[C++知识库]jMetal官方文档汉化七：Solution类

Solution 接口

当使用启发式算法时，首先要做的事情之一是定义如何对方案进行编码。编码方式在很大程度上取决于优化的问题以及需要进行的操作操作（如遗传算法的变异、交叉操作、本地搜索程序等）。因此，确定合适的编码方式对启发式算法的运行结果有着很大的影响。

下图描述了jMetal 5中用于表示Solution类的基本组件：

基本组件总共有三种：二进制编码、实数编码、整数编码。这种方式可以为相同的编码提供许多实现，增加了灵活性。泛型的使用还允许编译器检查错误分配变量值所导致编译错误，例如，尝试将DoubleSolution的变量值分配给int变量这种错误。

Solution 接口的代码如下所示

package org.uma.jmetal.solution;

public interface Solution<T> extends Serializable {
  public void setObjective(int index, double value) ;
  public double getObjective(int index) ;

  public T getVariableValue(int index) ;
  public void setVariableValue(int index, T value) ;
  public String getVariableValueString(int index) ;

  public int getNumberOfVariables() ;
  public int getNumberOfObjectives() ;

  public Solution<T> copy() ;

  public void setAttribute(Object id, Object value) ;
  public Object getAttribute(Object id) ;
}

该接口规定了获取solution对象变量和目标函数的方法、复制方法以及获取solution对象解决方案属性的方法。

编码定义

特定的编码定义需要实现或继承Solution接口，实数编码和整数编码对应的接口如下

package org.uma.jmetal.solution;

public interface DoubleSolution extends Solution<Double> {
  public Double getLowerBound(int index) ;
  public Double getUpperBound(int index) ;
}

package org.uma.jmetal.solution;

public interface IntegerSolution extends Solution<Integer> {
  public Integer getLowerBound(int index) ;
  public Integer getUpperBound(int index) ;
}

这些接口要求实现获取上下限的方法，具体实现过程由实现类自行定义

此外二进制编码的接口代码如下：

import org.uma.jmetal.util.binarySet.BinarySet;

public interface BinarySolution extends Solution<BinarySet> {
  public int getNumberOfBits(int index) ;
  public int getTotalNumberOfBits() ;
}

假设我们打算表示一个二进制变量列表。
所采用的方法允许定义具有混合变量的编码。例如，此接口定义由double和int值列表组成的解决方案：

package org.uma.jmetal.solution;

public interface IntegerDoubleSolution extends Solution<Number> {
  public Number getLowerBound(int index) ;
  public Number getUpperBound(int index) ;
  public int getNumberOfIntegerVariables() ;
  public int getNumberOfDoubleVariables() ;
}

接口的实现类

我们不仅提供了Solution接口，还提供了接口的默认实现，首先就是 AbstractGenericSolution类

package org.uma.jmetal.solution.impl;

public abstract class AbstractGenericSolution<T, P extends Problem<?>> implements Solution<T> {
  private double[] objectives;
  private List<T> variables;
  protected P problem ;
  protected double overallConstraintViolationDegree ;
  protected int numberOfViolatedConstraints ;
  protected Map<Object, Object> attributes ;
  protected final JMetalRandom randomGenerator ;

这个类实现了Solution接口中所有的方法，同时这个类也被所有的Solution实现类所继承，包括: DefaultBinarySolution, DefaultIntegerSolution, DefaultDoubleSolution, DefaultIntegerDoubleSolution, DefaultIntegerPermutationSolution, 和 DefaultDoubleBinarySolution.

种群概念

在jMetal5中取消了专门作为“种群”的类，而是以 Solution 的集合代替：

/* A population of double solutions */
List<DoubleSolution> doublePopulation ;

/* The same population using the generic interface */
List<Solution<Double>> doublePopulation ;

/* A population of binary solutions */
List<BinarySolucion> binaryPopulation ;

名为SolutionListUtils的工具类提供了一系列种群的处理操作，比如查找最佳/最差方案，随机选择解决方案等

个体属性

jMetal同样支持引入属性。比如 NSGA-II 算法要求对个体进行排序以及拥挤度的相关计算，而SPEA2为个体设置了适应度函数。

可以直接操作属性，我们也涉及了包括此实用程序接口：

package org.uma.jmetal.util.solutionattribute;
/**
 * Attributes allows to extend the {@link Solution} classes to incorporate data required by
 * operators or algorithms manipulating them.
 *
 * @author Antonio J. Nebro <antonio@lcc.uma.es>
 */
public interface SolutionAttribute <S extends Solution<?>, V> {
  public void setAttribute(S solution, V value) ;
  public V getAttribute(S solution) ;
  public Object getAttributeID() ;
}

默认实现类

package org.uma.jmetal.util.solutionattribute.impl;

public class GenericSolutionAttribute <S extends Solution<?>, V> implements SolutionAttribute<S, V>{

  @SuppressWarnings("unchecked")
  @Override
  public V getAttribute(S solution) {
    return (V)solution.getAttribute(getAttributeID());
  }

  @Override
  public void setAttribute(S solution, V value) {
     solution.setAttribute(getAttributeID(), value);
  }

  @Override
  public Object getAttributeID() {
    return this.getClass() ;
  }
}

请注意，在当前实现中，GetAttributeId()返回一个类标识符。这意味着同一类不能有两个不同的属性。

属性应用实例：约束条件

优化问题可能含有边界约束，这表明个体solution的评估就不仅需要对目标函数进行计算，还要对约束进行处理。在jMetal 5中，属性被用于向问题中引入约束条件。

默认的约束处理机制是在NSGA-II中所定义的全局约束冲突处理机制，该类如下：

package org.uma.jmetal.util.solutionattribute.impl;
public class OverallConstraintViolation<S extends Solution<?>> extends GenericSolutionAttribute<S, Double> {
}

这是一个为属性指定了double类型的、继承了GenericSolutionAttribute 类的空类。通常约束条件被引入定义问题的类当中进行个体的评估，如下所示:

package org.uma.jmetal.problem.multiobjective;

/** Class representing problem Binh2 */
public class Binh2 extends AbstractDoubleProblem implements ConstrainedProblem<DoubleSolution> {
  public OverallConstraintViolation<DoubleSolution> overallConstraintViolationDegree ;
  public NumberOfViolatedConstraints<DoubleSolution> numberOfViolatedConstraints ;
  /**
   * Constructor
   * Creates a default instance of the Binh2 problem
   */
  public Binh2() {
    ...
    overallConstraintViolationDegree = new OverallConstraintViolation<DoubleSolution>() ;
    numberOfViolatedConstraints = new NumberOfViolatedConstraints<DoubleSolution>() ;
  }

  /** Evaluate() method */
  @Override
  public void evaluate(DoubleSolution solution) {
     ...
  }

  /** EvaluateConstraints() method */
  @Override
  public void evaluateConstraints(DoubleSolution solution)  {
    double[] constraint = new double[this.getNumberOfConstraints()];

    double x0 = solution.getVariableValue(0) ;
    double x1 = solution.getVariableValue(1) ;

    constraint[0] = -1.0 * (x0 - 5) * (x0 - 5) - x1 * x1 + 25.0;
    constraint[1] = (x0 - 8) * (x0 - 8) + (x1 + 3) * (x1 + 3) - 7.7;

    double overallConstraintViolation = 0.0;
    int violatedConstraints = 0;
    for (int i = 0; i < this.getNumberOfConstraints(); i++) {
      if (constraint[i] < 0.0) {
        overallConstraintViolation += constraint[i];
        violatedConstraints++;
      }
    }

    overallConstraintViolationDegree.setAttribute(solution, overallConstraintViolation);
    numberOfViolatedConstraints.setAttribute(solution, violatedConstraints);
  }

此外还包含了另外一个NumberOfViolatedConstraints属性，用于设定特定的个体所违反的约束的个数

属性应用实例：范围值

针对属性的操作是可以被封装的，例如我们封装了以下接口来为solution进行排序（NSGA-II的排序）:

package org.uma.jmetal.util.solutionattribute;

import java.util.List;

/**
 * Ranks a list of solutions according to the dominance relationship
 *
 * @author Antonio J. Nebro <antonio@lcc.uma.es>
 */
public interface Ranking<S extends Solution<?>> extends SolutionAttribute<S, Integer>{
  public Ranking<S> computeRanking(List<S> solutionList) ;
  public List<S> getSubfront(int rank) ;
  public int getNumberOfSubfronts() ;
}

因此客户端类（例如，NSGAII类）只能使用：

Ranking ranking = computeRanking(jointPopulation);

通过这种方式，solution属性由实现排序的类在内部管理，并隐藏在启发式算法中。