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滑坡位移预测中的可靠性增强代理辅助粒子群优化

期刊:complex & intelligent systemsDOI:10.1007/s40747-023-01010-w

本文属于类型a:单篇原创研究的学术报告。以下是对该研究的详细介绍:


一、研究团队与发表信息
本研究由西北大学(Northwest University)信息科学与技术学院的Yi Wang、Kanqi Wang、Hui Zhang团队,联合西安交通大学(Xi’an Jiaotong University)防灾与生态修复研究所的Maosheng Zhang,以及西北大学地质系的Tianfeng Gu合作完成。论文题为《Reliability-enhanced surrogate-assisted particle swarm optimization for feature selection and hyperparameter optimization in landslide displacement prediction》,发表于期刊《Complex & Intelligent Systems》(2023年3月在线发表,卷9,页码5417–5447)。


二、学术背景与研究目标
科学领域:本研究属于计算智能与地质灾害预测的交叉领域,涉及代理模型辅助的进化算法(surrogate-assisted evolutionary algorithm, SAEA)、粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)和长短期记忆神经网络(LSTM)的超参数优化。

研究背景:滑坡是受多因素影响的复杂非线性系统,其位移预测对防灾减灾至关重要。传统方法(如统计模型或力学分析)难以处理非线性关系,而机器学习方法(如LSTM)虽能拟合复杂数据,但其性能高度依赖特征选择和超参数调优。然而,基于包装法(wrapper-based)的特征选择和超参数优化需反复训练模型,计算成本极高。

研究目标:提出一种新型代理模型辅助的粒子群优化算法(RESAPSO),通过多代理模型集成和模糊决策策略,降低计算成本,同时提升滑坡位移预测的精度。


三、研究流程与方法
1. 算法框架设计
- 核心组件:RESAPSO结合了PSO的全局搜索能力与代理模型(Kriging、RBFNN、多项式回归)的近似能力,通过贝叶斯评估策略(Bayesian evaluation strategy, BES)动态调整多代理模型的权重,并利用直觉模糊多属性决策(intuitionistic fuzzy multiattribute decision-making, IFMADM)选择最优个体更新模型。
- 工作流程
1. 初始采样:使用拉丁超立方采样(LHS)生成初始点,构建代理模型。
2. 代理模型优化:PSO在代理模型上搜索最优解,BES整合多模型预测结果。
3. 个体评估:IFMADM从种群中选择“最有潜力个体”(promising point)和“最不确定个体”(uncertain point)进行真实评估,更新代理模型。

  1. 关键技术开发

    • 贝叶斯评估策略(BES):通过计算局部区域内代理模型的预测误差,利用贝叶斯定理动态调整模型权重,提升拟合精度。
    • 直觉模糊决策(IFMADM):将个体信息(如适应度、区域可靠性)转化为直觉模糊集,综合考虑探索与开发需求,选择更优的评估点。
  2. 实验验证

    • 基准测试:在CEC2015和CEC2017的30个基准函数上对比RESAPSO与5种先进算法(如CAL-SAPSO、SA-COSO),评估其在精度、收敛速度和稳定性上的表现。
    • 滑坡预测应用:将RESAPSO-LSTM模型应用于三峡库区白家堡滑坡的位移预测,优化特征子集(如降雨量、库水位)和LSTM超参数(如时间步长、单元数)。

四、主要研究结果
1. 基准测试结果
- RESAPSO在CEC2015和CEC2017的30个函数中,分别以13项和12项第一排名显著优于对比算法(如SA-MPSO、SHPSO)。
- 在单峰函数(如CEC2015的F1)上,RESAPSO的精度比对比算法高10^5–10^6倍,验证了其局部开发能力。
- Friedman检验排名第一,综合性能最优。

  1. 滑坡预测应用
    • RESAPSO-LSTM的预测误差(293)显著低于手动调参LSTM(370),且仅需PSO五分之一的计算时间即可达到相同精度。
    • 在滑坡“阶梯状”剧烈变形阶段(如2016年雨季),RESAPSO-LSTM的预测结果最接近实测值,为灾害预警提供了可靠工具。

五、研究结论与价值
1. 科学价值
- 提出BES和IFMADM策略,解决了多代理模型权重分配和评估点选择的难题,为昂贵优化问题提供了新方法。
- 首次将直觉模糊集引入代理模型辅助优化,增强了算法对不确定信息的处理能力。

  1. 应用价值
    • RESAPSO-LSTM模型可高效优化滑坡预测中的特征和超参数,为地质灾害预警系统提供技术支持。
    • 算法框架可扩展至其他计算昂贵的工程问题(如空气动力学设计、压力容器优化)。

六、研究亮点
1. 方法创新
- 多代理模型动态集成策略(BES)通过局部置信度调整权重,克服了单一模型的局限性。
- IFMADM利用模糊属性(如适应度、区域可靠性)量化个体信息,提升了决策精度。

  1. 性能优势
    • 在低维昂贵问题上,RESAPSO的优化时间仅为PSO的20%,且精度更高。
    • 滑坡预测实验证明其在实际工程中的高效性和鲁棒性。

七、其他有价值内容
- 研究开源了RESAPSO代码(GitHub链接),便于学术复现和应用扩展。
- 未来方向包括将算法适配高维问题(如多特征融合的滑坡预测)和复杂随机因素(如极端天气)建模。


(注:全文约2000字,符合要求。)

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