群體智能讀書會 | 第六期：大規模群智協同優化

導語

在物聯網和智能制造等場景里，我們經常要在成千上萬的變量中找最優解，但維度高、耦合強會讓傳統優化方法很快力不從心。群體智能算法憑借不依賴復雜數學假設、搜索范圍廣、天然適合并行計算，成為解決大規模優化的重要手段。不過在高維空間中，它也容易效率下降、陷入局部最優、協同不足。為此，本報告將介紹團隊提出的三類群體交互框架——支配式、鄰域式與差異式——分別從導向性、多向性和覆蓋性提升協同搜索效果，從而顯著增強大規模優化求解性能。

內容簡介

高維度大規模優化問題在日常生活和工業生產中日益常見，尤其在當今物聯網環境下，優化問題的維度日益增多，變量耦合性日益增強，優化復雜度日益增加，導致傳統優化算法無法有效求解。憑借對待解優化問題無任何數學特性要求、全局搜索能力強、內在并行特性等優勢，群體智能算法已經成為了求解大規模復雜優化問題的重要途徑之一。

然而高維度環境下，解空間指數式增長，群體協同搜索效率較低；局部最優區域寬且多，群體協同面臨局地性；變量緊耦合、解空間高度復雜，群體協同不充分。為有效解決上述問題，項目團隊圍繞大規模高維度環境下的群體協同交互的高效性和有效性問題，分別提出了支配式群體交互框架，增加群體交互的導向性，提升群體協同搜索的收斂性；提出了鄰域式群體交互框架，增加群體交互的多向性，提升群體協同搜索的多樣性；提出了差異式群體交互框架，增加群體交互的異向性，提升群體協同搜索的廣面性。依托上述框架，群體智能算法求解大規模復雜優化問題的性能得到了極大提升。本報告將詳細介紹上述框架，以期讓讀者了解提升大規模場景下群體協同交互有效性的方法，從而啟發讀者開展深入研究，促進大規模群體智能算法的研究進展。

分享大綱

內容1 高維度大規模優化：背景、難點與群體智能優勢

• 內容1.1 物聯網場景下維度增加、變量耦合增強與復雜度上升

• 內容1.2 傳統優化算法失效的根源：規模、耦合與搜索空間爆炸

• 內容1.3 群體智能算法優勢：無數學特性要求、全局搜索、內在并行

內容2 高維環境下群體協同的三類核心瓶頸

• 內容2.1 解空間指數式增長：協同搜索效率低與收斂變慢

• 內容2.2 局部最優區域寬且多：協同搜索的局地性陷阱

• 內容2.3 變量緊耦合與空間高度復雜：協同不充分與信息利用不足

內容3 支配式群體交互框架：導向性增強與收斂性提升

• 內容3.1 支配式交互機制：用導向信息強化協同搜索方向

• 內容3.2 收斂性提升路徑：減少無效搜索與加速穩定收斂

• 內容3.3 適用問題特征：高維、強噪聲或易陷局部的場景

內容4 鄰域式群體交互框架：多向性增強與多樣性提升

• 內容4.1 鄰域式交互機制：局部鄰域內多方向信息交換與擴散

• 內容4.2 多樣性提升路徑：維持探索能力與避免過早收斂

• 內容4.3 適用問題特征：多峰、動態或需要持續探索的場景

內容5 差異式群體交互框架：異向性增強與廣面性提升

• 內容5.1 差異式交互機制：利用差異信息驅動異向探索與分散搜索

• 內容5.2 廣面性提升路徑：擴大覆蓋范圍與提升全局尋優概率

• 內容5.3 適用問題特征：強耦合、高復雜度與結構未知的場景

核心概念

高維大規模優化 High-dimensional Large-scale Optimization

變量耦合 Variable Coupling

群體智能算法 Swarm Intelligence Algorithms

群體協同搜索 Cooperative Swarm Search

支配式群體交互框架 Dominance-based Interaction Framework

鄰域式群體交互框架 Neighborhood-based Interaction Framework

差異式群體交互框架 Difference-based Interaction Framework

收斂性-多樣性-廣面性 Convergence-Diversity-Coverage

主講人介紹

主講人：楊強，南京信息工程大學副教授（校聘教授），南京信息工程大學龍山學者，碩士生導師；分別于2014年和2019年在中山大學信息科學與工程學院和數據科學與計算機學院獲得碩士和博士學位；主要從事計算智能算法及其應用研究，累計發表學術論文100余篇，其中在人工智能領域的國際頂級期刊IEEE Transactions系列期刊發表論文10余篇，累計Google Scholar引用3200余次，1篇論文入選ESI高被引論文，1篇論文獲評IEEE SMC2022（CCF C類會議）最佳學生論文提名獎，1篇論文獲評IEEE ICACI2023（計算智能領域旗艦會議）最佳論文獎；1篇論文獲評IEEE MiTA2024（計算智能領域旗艦會議）最佳論文獎；授權發明專利15項；2020年入選江蘇省雙創博士計劃，2022年獲評校五四青年獎章，2023年獲評校首批十大青年科技之星，2024年入選江蘇省第七期“333工程”第三層次人才計劃，主持國家自然科學基金項目2項，江蘇省自然科學基金項目1項，江蘇省高等學校自然科學基金面上項目1項。

參考文獻

1. Qiang Yang*, Gong-Wei Song (Graduate Student), Wei-Neng Chen, Ya-Hui Jia, Xu-Dong Gao, Zhen-Yu Lu, Sang-Woon Jeon, and Jun Zhang, "Random Contrastive Interaction for Particle Swarm Optimization in High-Dimensional Environment", IEEE Transactions on Evolutionary Computation, vol. 28, no. 4, pp. 933-949, 2024.

2. Qiang Yang, Wei-Neng Chen, Tianlong Gu, Hu Jin, Wentao Mao, and Jun Zhang. "An Adaptive Stochastic Dominant Learning Swarm Optimizer for High Dimensional Optimization", IEEE Transactions on Cybernetics, vol. 52, no. 3, pp. 1960-1976, 2022.

3. Qiang Yang, Wei-Neng Chen, Tianlong Gu, Huaxiang Zhang, Sam Kwong, and Jun Zhang. "A Distributed Swarm Optimizer with Adaptive Communication for Large Scale Optimization", IEEE Transactions on Cybernetics, vol. 50, no. 7, pp. 3393-3408, 2020.

4. Qiang Yang, Wei-Neng Chen, Jeremiah Da Deng, Yun Li, Tianlong Gu, and Jun Zhang. "A Level-based Learning Swarm Optimizer for Large Scale Optimization", IEEE Transactions on Evolutionary Computation, vol. 22, no. 4, pp. 578-594, 2018.

報名讀書會：

「群體智能：從自然涌現到人機共創」

集智俱樂部聯合北京師范大學系統科學學院韓戰鋼教授、暨南大學計算傳播研究中心趙甜芳副教授、新疆大學物理科學與技術學院玉素甫·艾比布拉副教授等學者，共同發起本次，嘗試用一條普適的線索，把自然界的鳥群蟻群、人類社會的集群行為、以及人工智能時代的多智能體與群智優化，放在同一張地圖上重新理解。讀書會自2026年1月24日開始，安排在每周六下午 14:00–16:00，歡迎所有對群體智能如何涌現、如何被理解、以及如何被設計，感興趣的朋友一起加入：帶著問題來，帶著更有趣的問題去。

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