基于群体智能的聚类分析

发布时间：2020-01-28 08:12

【摘要】：聚类是分析数据并从中发现有用信息的一种有效手段。聚类可以将对象数据分组成为若干个簇,使同一个簇中的对象之间的相似度较高,而不同簇中的对象之间差别很大。通过聚类,可以发现全局的分布模式以及数据属性之间有趣的相互关系。近几年来,聚类技术已经成为数据挖掘的主要方法之一。群体智能是一种新兴演化计算技术,用于数据分析时,会继承生物系统良好的处理机制和特征。它与人工生命,特别是进化策略和遗传算法有着极为特殊的联系,已完成的理论和应用研究表明群体智能方法是一种能够有效解决大多数全局优化问题的新方法。本论文主要是针对群体智能的特点,以传统的聚类分析问题为主要研究对象,对蚁群优化算法、粒子群优化算法的理论进行了研究和算法改进,并利用改进的算法来解决聚类分析问题。研究表明,基于群体智能优化的聚类分析方法收敛速度快、适应性强,比一般的聚类分析方法能更好地揭示数据之间的相关性,为提高数据聚类的质量和效率提供了有利保障。主要研究内容如下: 1对蚁群聚类算法的参数设置、适应度函数进行了改进,引入了多主体的思想,提出了改进的多主体的蚂蚁聚类算法,并对算法的相似度函数和时间复杂性进行了分析。在算法中,一个主体蚂蚁代表一个数据对象,根据它与邻域空间中的主体蚂蚁的相似度函数和转换概率函数来确定下一个移动位置,同时依照聚类规则集合动态更新其类号。主体蚂蚁的移动使得它与邻域内的对象相互影响、相互作用,仅利用少量的局部邻域信息,经过一定次数的迭代后就可以较快较好的形成聚类。实验表明多主体的蚂蚁聚类算法具有较快的搜索速度,其聚类结果明显优于改进的K-Means聚类算法。 2在介绍分析粒子群优化算法的基础上,吸收并借鉴当前的研究成果,提出了一种多种群协同进化的混合粒子群聚类算法。将协同进化思想引入粒子群聚类算法中。将整个种群分解为多个子种群,各子种群独立进化,间隔一定迭代次数后,实施子种群之间的信息交换:将一个子种群中的最好解发送至相邻子种群,取代其中适应值最差的粒子。算法充分利用了PSO全局寻优的优点和K-means局部寻优的特点,在找到最优划分的同时使得划分结果更精确。算法能够自动确定聚类数目,且聚类结果不受初始聚类中心的影响。通过以上的改进提高算法的性能。 3为使聚类算法的结果更具有实际意义,提出了基于距离对称性的PSO聚类算法,用于对有对称性的数据集的聚类划分。在介绍了距离对称性的相关概念后,给出了基于距离对称性的相似度函数,在此基础上,提出了基于距离对称性的粒子群聚类算法。最后通过实验用不同的方法对四组数据集分别进行了测试。实验结果说明了算法的有效性,充分考虑到了对称性对聚类结果的影响,使得聚类结果更具有实际意义。本研究的主要创新点归纳如下: 1提出一种多主体的改进的蚂蚁聚类算法,并对算法的相似度函数和算法复杂度进行了分析。在算法中引入多主体概念,提出了蚂蚁聚类的规则,对相似度函数的计算公式进行了改进和分析,另外在参数的选择和设置上也做了部分改进。通过该算法不仅可以提高聚类速度,同时会得到较好的聚类划分结果。 2提出一种协同进化的混合粒子群聚类算法。主要是将多种群协同进化的思想引入粒子群聚类分析中,将PSO算法的随机搜索策略和K-means方法的局部优化能力有效结合起来。算法能够自动确定聚类数目,并且聚类结果不受初始聚类中心的影响。和其它算法相比,算法收敛速度有所提高,在聚类精度上也有很大的改善。 3提出了基于距离对称性的粒子群聚类算法。该算法引入了距离对称性和基于距离对称性的适应度函数,能够发现传统聚类算法难以发现的一些特殊形状的聚类。特别是在对具有对称点的数据集进行聚类时,会使得聚类结果更具有实际意义。
【图文】：

模型,群体智能,自然界

图 1.1 自然界中展现的群体智能模型前，对群体智能的研究分为理论研究和应用研究，其中应用研究取得果，理论研究仍处于初级阶段，但是它正在成为越来越多的研究人员点。994 年，Millionas 在其文献中指出，群体智能的发挥应该遵循下面的几则[25-27]：近邻原则、品质原则、反应多样性、稳定性和适应性原则。，群体中的邻近个体之间可以进行简单的信息交流和传递；个体之间影响的品质因素；个体在群体活动中的行动范围要尽可能的具有多样性发生改变时，能及时调整自己的行为以适应环境的变化。此，对于群体智能来说，要表现出复杂的智能行为，，就要求群体中的在相互作用时都遵守上面的五条行为准则，这样才能在环境中表现出应性、自主性和反应的多样性。但这些原则并不是要求群体中的每个有复杂的智能行为，情况正好相反，就好像一只蚂蚁并不具有什么智

聚类分析,聚类图,过程图,算法图

重点对现有的聚类分析算法进行了分析。类分析的基本概念聚类定义物理或抽象对象的集合分成由类似的对象组成的多个类的过程被称为聚类所生成的簇是一组数据对象的集合，这些对象与同一个簇中的对似，与其他它簇中的对象相异。俗话说：“物以类聚，人以群分”，学和社会科学中，存在着大量的聚类分析问题，通过聚类分析，发现数据属性或数据对象之间的内在关系。聚类分析起源于分类类不等于分类。聚类与分类的不同在于聚类所要求划分的类是未知的给出了聚类分析的实例。
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP311.13

【参考文献】