趙 杰,雷秀娟,吳振強(qiáng)
(陜西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,陜西 西安 710062)
聚類是一種常用的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘方法。隨著聚類分析在數(shù)據(jù)挖掘、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)展,相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者越來(lái)越重視對(duì)聚類算法的研究。傳統(tǒng)聚類算法大致可以分為以下幾個(gè)類別:基于劃分的方法和基于層次的方法、基于密度的方法、基于網(wǎng)格的方法、基于模型的方法[1,2]。群智能優(yōu)化算法是近十幾年發(fā)展起來(lái)的受動(dòng)物群體智能啟發(fā)的算法,由于具有簡(jiǎn)單性、分布式、魯棒性、良好的可擴(kuò)展性、廣泛的適用性等特點(diǎn)[1],受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注和研究,被廣泛應(yīng)用于聚類算法中,如遺傳算法[3]、蟻群算法[4]、人工蜂群優(yōu)化算法[5]、人工魚(yú)群優(yōu)化算法[6]、粒子群優(yōu)化算法[7],成為聚類的一類新興方法。
螢火蟲(chóng)算法FA(Firefly Algorithm)是受自然界中螢火蟲(chóng)之間通過(guò)發(fā)光相互溝通、進(jìn)行信息交流這種生物學(xué)特性的啟發(fā),由劍橋?qū)W者Yang Xin-she在2008年提出[8,9],是比較新的一種群智能優(yōu)化算法,已成功應(yīng)用到優(yōu)化問(wèn)題[10,11]、圖像處理[12,13]、路徑規(guī)劃[14]、旅行商問(wèn)題[15]、聚類[16~18]等多個(gè)領(lǐng)域。
用FA聚類過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)存在收斂速度較慢、容易在局部最優(yōu)值或者全局最優(yōu)值附近反復(fù)振蕩的問(wèn)題,據(jù)此,本文對(duì)螢火蟲(chóng)的移動(dòng)方式和隨機(jī)擾動(dòng)方式做了改進(jìn),基于最優(yōu)類中心擾動(dòng)提出了一種改進(jìn)螢火蟲(chóng)算法IFA(Improved Firefly Algorithm)的聚類算法,選擇三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)UCI數(shù)據(jù)集做聚類,驗(yàn)證了該算法的可行性及有效性。和K均值(K-means)、粒子群優(yōu)化PSO(Particle Swarm Optimization)算法、FA聚類結(jié)果比較的結(jié)果表明,基于最優(yōu)類中心擾動(dòng)的螢火蟲(chóng)聚類算法能找到更好的解,有更好的收斂效果。
螢火蟲(chóng)通過(guò)熒光素發(fā)生的復(fù)雜生化反應(yīng)進(jìn)行發(fā)光,借助發(fā)光捕食、求偶、警示以及相互交流等,螢火蟲(chóng)算法就是模擬螢火蟲(chóng)的發(fā)光行為提出的啟發(fā)式隨機(jī)優(yōu)化算法。在該算法中,有兩個(gè)重要的參數(shù):螢火蟲(chóng)的亮度和吸引度。為了簡(jiǎn)易描述FA算法,通常遵循下面三個(gè)理想化的規(guī)則[8]:
(1) 螢火蟲(chóng)不分雌雄,它們之間相互吸引與性別無(wú)關(guān);
(2) 吸引度與亮度成正比,亮度低的螢火蟲(chóng)被吸引向亮度高的螢火蟲(chóng)移動(dòng),亮度最大的螢火蟲(chóng)隨機(jī)移動(dòng),吸引度和亮度與距離成反比,隨著距離的增大吸引度和亮度減小;
(3) 螢火蟲(chóng)的亮度由具體的求解問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)值決定。
FA算法仿生原理是:用搜索空間中的點(diǎn)模擬螢火蟲(chóng)個(gè)體,將搜索和優(yōu)化過(guò)程模擬成螢火蟲(chóng)個(gè)體之間相互吸引和移動(dòng)的過(guò)程,用求解問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)值來(lái)衡量螢火蟲(chóng)所處位置的優(yōu)劣,將個(gè)體的適者生存過(guò)程類比為搜索和優(yōu)化過(guò)程中用好的可行解取代較差可行解的迭代過(guò)程[19]。
螢火蟲(chóng)的亮度和目標(biāo)函數(shù)值相關(guān),體現(xiàn)了螢火蟲(chóng)所處位置的優(yōu)劣,位置越佳目標(biāo)值越好,亮度越高,亮度高的螢火蟲(chóng)吸引亮度低的螢火蟲(chóng)向自己移動(dòng),移動(dòng)的大小由吸引度來(lái)衡量,可見(jiàn),亮度決定移動(dòng)方向,吸引度決定移動(dòng)大小。
在算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程有以下幾個(gè)定義[8,11]:
定義1熒光亮度:
I∝f(xi), 1≤i≤n
(1)
I=I0×e-γ rij
(2)
其中,xi表示第i個(gè)螢火蟲(chóng)的位置,f(xi)代表具體問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)值;I0為螢火蟲(chóng)的最大熒光亮度,即自身(r=0處)的熒光亮度,與目標(biāo)函數(shù)值相關(guān);γ為光強(qiáng)吸收系數(shù),因?yàn)闊晒鈺?huì)隨著距離的增加和傳播媒介吸收逐漸減弱,所以設(shè)置光強(qiáng)吸收系數(shù)體現(xiàn)此特性,可設(shè)為常數(shù),rij為螢火蟲(chóng)i和j之間的距離:
(3)
其中,d表示數(shù)據(jù)維度,xi,k表示螢火蟲(chóng)i的第k個(gè)數(shù)據(jù)分量。
定義2吸引度:
(4)
其中,β0為最大吸引度,即光源處(r=0)的吸引度;γ、rij意義同上。
定義3螢火蟲(chóng)i被吸引向螢火蟲(chóng)j移動(dòng)的位置更新:
(5)
其中,xi、xj表示螢火蟲(chóng)i和j的位置;α為隨機(jī)化參數(shù),是[0,1]上的常數(shù);εi是服從高斯分布或均勻分布的隨機(jī)因子,通常簡(jiǎn)單地用rand-0.5來(lái)表示,rand為[0,1]上服從均勻分布的隨機(jī)數(shù);αεi是擾動(dòng)項(xiàng),避免算法過(guò)早陷入局部最優(yōu)。目前最亮的螢火蟲(chóng)xbest,沒(méi)有螢火蟲(chóng)能夠吸引它,它的位置更新就變成了:
xbest=xbest+αεi
(6)
其中,xbest代表當(dāng)前最亮的螢火蟲(chóng)所處位置,α含義同上。
文獻(xiàn)[8]中詳細(xì)描述了FA算法,算法偽代碼描述如下:
初始化目標(biāo)函數(shù)f(x),x=(x1,…,xd)T;
初始化螢火蟲(chóng)種群xi(i=1,2,…,n),n為螢火蟲(chóng)種群數(shù)目;
螢火蟲(chóng)i在xi處的亮度Ii由f(xi)決定;
初始化算法其他參數(shù):最大吸引度β0、光強(qiáng)吸收系數(shù)γ、步長(zhǎng)因子α。
while(未到最大迭代次數(shù))
for i=1:n
for j=1:n
if(Ii 螢火蟲(chóng)i按照式(5)向螢火蟲(chóng)j移動(dòng); end if 按照式(4)更新吸引度,按照公式(2)更新亮度; end for j end for i 對(duì)螢火蟲(chóng)進(jìn)行排序,找出當(dāng)前全局最優(yōu)解; end while 結(jié)果處理; 本文對(duì)螢火蟲(chóng)的移動(dòng)方式和隨機(jī)擾動(dòng)方式做了改進(jìn),提出了一種基于最優(yōu)類中心擾動(dòng)的螢火蟲(chóng)聚類算法,算法的基本思路是:用螢火蟲(chóng)的位置代表聚類中心,通過(guò)螢火蟲(chóng)之間的相互吸引和移動(dòng)來(lái)尋找最優(yōu)的聚類中心,從而找到最優(yōu)的聚類,目標(biāo)是使所有樣本到相應(yīng)聚類中心的距離之和最小,聚類準(zhǔn)則函數(shù)[1]為: (7) 其中,m為聚類數(shù)目,Zk代表第k個(gè)聚類的中心,d(Xi,Zk)為樣本Xi到對(duì)應(yīng)聚類中心的距離。 d(Xi,Zk)=‖Xi-Zk‖ (8) 螢火蟲(chóng)生物特性在改進(jìn)FA聚類算法中所起作用的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。 Table 1 Corresponding relation of fireflies biologicalcharacteristics in improved FA clustering algorithm 改進(jìn)1用聚類準(zhǔn)則函數(shù)Jc的值代表螢火蟲(chóng)亮度I,即: I=Jc (9) 螢火蟲(chóng)的亮度和目標(biāo)函數(shù)值相關(guān),體現(xiàn)了螢火蟲(chóng)所處位置的優(yōu)劣,位置越佳目標(biāo)值越好,亮度越高[8,19]。式(2)能夠滿足上述條件,但計(jì)算量較大,因此本文提出的基于改進(jìn)FA的聚類算法中直接用聚類準(zhǔn)則函數(shù)Jc的值來(lái)代表亮度,滿足條件的同時(shí)降低算法的復(fù)雜性。 改進(jìn)2對(duì)螢火蟲(chóng)位置更新式(5)進(jìn)行了改進(jìn): α*rand*(cc-xi) (10) 其中,cc為目前最優(yōu)聚類的類中心,β0、γ、α、rand意義同公式(5)。 (11) 其中,ni是第Γi聚類中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),y代表數(shù)據(jù)數(shù)值。 在基本FA算法中,螢火蟲(chóng)被吸引向比較亮的螢火蟲(chóng)移動(dòng),擾動(dòng)項(xiàng)α(rand-0.5)加大了算法搜索區(qū)域,避免過(guò)早陷入局部最優(yōu),增加了算法的局部尋優(yōu)能力,但導(dǎo)致算法整體收斂速度較慢,穩(wěn)定性比較差,當(dāng)待處理問(wèn)題目標(biāo)函數(shù)值比較大的時(shí)候,擾動(dòng)作用不明顯,容易使算法在局部最優(yōu)值附近波動(dòng)。本文將擾動(dòng)項(xiàng)改進(jìn)為α*rand*(cc-xi),基于最優(yōu)類中心隨機(jī)擾動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)之后,算法收斂速度和穩(wěn)定性明顯改善。 改進(jìn)3最亮的螢火蟲(chóng)按照式(12)進(jìn)行移動(dòng): xbest=xbest+α*rand*(cc-xbest) (12) 其中,xbest代表目前最亮的螢火蟲(chóng)所處位置,cc含義同上。 在FA算法中,最亮的螢火蟲(chóng)隨機(jī)移動(dòng),容易導(dǎo)致算法在局部最優(yōu)值或全局最優(yōu)值附近反復(fù)振蕩、收斂速度較慢、優(yōu)化精度降低,按照式(12)改進(jìn)之后,能有效地避免上述現(xiàn)象。 步驟1設(shè)置算法參數(shù):聚類個(gè)數(shù)C、螢火蟲(chóng)個(gè)數(shù)N、最大吸引度β0、光強(qiáng)吸收系數(shù)γ、步長(zhǎng)因子α、最大迭代次數(shù)maxiter; 步驟2初始化螢火蟲(chóng)的位置(從數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選出C個(gè)作為初始螢火蟲(chóng)位置),按照式(8)計(jì)算每個(gè)樣本點(diǎn)到各個(gè)聚類中心的距離,依此將樣本點(diǎn)劃分到離它最近的那個(gè)聚類中心所在的類中; 步驟3根據(jù)步驟2初始聚類的結(jié)果,利用式(9)計(jì)算螢火蟲(chóng)的亮度,找出并記錄最亮螢火蟲(chóng)的亮度、位置和聚類結(jié)果; 步驟4比較螢火蟲(chóng)的亮度,如果Ii>Ij,表示螢火蟲(chóng)j的聚類準(zhǔn)則函數(shù)值較小,所處位置較好,吸引螢火蟲(chóng)i向自己移動(dòng),按照式(4)計(jì)算螢火蟲(chóng)j對(duì)螢火蟲(chóng)i的吸引度,按照式(10)和式(12)來(lái)更新螢火蟲(chóng)i的位置; 步驟5螢火蟲(chóng)位置更新完成后,重新進(jìn)行聚類,并更新螢火蟲(chóng)的亮度,找出并記錄最亮螢火蟲(chóng)的亮度、位置和聚類結(jié)果; 步驟6達(dá)到最大迭代次數(shù)則停止算法,否則轉(zhuǎn)到步驟3; 步驟7輸出結(jié)果。 為檢驗(yàn)上述算法的正確性和有效性,在Matlab平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)(Matlab 2011b、內(nèi)存4 GB、CPU為3.10 GHz)。 文獻(xiàn)[10]對(duì)螢火蟲(chóng)算法中的參數(shù)做了實(shí)驗(yàn)對(duì)比,本文中β0、γ的取值采用文獻(xiàn)[10]中的結(jié)果,即β0=1,γ=0.8;最大迭代次數(shù)maxiter=150。 對(duì)參數(shù)α的取值,文獻(xiàn)[10]中的取值為0.01,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),α=0.01時(shí)算法的收斂效果不是很好,找到的最優(yōu)解不是很理想,因此,本文對(duì)α的取值重新做了實(shí)驗(yàn)比較,用IRIS數(shù)據(jù)集,運(yùn)行20次取平均值,分析結(jié)果如圖1所示。 Figure 1 Value of clustering criterion function for varying step factor圖1 步長(zhǎng)因子對(duì)應(yīng)的聚類準(zhǔn)則函數(shù)值 由圖1可以看出,當(dāng)α=0.06時(shí),聚類準(zhǔn)則函數(shù)的最小值和平均值均達(dá)到最優(yōu),因此在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中步長(zhǎng)因子的取值為0.06。 為了驗(yàn)證基于IFA的聚類算法的可行性、有效性和收斂性,把基于IFA的聚類算法和FA算法、K-means算法、PSO算法做了對(duì)比,圖2、圖3和圖4分別顯示了在IRIS數(shù)據(jù)集上四種方法聚類的收斂曲線、基于IFA和K-means算法聚類準(zhǔn)則函數(shù)最優(yōu)值比較以及基于IFA、FA聚類后IRIS數(shù)據(jù)集樣本分布圖。由圖2可以看出,基于IFA的聚類算法收斂快而且比較平穩(wěn),求解出的聚類準(zhǔn)則函數(shù)值明顯優(yōu)于FA和PSO聚類方法。K-means聚類算法[20~22]是一種比較經(jīng)典的聚類算法,圖2中IFA算法和K-means算法的收斂曲線比較接近,因此進(jìn)一步比較了二者的最優(yōu)值,使用IRIS數(shù)據(jù)集,程序運(yùn)行20次,運(yùn)行結(jié)果如圖3所示;從圖3a可以看出,K-means聚類算法由于對(duì)初始聚類中心比較敏感,導(dǎo)致其穩(wěn)定性較差,求出的最優(yōu)值波動(dòng)比較明顯,從圖3b可以看出,基于IFA算法的聚類算法比較穩(wěn)定,求得的最優(yōu)值優(yōu)于K-means聚類算法。 Figure 2 Convergence curve of clustering for IRIS data set圖2 IRIS數(shù)據(jù)集聚類收斂曲線 Figure 3 Comparison of optimum values between IFA and K-means圖3 IFA和K-means聚類準(zhǔn)則函數(shù)最優(yōu)值比較 為了更好地對(duì)比基于IFA的聚類算法和基于FA的聚類算法的聚類效果,繪制了基于IFA(圖4a)、FA(圖4b)聚類后IRIS數(shù)據(jù)集樣本分布圖。由于IRIS數(shù)據(jù)集樣本具有四個(gè)屬性,因此在繪圖之前,先對(duì)IRIS數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)進(jìn)行了PCA處理,提取兩個(gè)主要成分進(jìn)行繪圖,效果如圖4所示。由圖4可以看出,改進(jìn)之后,聚類錯(cuò)誤個(gè)數(shù)明顯減少,聚類效果優(yōu)于改進(jìn)之前。 Figure 4 Sample distribution of clustering for IRIS data set based on IFA and FA圖4 基于IFA、FA聚類后IRIS數(shù)據(jù)集樣本分布圖 本文從UCI標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集中選出了三個(gè)數(shù)據(jù)集IRIS(表2)、SONAR(表3)、WINE(表4)做了實(shí)驗(yàn)。IRIS數(shù)據(jù)集包括三類共150個(gè)樣本,每個(gè)樣本有四個(gè)屬性;SONAR數(shù)據(jù)集包括兩類共208個(gè)樣本,每個(gè)樣本有60個(gè)屬性;WINE數(shù)據(jù)集包括三類共178個(gè)樣本,每個(gè)樣本有13個(gè)屬性。K-means和PSO的數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[17],F(xiàn)A和IFA數(shù)據(jù)為程序運(yùn)行20次的平均值。 Table 2 Comparison of clustering criterion function andclustering error between different methods for IRIS data set Table 3 Comparison of clustering criterion function andclustering error between different methods for SONAR data set Table 4 Comparison of clustering criterion function andclustering error between different methods for WINE data set 由表2~表4可以看出,基于IFA的聚類算法能夠找到較好的聚類準(zhǔn)則函數(shù)值,平均值和最優(yōu)值相差比較小,說(shuō)明算法比較穩(wěn)定,錯(cuò)誤率和K-means、PSO、FA三種方法相比也明顯降低;K-means聚類算法由于對(duì)初始聚類中心比較敏感,導(dǎo)致算法不夠穩(wěn)定,最優(yōu)值波動(dòng)比較明顯,其平均值和錯(cuò)誤率普遍偏高;基本PSO算法和FA算法都屬于群智能優(yōu)化算法,具有群體智能和較好的全局尋優(yōu)能力,求出的最優(yōu)值和錯(cuò)誤率也比K-means的要好,但是由于算法本身存在不足,導(dǎo)致求出的最優(yōu)值和錯(cuò)誤率比IFA算法要差。同時(shí),從表中也可以看出,同一種聚類方法在不同的數(shù)據(jù)集上聚類產(chǎn)生的效果也不全相同,也就是說(shuō),聚類結(jié)果和數(shù)據(jù)類型及維度也存在一定的關(guān)系,因此,在進(jìn)行聚類評(píng)價(jià)的時(shí)候要綜合考慮聚類準(zhǔn)則函數(shù)、錯(cuò)誤率以及數(shù)據(jù)特點(diǎn)等各方面因素。 本文提出了基于最優(yōu)類中心擾動(dòng)的螢火蟲(chóng)聚類算法,有效地克服了FA算法收斂較慢、易于在局部最優(yōu)值或全局最優(yōu)值附近反復(fù)振動(dòng)的缺陷,通過(guò)對(duì)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行聚類以及和FA、K-means、基本PSO算法進(jìn)行比較,仿真結(jié)果表明,基于最優(yōu)類中心擾動(dòng)的螢火蟲(chóng)聚類算法具有較好的收斂性和穩(wěn)定性,聚類效果較好。但是,在實(shí)驗(yàn)中,光強(qiáng)吸收系數(shù)和步長(zhǎng)因子都是設(shè)定的常數(shù),把基于最優(yōu)類中心擾動(dòng)的螢火蟲(chóng)聚類算法應(yīng)用到不同規(guī)模的問(wèn)題中時(shí),算法表現(xiàn)出的全局搜索能力和穩(wěn)定性還有一定的差異,因此這兩個(gè)系數(shù)的自適應(yīng)特性還有待進(jìn)一步研究。 [1] Lei Xiu-juan. 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3.1 基于最優(yōu)類中心擾動(dòng)的螢火蟲(chóng)聚類算法思想
3.2 基于最優(yōu)類中心擾動(dòng)的螢火蟲(chóng)聚類算法改進(jìn)之處
3.3 基于最優(yōu)類中心擾動(dòng)的螢火蟲(chóng)聚類算法步驟
4 仿真實(shí)驗(yàn)及評(píng)價(jià)
4.1 參數(shù)設(shè)置
4.2 收斂性分析
4.3 聚類結(jié)果分析
5 結(jié)束語(yǔ)