Improvement of particle swarm optimization algorithms : applications in image segmentation and electronics
Perfectionnement des algorithmes d'optimisation par essaim particulaire : applications en segmentation d'images et en électronique
Résumé
The successful resolution of a difficult optimization problem, comprising a large number of sub optimal solutions, often justifies the use of powerful metaheuristics. A wide range of algorithms used to solve these combinatorial problems belong to the class of population metaheuristics. Among them, Particle Swarm Optimization (PSO), appeared in 1995, is inspired by the movement of individuals in a swarm, like a bee swarm, a bird flock or a fish school. The particles of the same swarm communicate with each other to build a solution to the given problem. This is done by relying on their collective experience. This algorithm, which is easy to understand and implement, is particularly effective for optimization problems with continuous variables. However, like several metaheuristics, PSO shows some drawbacks that make some users avoid it. The premature convergence problem, where the algorithm converges to some local optima and does not progress anymore in order to find better solutions, is one of them. This thesis aims at proposing alternative methods, that can be incorporated in PSO to overcome these problems, and to improve the performance and the efficiency of PSO. We propose two algorithms, called PSO-2S and DEPSO-2S, to cope with the premature convergence problem. Both algorithms use innovative ideas and are characterized by new initialization strategies in several areas to ensure good coverage of the search space by particles. To improve the PSO algorithm, we have also developed a new neighborhood topology, called Dcluster, which can be seen as the communication network between the particles. The obtained experimental results for some benchmark cases show the effectiveness of the strategies implemented in the proposed algorithms. Finally, PSO-2S is applied to real world problems in both image segmentation and electronics fields
La résolution satisfaisante d'un problème d'optimisation difficile, qui comporte un grand nombre de solutions sous-optimales, justifie souvent le recours à une métaheuristique puissante. La majorité des algorithmes utilisés pour résoudre ces problèmes d'optimisation sont les métaheuristiques à population. Parmi celles-ci, nous intéressons à l'Optimisation par Essaim Particulaire (OEP, ou PSO en anglais) qui est apparue en 1995. PSO s'inspire de la dynamique d'animaux se déplaçant en groupes compacts (essaims d'abeilles, vols groupés d'oiseaux, bancs de poissons). Les particules d'un même essaim communiquent entre elles tout au long de la recherche pour construire une solution au problème posé, et ce en s'appuyant sur leur expérience collective. L'algorithme PSO, qui est simple à comprendre, à programmer et à utiliser, se révèle particulièrement efficace pour les problèmes d'optimisation à variables continues. Cependant, comme toutes les métaheuristiques, PSO possède des inconvénients, qui rebutent encore certains utilisateurs. Le problème de convergence prématurée, qui peut conduire les algorithmes de ce type à stagner dans un optimum local, est un de ces inconvénients. L'objectif de cette thèse est de proposer des mécanismes, incorporables à PSO, qui permettent de remédier à cet inconvénient et d'améliorer les performances et l'efficacité de PSO. Nous proposons dans cette thèse deux algorithmes, nommés PSO-2S et DEPSO-2S, pour remédier au problème de la convergence prématurée. Ces algorithmes utilisent des idées innovantes et se caractérisent par de nouvelles stratégies d'initialisation dans plusieurs zones, afin d'assurer une bonne couverture de l'espace de recherche par les particules. Toujours dans le cadre de l'amélioration de PSO, nous avons élaboré une nouvelle topologie de voisinage, nommée Dcluster, qui organise le réseau de communication entre les particules. Les résultats obtenus sur un jeu de fonctions de test montrent l'efficacité des stratégies mises en oeuvre par les différents algorithmes proposés. Enfin, PSO-2S est appliqué à des problèmes pratiques, en segmentation d'images et en électronique
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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