価回数は3000である。ただし、評価回数は親個体の再評価を含む。また、比較例1では、選択オペレータとしてバイナリトーナメント選択を用い、交叉オペレータとしてUNDXを用いる。   As shown in FIG. 28A, in Comparative Example 1, the individual set size is 100, the number of generations is 30, and the number of evaluations is 3000. However, the number of evaluations includes reevaluation of the parent individual. In Comparative Example 1, binary tournament selection is used as the selection operator, and UNDX is used as the crossover operator.

図28(b)に示すように、実施例1において、個体集合サイズは100であり、世代数は300であり、評価回数は3000である。また、実施例1では、選択オペレータとして第1の実施の形態の選択方法(図17に示した特定の親個体の選択方法)を用い、交叉オペレータとしてUNDXを用いる。さらに、図17に示した世代交代方法を用いた。   As shown in FIG. 28B, in Example 1, the individual set size is 100, the number of generations is 300, and the number of evaluations is 3000. In Example 1, the selection method of the first embodiment (the method for selecting a specific parent individual shown in FIG. 17) is used as the selection operator, and UNDX is used as the crossover operator. Further, the generation change method shown in FIG. 17 was used.

比較例1および実施例1において、定数k'(=(k1 ,k2 )は予備実験にて決定し、k1=k2=1000とする。また、実施例1のα優越戦略におけるα(=(α12 ,α21 )は0.1とする。 In Comparative Example 1 and Example 1, the constant k ′ (= (k 1 , k 2 ) is determined by a preliminary experiment and is set to k 1 = k 2 = 1000, and α in the α superiority strategy of Example 1 (= (Α 12 , α 21 ) is assumed to be 0.1.

ここで、評価回数とは、(世代数×子個体の数+初期個体集合の個体の数)で求められる。   Here, the number of evaluations is obtained by (number of generations × number of child individuals + number of individuals in the initial individual set).

実施例1および比較例1では、ベンチマーク問題として図28(c)に示す2問題ZDT1およびZDT2を用いた(非特許文献8参照)。   In Example 1 and Comparative Example 1, two problems ZDT1 and ZDT2 shown in FIG. 28C were used as benchmark problems (see Non-Patent Document 8).

ZDT1は、パレート最適解集合が凸型のパレート境界を有する2目的最適化問題である。ZDT2は、パレート最適解集合が凹型のパレート境界を有する2目的最適化問題である。ここで、ZDT1およびZDT2を2変数2目的関数の最小化問題とした。また、それぞれの目的関数には適当なノイズを加える。なお、このZDT1,ZDT2は弱パレート最適解を持つ。   ZDT1 is a two-objective optimization problem in which the Pareto optimal solution set has a convex Pareto boundary. ZDT2 is a two-objective optimization problem in which the Pareto optimal solution set has a concave Pareto boundary. Here, ZDT1 and ZDT2 are the minimization problems of the two-variable dual objective function. Appropriate noise is added to each objective function. The ZDT1 and ZDT2 have weak Pareto optimal solutions.

図29は比較例1および実施例1において50世代目に得られたパレート最適個体集合を示す図である。図29(a)は、サンプル値がノイズを含まない状態で比較例1の最適化により得られたパレート最適個体集合を示し、丸印は真の適応度であり、実線はパレート境界である。図29(b)は、サンプル値がノイズを含む状態で比較例1の最適化により得られたパレート最適解集合を示し、丸印はノイズを有さない真の適応度であり、菱形は推定値であり、実線はパレート境界である。図29(c)は、サンプル値がノイズを含む状態で実施例1の最適化により得られたパレート最適個体集合を示し、丸印はノイズを有さない真の適応度であり、菱形は推定値であり、実線はパレート境界である。   FIG. 29 is a diagram showing the Pareto optimal individual set obtained in the 50th generation in Comparative Example 1 and Example 1. FIG. FIG. 29A shows a Pareto optimal individual set obtained by the optimization of Comparative Example 1 in a state in which the sample value does not include noise, a circle indicates true fitness, and a solid line indicates a Pareto boundary. FIG. 29B shows a Pareto optimal solution set obtained by the optimization of Comparative Example 1 in a state where the sample value includes noise. The circles indicate true fitness without noise, and the diamonds indicate estimation. The solid line is the Pareto boundary. FIG. 29 (c) shows the Pareto optimal individual set obtained by the optimization of Example 1 in a state where the sample value includes noise, the circles indicate true fitness without noise, and the diamonds indicate estimations. The solid line is the Pareto boundary.

サンプル値がノイズを含まない状態で比較例1により最適化を行うと、図29(a)に示すように、真の適応度および推定値が凸型および凹型のパレート境界に沿った形状を有する。   When optimization is performed according to Comparative Example 1 in a state where the sample value does not include noise, as shown in FIG. 29A, the true fitness and the estimated value have shapes along the convex and concave Pareto boundaries. .

しかしながら、サンプル値がノイズを含む状態で比較例1により最適化を行うと、図29(b)に示すように、真の適応度および推定値が共にバラバラに散在し、パレート境界に到達しない個体が多く存在し、さらに弱パレート最適個体がパレート最適個体となっている様子がわかる。   However, when optimization is performed according to Comparative Example 1 in a state where the sample value includes noise, as shown in FIG. 29 (b), the true fitness and the estimated values are scattered together and the individual that does not reach the Pareto boundary. It can be seen that there are many and that the weak Pareto optimal individuals are Pareto optimal individuals.

これに対して、サンプル値がノイズを含む状態で実施例1により最適化を行うと、図29(c)に示すように、真の適応度および推定値が共にほとんど偏りない分布で凸型および凹型のパレート境界に到達しており、さらに弱パレート最適個体が排除されている様子がわかる。   On the other hand, when the optimization is performed according to the first embodiment in a state in which the sample value includes noise, as shown in FIG. It can be seen that the concave Pareto boundary has been reached, and that weak Pareto optimal individuals have been excluded.

このように、第1の実施の形態に係る多目的最適化装置によれば、α優越戦略を用いることにより、弱パレート最適解を持つ2目的最適化問題においても、弱パレート最適個体を排除するとともに、パレート最適個体集合における推定値を高精度に算出することができる。それにより、真の適応度および推定値をパレート境界に到達させることが可能となる。   As described above, according to the multi-objective optimization apparatus according to the first embodiment, by using the α superiority strategy, the weak Pareto optimal individual is excluded even in the bi-objective optimization problem having the weak Pareto optimal solution. The estimated value in the Pareto optimal individual set can be calculated with high accuracy. Thereby, the true fitness and the estimated value can be reached at the Pareto boundary.

(5)実施例2および比較例2
以下の実施例2では、第2の実施の形態に係る多目的最適化装置によりベンチマーク問題を実行した。また、比較例2では、選択オペレータを除いて第2の実施の形態に係る多目的最適化装置と同様の多目的最適化装置によりベンチマーク問題を実行した。
(5) Example 2 and Comparative Example 2
In Example 2 below, the benchmark problem was executed by the multi-objective optimization apparatus according to the second embodiment. In Comparative Example 2, the benchmark problem was executed by a multi-objective optimization device similar to the multi-objective optimization device according to the second embodiment except for the selection operator.

図30は比較例2および実施例2の多目的最適化の条件を示す図である。図30(a)は比較例2の多目的最適化の条件を示し、図30(b)は実施例2の多目的最適化の条件を示し、図30(c)は比較例2および実施例2において実行するベンチマーク問題を示す。   FIG. 30 is a diagram showing conditions for multi-objective optimization in Comparative Example 2 and Example 2. 30 (a) shows the conditions for multi-objective optimization of Comparative Example 2, FIG. 30 (b) shows the conditions for multi-objective optimization of Example 2, and FIG. 30 (c) shows the results of Comparative Example 2 and Example 2. Indicates the benchmark problem to be performed.

図30(a)に示すように、比較例2において、個体集合サイズは100であり、世代数は30であり、評価回数は3000である。ただし、評価回数は親個体の再評価を含む。また、比較例2では、選択オペレータとしてバイナリトーナメント選択を用い、交叉オペレータとしてUNDXを用いる。   As shown in FIG. 30A, in Comparative Example 2, the individual set size is 100, the number of generations is 30, and the number of evaluations is 3000. However, the number of evaluations includes reevaluation of the parent individual. In Comparative Example 2, binary tournament selection is used as the selection operator, and UNDX is used as the crossover operator.

図30(b)に示すように、実施例2において、個体集合サイズは100であり、世代数は300であり、評価回数は3000である。また、実施例2では、選択オペレータとして第2の実施の形態の選択方法(図22に示した特定の親個体の選択方法)を用い、交叉オペレータとしてUNDXを用いる。さらに、図22に示した世代交代方法を用いた。   As shown in FIG. 30B, in Example 2, the individual set size is 100, the number of generations is 300, and the number of evaluations is 3000. In Example 2, the selection method of the second embodiment (the method for selecting a specific parent individual shown in FIG. 22) is used as the selection operator, and UNDX is used as the crossover operator. Furthermore, the generation change method shown in FIG. 22 was used.

比較例2および実施例2において、定数k'(=k1 ,k2 ,k3 )は予備実験にて決定し、k1 =k2 =k3 =100000とする。また、実施例2のα優越戦略におけるα(=α12 =α23 =α31 )は0.1とする。 In Comparative Example 2 and Example 2, the constant k ′ (= k 1 , k 2 , k 3 ) is determined in a preliminary experiment, and k 1 = k 2 = k 3 = 100000. Further, α (= α 12 = α 23 = α 31 ) in the α superiority strategy of the second embodiment is set to 0.1.

実施例2および比較例2では、ベンチマーク問題として図30(c)に示す2問題DTLZ2を用いた。   In Example 2 and Comparative Example 2, two-problem DTLZ2 shown in FIG. 30C was used as a benchmark problem.

DTLZ2は、パレート最適解集合が凹型のパレート境界を有する3目的最適化問題である。ここで、DTLZ2を3変数3目的関数の最小化問題とした。また、それぞれの目的関数には適当なノイズを加える。   DTLZ2 is a 3-objective optimization problem in which the Pareto optimal solution set has a concave Pareto boundary. Here, DTLZ2 is set as a three-variable 3-objective minimization problem. Appropriate noise is added to each objective function.

図31は比較例2および実施例2において得られたパレート最適個体集合を示す図である。図31(a)は、サンプル値がノイズを含まない状態で比較例2の最適化により得られたパレート最適個体集合を示し、丸印は真の適応度であり、実線はパレート境界である。図31(b)は、サンプル値がノイズを含む状態で比較例2の最適化により得られたパレート最適解集合を示し、丸印はノイズを有さない真の適応度であり、菱形は推定値であり、実線はパレート境界である。図31(c)は、サンプル値がノイズを含む状態で実施例2の最適化により得られたパレート最適個体集合を示し、丸印はノイズを有さない真の適応度であり、菱形は推定値であり、実線はパレート境界である。   FIG. 31 is a diagram showing the Pareto optimal population obtained in Comparative Example 2 and Example 2. FIG. 31A shows the Pareto optimal individual set obtained by the optimization of Comparative Example 2 in a state where the sample value does not include noise, the circle is the true fitness, and the solid line is the Pareto boundary. FIG. 31 (b) shows the Pareto optimal solution set obtained by the optimization of Comparative Example 2 in a state where the sample value includes noise, the circles indicate the true fitness without noise, and the diamonds indicate the estimation. The solid line is the Pareto boundary. FIG. 31 (c) shows a Pareto optimal individual set obtained by the optimization of Example 2 in a state where the sample value includes noise, the circles indicate true fitness without noise, and the diamonds indicate estimations. The solid line is the Pareto boundary.

サンプル値がノイズを含まない状態で比較例2により最適化を行うと、図31(a)に示すように、真の適応度および推定値が凹型のパレート境界に沿った形状を有する。   When optimization is performed according to the comparative example 2 in a state where the sample value does not include noise, as shown in FIG. 31A, the true fitness and the estimated value have a shape along the concave Pareto boundary.

しかしながら、サンプル値がノイズを含む状態で比較例2により最適化を行うと、図31(b)に示すように、真の適応度および推定値が共にバラバラに散在し、パレート境界に到達しない個体が多く存在する。   However, when optimization is performed according to Comparative Example 2 in a state where the sample value includes noise, as shown in FIG. 31 (b), the true fitness and estimated values are scattered together and the individual that does not reach the Pareto boundary There are many.

これに対して、サンプル値がノイズを含む状態で実施例2により最適化を行うと、図31(c)に示すように、真の適応度および推定値が共にほとんど偏りない分布で凹型のパレート境界に到達している。   On the other hand, when the optimization is performed according to the second embodiment in a state in which the sample value includes noise, as shown in FIG. 31 (c), a concave Pareto with a distribution in which both the true fitness and the estimated value are hardly biased. The boundary has been reached.

このように、第2の実施の形態に係る多目的最適化装置によれば、上記の特定の親個体の選択方法および世代交代方法を用いることにより、3目的最適化問題においても、パレート最適個体集合における推定値を高精度に算出することができる。それにより、真の適応度および推定値をパレート境界に到達させることが可能となる。   As described above, according to the multi-objective optimization apparatus according to the second embodiment, the Pareto optimal individual set can be obtained even in the 3-objective optimization problem by using the above-described specific parent individual selection method and generation change method. Can be calculated with high accuracy. Thereby, the true fitness and the estimated value can be reached at the Pareto boundary.

(6)実施例3
以下の実施例3では、図1の多目的最適化装置1により図3の最適化対象6の多目的最適化を実行した。
(6) Example 3
In Example 3 below, the multi-objective optimization of the optimization target 6 in FIG. 3 was executed by the multi-objective optimization apparatus 1 in FIG.

多目的最適化装置1からパラメータとして点火時期および燃料噴射時期を最適化対象6のECU62に与える。最適化対象6のコントローラ64により車速および空燃比を一定に制御し、多目的最適化装置1から与えられるパラメータに基づいてECU62により点火時期および燃料噴射時期を変化させ、排気ガス分析計63によりHC濃度およびNOx濃度を分析する。分析されたHC濃度およびNOx濃度はサンプル値として多目的最適化装置1に出力される。 The multi-purpose optimizing device 1 gives the ignition timing and the fuel injection timing as parameters to the ECU 62 to be optimized. The vehicle speed and air-fuel ratio are controlled to be constant by the controller 64 to be optimized 6, the ignition timing and the fuel injection timing are changed by the ECU 62 based on the parameters given from the multi-purpose optimization device 1, and the HC concentration by the exhaust gas analyzer 63 and analyzing the concentration of NO x. The analyzed HC concentration and NO x concentration are output to the multipurpose optimization apparatus 1 as sample values.

図32は実施例3の多目的最適化の条件を示す図である。図32に示すように、実施例3において、個体集合サイズは50であり、子個体集合サイズは10であり、世代数は23であり、評価回数は280である。また、実施例3では、選択オペレータとして第1の実施の形態の選択方法(図17に示した特定の親個体の選択方法)を用い、交叉オペレータとしてUNDXを用いる。定数k’(=k1 =k2 )は100000であり、世代交代方法としては第1の実施の形態の方法(図17に示した世代交代方法)を用いる。 FIG. 32 is a diagram illustrating conditions for multi-objective optimization according to the third embodiment. As shown in FIG. 32, in Example 3, the individual set size is 50, the child individual set size is 10, the number of generations is 23, and the number of evaluations is 280. In Example 3, the selection method of the first embodiment (the method for selecting a specific parent individual shown in FIG. 17) is used as the selection operator, and UNDX is used as the crossover operator. The constant k ′ (= k 1 = k 2 ) is 100,000, and the method of the first embodiment (generation change method shown in FIG. 17) is used as the generation change method.

図33は実施例3において得られたサンプル値および推定値を示す図である。図33の縦軸はNOx濃度であり、横軸はHC濃度である。縦軸および横軸の値は正規化された値である。丸印は23世代(280個体)のサンプル値を示し、菱形印は最終世代の推定値を示す。 FIG. 33 is a diagram showing sample values and estimated values obtained in Example 3. The vertical axis in FIG. 33 is the NO x concentration, and the horizontal axis is the HC concentration. The values on the vertical axis and the horizontal axis are normalized values. Circle marks indicate sample values of 23 generations (280 individuals), and diamond marks indicate estimated values of the final generation.

図34は実施例3において得られた最終世代のパレート最適個体の推定値を適応度関数空間上に示す図である。図34の縦軸はNOx濃度であり、横軸はHC濃度である。縦軸および横軸の値は正規化された値である。 FIG. 34 is a diagram showing on the fitness function space the estimated values of the Pareto optimal individuals of the final generation obtained in the third embodiment. The vertical axis in FIG. 34 is the NO x concentration, and the horizontal axis is the HC concentration. The values on the vertical axis and the horizontal axis are normalized values.

図35は実施例3において得られた最終世代のパレート最適個体のパラメータをパラメータ空間上に示す図である。図35の縦軸は燃料噴射時期であり、横軸は点火時期である。縦軸および横軸の値は正規化された値である。   FIG. 35 is a diagram showing the parameters of the Pareto optimal individual of the final generation obtained in Example 3 on the parameter space. The vertical axis in FIG. 35 is the fuel injection timing, and the horizontal axis is the ignition timing. The values on the vertical axis and the horizontal axis are normalized values.

図34および図35では、推定値とパラメータとの関係が容易にわかるように、複数のパレート最適個体が3つの系列1〜3に分類されている。菱形印は系列1のパレート最適個体を示し、四角印は系列2のパレート最適個体を示し、三角印は系列3のパレート最適個体を示す。   34 and 35, a plurality of Pareto optimal individuals are classified into three series 1 to 3 so that the relationship between the estimated value and the parameter can be easily understood. A diamond mark indicates a Pareto optimal individual of series 1, a square mark indicates a Pareto optimal individual of series 2, and a triangle indicates a Pareto optimal individual of series 3.

系列1はHC濃度が良くNOx濃度が悪い領域であり、系列2はHC濃度とNOx濃度とが平衡する領域であり、系列3はHC濃度が悪くNOx濃度が良い領域である。図35から、噴射時期を早く点火時期の値を小さくするとHC濃度が改善され、噴射時期を遅く点火時期の値を大きくするとNOx濃度が改善されることがわかる。 Series 1 is a region well concentration of NO x is HC concentration poor, sequence 2 is an area for equilibrium and HC concentration and concentration of NO x, sequence 3 is poor concentration of NO x is HC concentration is a good region. From FIG. 35, it can be seen that the HC concentration is improved if the ignition timing is decreased earlier and the ignition timing value is decreased, and the NO x concentration is improved if the injection timing is delayed later and the ignition timing value is increased.

(7)請求項の構成要素と実施の形態の各部との対応
上記実施の形態では、探索履歴記憶装置31が記憶部に相当し、適応度推定モジュール30が推定部に相当し、多目的進化型アルゴリズム部2が演算部に相当する。
(7) Correspondence between the constituent elements of the claims and each part of the embodiment In the above embodiment, the search history storage device 31 corresponds to the storage part, the fitness estimation module 30 corresponds to the estimation part, and the multi-objective evolution type The algorithm unit 2 corresponds to a calculation unit.

本発明は、実システムまたは不確実性を有するシミュレーション等の最適化対象のパラメータ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 parameter to be optimized such as a real system or an uncertain simulation.

本発明の第1の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。It is a block diagram which shows the functional structure of the multi-objective optimization apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1の多目的最適化装置のハードウエア構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the hardware constitutions of the multi-objective optimization apparatus of FIG. 最適化対象の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the optimization object. HC濃度、NOx濃度およびCO濃度と空燃比との関係を示す図である。HC concentration, is a diagram showing a relationship between concentration of NO x and CO concentration and the air-fuel ratio. 図1の多目的最適化装置の全体処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the whole process of the multi-objective optimization apparatus of FIG. 図1の多目的最適化装置の全体処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the whole process of the multi-objective optimization apparatus of FIG. 初期化により生成される親個体集合を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the parent individual set produced | generated by initialization. α優越戦略を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating alpha superiority strategy. α優劣戦略による個体の優劣比較を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the dominance comparison of the individual by alpha dominance strategy. パレートランキングを説明するための図である。It is a figure for demonstrating Pareto ranking. 混雑度ソートを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating congestion degree sorting. 多目的進化型アルゴリズム部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。It is a flowchart which shows the process of the congestion degree sort by a multipurpose evolution type algorithm part. 適応度推定部の適応度推定モジュールによる推定値の算出を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating calculation of the estimated value by the fitness estimation module of a fitness estimation part. 正規分布に従うノイズを伴うサンプル値を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the sample value with the noise according to normal distribution. 不確実な適応度関数のモデルを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the model of an uncertain fitness function. 適応度推定部の適応度推定モジュールによる推定値の算出処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the calculation process of the estimated value by the fitness estimation module of a fitness estimation part. 特定の親個体の選択から世代交代までの方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the method from selection of a specific parent individual to generational change. 子個体集合の生成処理を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the production | generation process of a child individual set. 多目的進化型アルゴリズム部による特定の親個体の選択処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the selection process of the specific parent individual by a multipurpose evolution type algorithm part. UNDXによる子個体の生成処理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the production | generation process of the child individual by UNDX. 探索履歴記憶装置に記憶された探索履歴に基づく個体の探索を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the search of the individual based on the search history memorize | stored in the search history memory | storage device. 親個体の選択から世代交代までの方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the method from selection of a parent individual to generational change. 多目的進化型アルゴリズム部による親個体の選択処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the selection process of the parent individual by a multipurpose evolution type algorithm part. m目的最適化問題に拡張された分布指標を示す図である。It is a figure which shows the distribution parameter | index extended to the m objective optimization problem. 多目的最適化装置をエンジンシミュレータに適用した例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the example which applied the multipurpose optimization apparatus to the engine simulator. 多目的最適化装置をモータ評価装置に適用した例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the example which applied the multipurpose optimization apparatus to the motor evaluation apparatus. 多目的最適化装置をモータシミュレータに適用した例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the example which applied the multipurpose optimization apparatus to the motor simulator. 比較例1および実施例1の多目的最適化の条件を示す図である。It is a figure which shows the conditions of the multipurpose optimization of the comparative example 1 and Example 1. FIG. 比較例1および実施例1において50世代目に得られたパレート最適個体集合を示す図である。It is a figure which shows the Pareto optimal individual set obtained in the 50th generation in the comparative example 1 and Example 1. FIG. 比較例2および実施例2の多目的最適化の条件を示す図である。It is a figure which shows the conditions of the multipurpose optimization of the comparative example 2 and Example 2. FIG. 比較例2および実施例2において得られたパレート最適個体集合を示す図である。It is a figure which shows the Pareto optimal individual set obtained in the comparative example 2 and Example 2. FIG. 実施例3の多目的最適化の条件を示す図である。It is a figure which shows the conditions of the multipurpose optimization of Example 3. 実施例3において得られたサンプル値および推定値を示す図である。It is a figure which shows the sample value and estimated value which were obtained in Example 3. 実施例3において得られた最終世代のパレート最適個体の推定値を適応度関数空間上に示す図である。It is a figure which shows the estimated value of the Pareto optimal individual of the last generation obtained in Example 3 on a fitness function space. 実施例3において得られた最終世代のパレート最適個体のパラメータをパラメータ空間上に示す図である。It is a figure which shows the parameter of the Pareto optimal individual of the last generation obtained in Example 3 on parameter space. 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。It is a figure which shows the example which applied the multi-objective optimization problem to engine optimization. パレート最適解について説明するための図である。It is a figure for demonstrating a Pareto optimal solution.

符号の説明Explanation of symbols

1 多目的最適化装置
2 多目的進化型アルゴリズム部
3 適応度推定部
4 出力インタフェース
5 入力インタフェース
6 最適化対象
10 使用者
30 適応度推定モジュール
31 探索履歴記憶装置
61 エンジン
62 ECU(エンジン制御ユニット)
63 排気ガス分析計
64 コントローラ
65 スロットルユニット
66 ダイナモ
101 CPU(中央演算処理装置)
102 ROM(リードオンリメモリ)
103 RAM(ランダムアクセスメモリ)
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
C 子個体集合
l 距離
1,f2 適応度関数
F 個体集合
HS 探索履歴
I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8,I9,I10,I11,I12,I21,I22 個体
L1,L2,L11,L12 直線
P 親個体集合
P1 第1の親個体
P2 第2の親個体
P3 第3の親個体
s1,s2,s3 長方形
1,x2 パラメータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Multiobjective optimization apparatus 2 Multiobjective evolution type algorithm part 3 Fitness estimation part 4 Output interface 5 Input interface 6 Optimization object 10 User 30 Fitness estimation module 31 Search history storage device 61 Engine 62 ECU (engine control unit)
63 Exhaust gas analyzer 64 Controller 65 Throttle unit 66 Dynamo 101 CPU (Central processing unit)
102 ROM (read only memory)
103 RAM (Random Access Memory)
104 Input Device 105 Display Device 106 External Storage Device 107 Recording Medium Drive Device 108 Input / Output Interface 109 Recording Medium C Child Individual Set d l Distance f 1 , f 2 Fitness Function F Individual Set HS Search History I1, I2, I3, I4 , I5, I6, I7, I8, I9, I10, I11, I12, I21, I22 Individual L1, L2, L11, L12 Straight line P Parent individual set P1 First parent individual P2 Second parent individual P3 Third parent Individual s1, s2, s3 rectangle x 1 , x 2 parameters

Claims (22)

最適化対象に個体のパラメータの組を与え、複数の目的に対応する複数の適応度関数についての適応度のサンプル値の組を前記最適化対象から受ける多目的最適化装置であって、
個体のパラメータの組および前記最適化対象から出力される適応度のサンプル値の組を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された複数の個体に対応する複数組のサンプル値に基づいて注目個体に対応する真の適応度の推定値の組を求める推定部と、
前記推定部により求められた推定値に基づいて新たな個体を生成し、生成された個体のパラメータの組を前記最適化対象および前記記憶部に与えるとともに、前記推定部により求められた複数組の推定値に基づいて評価用個体集合を多目的進化型アルゴリズムに従って評価することによりパレート最適個体集合を求める演算部とを備え、
前記推定部は、
前記記憶部に記憶された各個体に対応するサンプル値の組に重み付けを行い、重み付けられた複数組のサンプル値の線形和を求めることにより、注目個体に対応する適応度の推定値の組を求め、各個体の前記重みは、パラメータ空間上で注目個体とその個体との距離を含む関数であり、
前記演算部は、
前記複数の適応度関数の各々について前記評価用個体集合の複数の個体に対応する推定値の優劣を比較し、前記複数の適応度関数の各々についての比較結果に重み付けを行い、前記複数の適応度関数について重み付けられた複数の比較結果の線形和に基づいて前記評価用個体集合の複数の個体のランク付けを行い、
適応度関数空間上で前記評価用個体集合の最上位ランクの個体の分布における疎の程度を表す分布指標に基づいて新たな個体を生成することを特徴とする多目的最適化装置。
A multi-objective optimization apparatus that gives a set of individual parameters to an optimization target and receives a set of fitness sample values for a plurality of fitness functions corresponding to a plurality of objectives from the optimization target,
A storage unit for storing a set of individual parameters and a set of fitness sample values output from the optimization target;
An estimation unit for obtaining a set of true fitness estimation values corresponding to an individual of interest based on a plurality of sets of sample values corresponding to a plurality of individuals stored in the storage unit;
A new individual is generated based on the estimated value obtained by the estimation unit, a set of parameters of the generated individual is given to the optimization target and the storage unit, and a plurality of sets obtained by the estimation unit A computing unit that obtains a Pareto optimal individual set by evaluating the evaluation individual set according to the multi-objective evolutionary algorithm based on the estimated value;
The estimation unit includes
By weighting a set of sample values corresponding to each individual stored in the storage unit and obtaining a linear sum of a plurality of sets of weighted sample values, a set of fitness estimated values corresponding to the individual of interest is obtained. And the weight of each individual is a function including the distance between the individual of interest and the individual on the parameter space,
The computing unit is
For each of the plurality of fitness functions, the superiority and inferiority of the estimated values corresponding to the plurality of individuals of the evaluation individual set are compared, the comparison result for each of the plurality of fitness functions is weighted, and the plurality of adaptation functions Ranking a plurality of individuals of the evaluation individual set based on a linear sum of a plurality of comparison results weighted for a degree function;
A multi-objective optimization device, characterized in that a new individual is generated based on a distribution index representing a degree of sparseness in a distribution of individuals of the highest rank of the evaluation individual set on a fitness function space.
前記推定部は、前記記憶部に記憶された複数の個体をhlとし、注目個体xに対応するサンプル値の組をF(x)とし、パラメータ空間上で注目個体から距離dl離れた個体に対応するサンプル値の組をF(hl)とし、k’を係数とし、l=1,…,Hとし、nを自然数とした場合に、
Figure 2005285090
で表される推定式により注目個体xに対応する真の適応度の推定値の組f’(x)を算出することを特徴とする請求項1記載の多目的最適化装置。
The estimation unit sets h l as a plurality of individuals stored in the storage unit, sets F (x) as a set of sample values corresponding to the target individual x, and sets a distance d l from the target individual in the parameter space. If the set of sample values corresponding to is F (h l ), k ′ is a coefficient, l = 1,..., H, and n is a natural number,
Figure 2005285090
The multi-objective optimization apparatus according to claim 1, wherein a set f ′ (x) of true fitness estimation values corresponding to the target individual x is calculated using the estimation formula represented by:
前記nは1であることを特徴とする請求項2記載の多目的最適化装置。 3. The multi-objective optimization apparatus according to claim 2, wherein n is 1. 前記nは3であることを特徴とする請求項2記載の多目的最適化装置。 3. The multi-objective optimization apparatus according to claim 2, wherein n is 3. 前記演算部は、p個の目的に対応するp個の適応度関数のうち一の適応度関数についての個体x1およびx2に対応する適応度の推定値をfk(x1)およびfk(x2)とし、p個の適応度関数のうち他の適応度関数についての個体x1およびx2に対応する適応度の推定値をfj(x1)およびfj(x2)とし、kおよびjを1,…,pとし、kはjとは異なり、αkjを重みとし、次式で表されるgk(x1,x2)がk=1,・・・,pのすべてに関してgk(x1,x2)≦0を満足しかつk=1,・・・,pの少なくとも1つに関してgk(x1,x2)<0の関係を有する場合に、個体x1が個体x2に優越すると判定することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の多目的最適化装置。
Figure 2005285090
The arithmetic unit calculates fitness estimates corresponding to individuals x1 and x2 for one fitness function among the p fitness functions corresponding to p objectives, f k (x1) and f k (x2). ), The fitness estimates corresponding to individuals x1 and x2 for the other fitness functions among the p fitness functions are f j (x1) and f j (x2), and k and j are 1, ..., and p, k is different from j, α kj and weights, g k (x1, x2) is k = 1, which is represented by the following formula, ···, g for all p k (x1, x2 ) ≦ 0 is satisfied, and when at least one of k = 1,..., P has a relationship of g k (x1, x2) <0, it is determined that the individual x1 is superior to the individual x2 The multi-objective optimization apparatus according to any one of claims 1 to 4.
Figure 2005285090
前記複数の目的が2以上のm目的である場合に、前記分布指標はm個の目的に対応する適応度関数空間上で注目個体に隣接するm個の個体が形成する単体の大きさであり、
前記演算部は、前記単体の大きさに基づいて疎の程度が最も高い個体を選択し、選択された個体を用いて新たな個体を生成することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の多目的最適化装置。
When the plurality of objectives are two or more m objectives, the distribution index is a single size formed by m individuals adjacent to the target individual in the fitness function space corresponding to the m objectives. ,
The calculation unit selects an individual with the highest degree of sparseness based on the size of the unit, and generates a new individual using the selected individual. Multipurpose optimization device as described in 1.
前記複数の目的が2目的である場合に、前記単体の大きさは適応度関数空間上で注目個体に隣接する2個体を結ぶ直線の長さで表され、前記複数の目的が3目的である場合に、前記単体の大きさは適応度関数空間上で中膜個体に隣接する3個体を頂点とする三角形の面積で表され、前記複数の目的が4目的である場合に、前記単体の大きさは適応度関数空間上で注目個体に隣接する4個体を頂点とする三角錐の体積で表されることを特徴とする請求項6記載の多目的最適化装置。 When the plurality of objectives are two objectives, the size of the single object is represented by a length of a straight line connecting two individuals adjacent to the target individual in the fitness function space, and the plurality of objectives is the three objectives. In this case, the size of the single unit is represented by an area of a triangle having apexes of three individuals adjacent to the medial individual in the fitness function space, and when the plurality of purposes is four purposes, the size of the single unit 7. The multi-objective optimization apparatus according to claim 6, wherein the multi-objective optimization apparatus is represented by a volume of a triangular pyramid having four individuals adjacent to the target individual in the fitness function space. 前記複数の目的が4以上のm目的である場合に、前記単体の大きさは適応度関数空間上で注目個体に隣接するm個の個体が形成する単体の底(m−1)次元面積×高さ/mにより表されることを特徴とする請求項6記載の多目的最適化装置。 In the case where the plurality of objectives are m objectives of 4 or more, the size of the simple substance is the bottom (m-1) dimensional area of the simple substance formed by m individuals adjacent to the target individual in the fitness function space × The multi-objective optimization apparatus according to claim 6, which is expressed by height / m. 前記複数の目的が3以上の目的である場合に、前記単体はドローネ三角形分割法により形成されることを特徴とする請求項6記載の多目的最適化装置。 7. The multi-objective optimization apparatus according to claim 6, wherein when the plurality of objectives are three or more objectives, the simple substance is formed by Delaunay triangulation. 前記演算部は、生成された新たな個体が前記評価用個体集合の個体と異なる場合に、前記新たな個体を前記評価用個体集合の下位ランクの個体と置換することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の多目的最適化装置。 The arithmetic unit replaces the new individual with a lower-ranked individual in the evaluation individual set when the generated new individual is different from the individual in the evaluation individual set. The multipurpose optimization apparatus in any one of -9. 前記演算部は、生成された新たな個体が前記評価用個体集合の個体と重複する場合に、前記新たな個体に最下位ランクを付与することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の多目的最適化装置。 10. The calculation unit according to claim 1, wherein when the generated new individual overlaps with an individual of the evaluation individual set, the arithmetic unit assigns a lowest rank to the new individual. Multipurpose optimization device as described. 前記演算部は、前記評価用個体集合の各個体を1回ずつ評価することを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の多目的最適化装置。 The multipurpose optimization apparatus according to claim 1, wherein the calculation unit evaluates each individual of the evaluation individual set once. 前記推定部は、前記記憶部に記憶されるサンプル値の組の量が所定の記憶容量に達した場合に、前記最適化対象から出力されるサンプル値の組の記憶を終了することを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の多目的最適化装置。 The estimation unit ends storage of the set of sample values output from the optimization target when the amount of the set of sample values stored in the storage unit reaches a predetermined storage capacity. The multi-objective optimization apparatus according to any one of claims 1 to 12. 前記演算部は、前記推定部により求められた推定値の組に基づいて前記パレート最適個体を表示することを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の多目的最適化装置。 The multipurpose optimization apparatus according to any one of claims 1 to 13, wherein the calculation unit displays the Pareto optimal individual based on a set of estimated values obtained by the estimation unit. 前記演算部は、前記多目的進化型アルゴリズムとして遺伝的アルゴリズムを用いて前記評価用個体集合の個体を評価することを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の多目的最適化装置。 The multipurpose optimization apparatus according to any one of claims 1 to 14, wherein the arithmetic unit evaluates individuals of the evaluation individual set using a genetic algorithm as the multipurpose evolutionary algorithm. 前記最適化対象は、機器の複数の性能を評価するための評価システムを含み、前記パラメータの組は、前記評価システムのための制御用パラメータの組を含み、前記複数の適応度関数は前記評価システムの評価により得られる前記複数の性能であり、前記適応度の組は前記複数の性能の値であることを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載の多目的最適化装置。 The optimization target includes an evaluation system for evaluating a plurality of performances of the device, the set of parameters includes a set of control parameters for the evaluation system, and the plurality of fitness functions are the evaluation functions The multi-objective optimization apparatus according to claim 1, wherein the plurality of performances are obtained by system evaluation, and the set of fitness is the value of the plurality of performances. 前記機器はエンジンであることを特徴とする請求項16記載の最適化装置。 The optimization device according to claim 16, wherein the device is an engine. 前記機器はモータであることを特徴とする請求項16記載の最適化装置。 The optimization device according to claim 16, wherein the device is a motor. 前記評価システムは、前記パラメータの組に基づいて前記機器を制御するとともに前記機器の動作により発生される複数の性能の値をサンプル値として出力する機器評価装置であることを特徴とする請求項16記載の機器最適化装置。 17. The apparatus according to claim 16, wherein the evaluation system is an apparatus evaluation apparatus that controls the apparatus based on the set of parameters and outputs a plurality of performance values generated by the operation of the apparatus as sample values. The equipment optimization device described. 前記評価システムは、前記パラメータの組に基づいて前記機器の動作をシミュレーションすることにより複数の性能を評価し、評価された複数の性能の値をサンプル値の組として出力する機器シミュレータであることを特徴とする請求項16記載の機器最適化装置。 The evaluation system is a device simulator that evaluates a plurality of performances by simulating the operation of the device based on the set of parameters, and outputs a plurality of evaluated performance values as a set of sample values. The apparatus optimization device according to claim 16, wherein the apparatus optimization apparatus is a device. 最適化対象に個体のパラメータの組を与え、前記最適化対象から出力される複数の目的に対応する複数の適応度関数についての適応度のサンプル値の組に基づいてパラメータを最適化する多目的最適化方法であって、
個体のパラメータの組および前記最適化対象から出力される適応度のサンプル値の組を記憶部に記憶するステップと、
前記記憶部に記憶された複数の個体に対応する複数組のサンプル値に基づいて注目個体に対応する真の適応度の推定値の組を求めるステップと、
求められた前記推定値に基づいて新たな個体を生成し、生成された個体のパラメータの組を前記最適化対象および前記記憶部に与えるとともに、求められた複数組の推定値に基づいて評価用個体集合を多目的進化型アルゴリズムに従って評価することによりパレート最適個体集合を求めるステップとを備え、
推定値の組を求める前記ステップは、
前記記憶部に記憶された各個体に対応するサンプル値の組に重み付けを行い、重み付けられた複数組のサンプル値の線形和を求めることにより、注目個体に対応する適応度の推定値の組を求めるステップを含み、各個体の前記重みは、パラメータ空間上で注目個体とその個体との距離を含む関数であり、
前記パレート最適個体を求める前記ステップは、
前記複数の適応度関数の各々について前記評価用個体集合の複数の個体に対応する推定値の優劣を比較し、前記複数の適応度関数の各々についての比較結果に重み付けを行い、前記複数の適応度関数について重み付けられた複数の比較結果の線形和に基づいて前記評価用個体集合の複数の個体のランク付けを行うステップと、
適応度関数空間上で前記評価用個体集合の最上位ランクの個体の分布における疎の程度を表す分布指標に基づいて新たな個体を生成するステップとを含むことを特徴とする多目的最適化方法。
Multi-objective optimization that gives a set of individual parameters to an optimization target and optimizes parameters based on a set of fitness sample values for a plurality of fitness functions corresponding to the plurality of objectives output from the optimization target A method of
Storing a set of individual parameters and a set of fitness sample values output from the optimization target in a storage unit;
Obtaining a set of true fitness estimates corresponding to the individual of interest based on a plurality of sets of sample values corresponding to the plurality of individuals stored in the storage unit;
A new individual is generated based on the obtained estimated value, and a set of parameters of the generated individual is given to the optimization target and the storage unit, and for evaluation based on the obtained plural sets of estimated values Obtaining a Pareto optimal population by evaluating the population according to a multi-objective evolutionary algorithm,
The step of obtaining a set of estimated values comprises:
By weighting a set of sample values corresponding to each individual stored in the storage unit and obtaining a linear sum of a plurality of sets of weighted sample values, a set of fitness estimated values corresponding to the individual of interest is obtained. The weight of each individual is a function including the distance between the individual of interest and the individual on the parameter space;
The step of obtaining the Pareto optimal individual comprises:
For each of the plurality of fitness functions, the superiority and inferiority of the estimated values corresponding to the plurality of individuals of the evaluation individual set are compared, the comparison result for each of the plurality of fitness functions is weighted, and the plurality of adaptation functions Ranking a plurality of individuals of the evaluation individual set based on a linear sum of a plurality of comparison results weighted for a degree function;
Generating a new individual based on a distribution index representing the degree of sparseness in the distribution of individuals of the highest rank in the evaluation individual set on the fitness function space.
最適化対象に個体のパラメータの組を与え、前記最適化対象から出力される対応する複数の適応度関数についての適応度のサンプル値の組に基づいてパラメータを最適化するコンピュータにより実行可能な多目的最適化プログラムであって、
個体のパラメータの組および前記最適化対象から出力される適応度のサンプル値の組を記憶部に記憶する処理と、
前記記憶部に記憶された複数の個体に対応する複数組のサンプル値に基づいて注目個体に対応する真の適応度の推定値の組を求める処理と、
求められた前記推定値に基づいて新たな個体を生成し、生成された個体のパラメータの組を前記最適化対象および前記記憶部に与えるとともに、求められた複数組の推定値に基づいて評価用個体集合を多目的進化型アルゴリズムに従って評価することによりパレート最適個体集合を求める処理とをコンピュータに実行させ、
推定値の組を求める前記処理は、
前記記憶部に記憶された各個体に対応するサンプル値の組に重み付けを行い、重み付けられた複数組のサンプル値の線形和を求めることにより、注目個体に対応する適応度の推定値の組を求める処理を含み、各個体の前記重みは、パラメータ空間上で注目個体とその個体との距離を含む関数であり、
前記パレート最適個体を求める前記処理は、
前記複数の適応度関数の各々について前記評価用個体集合の複数の個体に対応する推定値の優劣を比較し、前記複数の適応度関数の各々についての比較結果に重み付けを行い、前記複数の適応度関数について重み付けられた複数の比較結果の線形和に基づいて前記評価用個体集合の複数の個体のランク付けを行う処理と、
適応度関数空間上で前記評価用個体集合の最上位ランクの個体の分布における疎の程度を表す分布指標に基づいて新たな個体を生成する処理とを含むことを特徴とする多目的最適化プログラム。
A multipurpose that can be executed by a computer that provides a set of individual parameters to an optimization target and optimizes the parameters based on a set of fitness sample values for a plurality of corresponding fitness functions output from the optimization target An optimization program,
A process of storing a set of individual parameters and a set of fitness sample values output from the optimization target in a storage unit;
A process for obtaining a set of true fitness estimates corresponding to the individual of interest based on a plurality of sets of sample values corresponding to the plurality of individuals stored in the storage unit;
A new individual is generated based on the obtained estimated value, and a set of parameters of the generated individual is given to the optimization target and the storage unit, and for evaluation based on the obtained plural sets of estimated values Processing the computer to perform a process for obtaining the Pareto optimal population by evaluating the population according to a multi-objective evolutionary algorithm,
The process for obtaining a set of estimates is
By weighting a set of sample values corresponding to each individual stored in the storage unit and obtaining a linear sum of a plurality of sets of weighted sample values, a set of fitness estimated values corresponding to the individual of interest is obtained. The weight of each individual is a function including the distance between the individual of interest and the individual on the parameter space,
The process for obtaining the Pareto optimal individual is:
For each of the plurality of fitness functions, the superiority and inferiority of the estimated values corresponding to the plurality of individuals of the evaluation individual set are compared, the comparison result for each of the plurality of fitness functions is weighted, and the plurality of adaptation functions A process of ranking a plurality of individuals of the evaluation individual set based on a linear sum of a plurality of comparison results weighted for a degree function;
And a process for generating a new individual based on a distribution index representing the degree of sparseness in the distribution of individuals of the highest rank of the evaluation individual set on the fitness function space.
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