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化学反应优化算法#xff08;Chemical Reaction Optimization, CRO#xff09;是一种新兴的基于自然现象的元启发式算法#xff0c;受化学反应过程中分子碰撞和反应机制的启发而设计。CRO算法模拟了分子在化学反应过程中通过能量转换和分子间相互作用来寻找稳定结构的…介绍
化学反应优化算法Chemical Reaction Optimization, CRO是一种新兴的基于自然现象的元启发式算法受化学反应过程中分子碰撞和反应机制的启发而设计。CRO算法模拟了分子在化学反应过程中通过能量转换和分子间相互作用来寻找稳定结构的过程。以下是对CRO算法的一些关键点的介绍
1.基本概念
1.1 分子 在CRO算法中解被看作是分子。每个分子具有一个能量状态对应于优化问题的目标函数值以及其他属性如位置、速度等。
1.2 能量状态 系统的总能量被分为动能和势能。动能反映了分子的运动趋势而势能与解的质量直接相关。通过调整动能和势能CRO算法试图找到问题的全局最优解。
1.3 碰撞操作 CRO算法模拟了不同类型的分子碰撞这些碰撞操作帮助算法在解空间中进行探索和开发。主要的碰撞操作包括
单分子碰撞On-wall Ineffective Collision分子与墙壁碰撞可能改变其速度和方向。 双分子碰撞Inter-molecular Ineffective Collision两个分子相互碰撞交换动能和势能。 分解Decomposition一个高能量的分子分解为两个或多个低能量分子。 合成Synthesis两个或多个低能量分子合成为一个高能量分子。
2. 算法步骤
1.初始化生成初始分子群分配初始动能和势能。 2.碰撞操作选择根据当前分子的能量状态和预设的概率选择适当的碰撞操作。 3.碰撞操作执行根据选定的碰撞操作更新分子的状态和能量。 4.能量更新调整分子的动能和势能确保系统的总能量守恒。 5.终止条件检查判断是否满足终止条件如达到最大迭代次数或找到满意的解。 6.返回最优解输出优化过程中找到的最优解。
3,优点与应用
3.1 优点 全局搜索能力强由于CRO算法模拟了多种碰撞操作能够有效地探索全局解空间避免陷入局部最优。 灵活性高CRO算法可以适用于各种优化问题包括连续优化和离散优化。 并行性强CRO算法的分子操作具有高度的并行性可以利用并行计算提高效率。 3.2 应用 CRO算法已经成功应用于多种领域如
工程设计优化 生产调度 网络优化 生物信息学 机器学习参数调优
本文代码
我们将在化学反应优化算法CRO在生物信息学中应用的示例用于解决蛋白质-配体对接Protein-Ligand Docking问题
核心代码
function CRO_ProteinLigandDocking
% 参数初始化
numMolecules 50; % 分子数量
maxIterations 1000; % 最大迭代次数
initialKE 1.0; % 初始动能
KELossRate 0.1; % 动能损失率
decayRate 0.01; % 能量衰减率
perturbationScale 0.2; % 扰动幅度% 随机生成初始分子群
molecules rand(numMolecules, 3) * 10 - 5; % 假设3维空间中的分子范围[-5, 5]
energies zeros(numMolecules, 1);
KE initialKE * ones(numMolecules, 1);% 计算初始能量
for i 1:numMoleculesenergies(i) calcEnergy(molecules(i, :));
end% 图形化初始化
figure;
subplot(2,1,1);
energyPlot plot(0, min(energies), -r);
xlabel(Iteration);
ylabel(Best Energy);
title(Best Energy vs. Iteration);subplot(2,1,2);
moleculePlot plot3(molecules(:,1), molecules(:,2), molecules(:,3), bo);
xlabel(X);
ylabel(Y);
zlabel(Z);
title(Molecule Positions);
axis([-5 5 -5 5 -5 5]);
grid on;
hold on;% 计算能量的函数
function E calcEnergy(molecule)% 复杂的能量计算函数% 这里可以假设与分子坐标的平方和正弦函数有关E sum(molecule.^2 10 * sin(molecule));
end% 单分子碰撞操作
function newMolecule onWallCollision(molecule, perturbationScale)perturbation randn(size(molecule)) * perturbationScale; % 增加扰动幅度newMolecule molecule perturbation;
end% 双分子碰撞操作
function [newMolecule1, newMolecule2] interMolecularCollision(molecule1, molecule2, perturbationScale)alpha rand();newMolecule1 alpha * molecule1 (1 - alpha) * molecule2 randn(size(molecule1)) * perturbationScale; % 增加扰动幅度newMolecule2 (1 - alpha) * molecule1 alpha * molecule2 randn(size(molecule2)) * perturbationScale; % 增加扰动幅度
end% 分解操作
function [newMolecule1, newMolecule2] decomposition(molecule, perturbationScale)perturbation randn(size(molecule)) * perturbationScale; % 增加扰动幅度newMolecule1 molecule perturbation;newMolecule2 molecule - perturbation;
end% 合成操作
function newMolecule synthesis(molecule1, molecule2, perturbationScale)newMolecule (molecule1 molecule2) / 2 randn(size(molecule1)) * perturbationScale; % 增加扰动幅度
end% 主循环
bestEnergies zeros(maxIterations, 1); % 用于存储每次迭代后的最佳能量值for iter 1:maxIterationsfor i 1:numMolecules% 随机选择碰撞操作operation randi(4);switch operationcase 1% 单分子碰撞newMolecule onWallCollision(molecules(i, :), perturbationScale);newEnergy calcEnergy(newMolecule);if newEnergy energies(i)molecules(i, :) newMolecule;energies(i) newEnergy;endKE(i) KE(i) - KELossRate * KE(i);case 2% 双分子碰撞j randi(numMolecules);if j ~ i[newMolecule1, newMolecule2] interMolecularCollision(molecules(i, :), molecules(j, :), perturbationScale);newEnergy1 calcEnergy(newMolecule1);newEnergy2 calcEnergy(newMolecule2);if newEnergy1 energies(i)molecules(i, :) newMolecule1;energies(i) newEnergy1;endif newEnergy2 energies(j)molecules(j, :) newMolecule2;energies(j) newEnergy2;endendKE(i) KE(i) - KELossRate * KE(i);KE(j) KE(j) - KELossRate * KE(j);KE(i) KE(i) - KELossRate * KE(i);case 4% 合成j randi(numMolecules);if j ~ inewMolecule synthesis(molecules(i, :), molecules(j, :), perturbationScale);newEnergy calcEnergy(newMolecule);if newEnergy energies(i) newEnergy energies(j)molecules(i, :) newMolecule;energies(i) newEnergy;energies(j) newEnergy;endendKE(i) KE(i) - KELossRate * KE(i);KE(j) KE(j) - KELossRate * KE(j);end% 能量衰减KE(i) KE(i) * (1 - decayRate);end% 记录当前最优解能量值[minEnergy, minIndex] min(energies);bestEnergies(iter) minEnergy;% 更新图形subplot(2,1,1);set(energyPlot, XData, 1:iter, YData, bestEnergies(1:iter));drawnow;subplot(2,1,2);set(moleculePlot, XData, molecules(:,1), YData, molecules(:,2), ZData, molecules(:,3));drawnow;% 输出当前最优解fprintf(Iteration %d: Best Energy %.4f\n, iter, minEnergy);
end% 输出最终最优解
[minEnergy, minIndex] min(energies);
bestMolecule molecules(minIndex, :);
fprintf(Final Best Energy %.4f\n, minEnergy);end
说明
初始化 初始化分子解的结构和能量状态。碰撞操作 实现单分子碰撞、双分子碰撞、分解和合成操作。主循环 主循环执行碰撞操作并更新分子状态。
效果 完整代码获取
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