TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 11, Novembe r   2014, pp. 79 7 0  ~ 797 8   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i11.61 18          7970     Re cei v ed Ap ril 20, 2014; Revi sed  Jul y  1 5 , 2014; Acce pted Augu st 10, 2014   An Improved Constrained Engineering Optimization  Design Algorithm      Yuxin Sun* 1 Qinghua Wu 2 Xuesong Yan 3   1,2 Hubei Provi n cial Ke y L a b o rator y   of Intellig ent Ro b e rt, W uhan Institute of   T e chnol og y, W uhan, Ch ina   1,2 School of Co mputer Scie nc e and En gi neer ing,W u h an Inst itute of T e chnolog y, W uha n, Chin a   School of Co mputer Scie nc e, Chin a Univ e r sit y  of Geosci ences, W uha n,  Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l y u xi n_s un@ 263.n e t 1 , 1622 375 24 9@q q .co m 2       A b st r a ct   Many e ngi ne er ing  opti m i z at io n pro b l e ms  ca n be  st ate as f unctio n  o p ti mi zation w i th c ons traine d,   intell ig ence  op timi z a t i o n  al go rithm c an s o lv e these   p r ob lem s  we l l .  Pa rticl e  Swa r m  Opti m i z a ti on  (PSO)  alg o rith m w a s deve l op ed u n d e r the insp irati on of beh av i o r law s  of bird flocks, fish schools a nd hu ma n   communiti es. In this pa per, a i m at the  disa dvanta ges  of s t andar d Particl e  Sw arm Opti mi z a t i o n  alg o ri th like  bei ng tra p ped  eas ily i n to a l o cal  opti m u m , w e   i m pr oves the  stan dard PSO  and  prop oses  a n e w   alg o rith m to s o lve the  overc o mes of the s t andar PSO. T he new  alg o rith m kee p not only th e fast  conver genc e spee d charact e r i stic of PSO, b u t effectivel y i m pr oves the c apa bil i ty of glo bal se archi ng  as  w e ll. Experi m e n t results rev e al that  the  pro pose d  al gorit h m  ca n fin d  bet ter soluti ons w hen c o mpar ed  to  other he uristic  meth ods a nd is  a pow erful opti m i z at io n alg o rit h m for e ngi ne e r ing o p ti mi z a ti o n  prob le ms.      Ke y w ords :   eng ine e ri ng o p timi z a ti on pr obl e m s, particl e sw ar m opti m i z at io n, cons traine d opti m i z a t i o n ,   evol ution a ry co mp utatio n      Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Can d idate  so lutions to  so me p r obl em s are  n o t simp ly  deem ed correct or  in co rre ct  b u are i n ste ad  rated in te rm of quality an d  finding th candid a te solu tion with th highe st qu ality is   kno w n a s  op timization. O p timization p r oble m s a r is e in many real-wo r ld sce nario s. Ta ke  for  example   the spreadi ng of manu re on a cornfield,  wh ere  de pendi n g  on  the  spe c ie s of  grain,  the  soil  quality,  expecte d a m ount of  rai n sun s hi ne  and  so  on,  we  wish to fin d  t he a m ount  a n d   composition of  fertilizer  that maximizes the crop,  whi l e st ill bei ng  within the  bounds impo sed by  environ menta l  law.  Several chall enge s ari s in optimizatio n.  First is th e nature of  the probl em  to b e   optimize d  whi c h may have  several local optima t he op timizer  can g e t stuck in, the probl em m a be discontin uou s, can d id ate solution s may yield  different fitness value s  wh en evaluated  at  different time s, and the r may be con s traints a s  to  what  candi da te solution are fea s ibl e  as  actual  solutio n s to  the  real -wo r ld  proble m . Furt h e rm o r e, the  large  numbe of ca ndidate  soluti ons  to an  optimization p r obl em  ma ke s it intractabl e to  co nsid er all can d idate sol u tio n i n   tu rn, wh ich   is the only way to be com p letely su re that the  glob a l  optimum ha s bee n foun d .  This difficult gro w s mu ch   worse with   increa sing dimen s ion a lit y, which i s  f r equ ently cal l ed the  curse of  dimen s ion a lity, a name th at is attrib ute d  to Bellman,  see fo r exa m ple [1]. This phen omen o n  ca be und erstoo d by first co n s ide r ing a n  n-dimen s ion a l binary  sea r ch -sp a ce. He re,  adding a noth e dimen s ion to  the proble m  means a d oublin g of the numbe r of  candi date solution s. So the   numbe r of candid a te sol u tions g r o w expone ntially  with increa si ng dimen s io n a lity. The sa me   prin ciple  hold s  for  continu ous o r  real-v alued  sea r ch -sp a ces, o n ly it is now th e volume of  the  sea r ch-sp a ce  that gro w s expone ntiall y with incre a sin g  dime n s ion a lity. In either  ca se i t  is   therefo r e of  great inte re st  to find optimizat ion  met hod s which  not only pe rform  well in f e dimen s ion s but do  not  req u ire a n  expon entia l  numb e r of  fitness eva l uation s  a s   the   dimen s ion a lity gro w s.  Pref erably  su ch  o p timization  m e thod s h a ve  a line a rel a tionship  betwe en  the dime nsio nality of the p r oble m  an d the nu mbe r   of  can d idate  so lutions th ey must eval uat e in   orde r to a c hi eve sati sfact o ry re sult s, that is , optimi z ation  metho d sho u ld id eally have lin ea time-complex ity O(n) in the  dimensi onalit y n of the problem to be op timized.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Con s trai ned  Enginee ring  Optim i zation De sign Algo ri thm  (Yuxin Sun)  7971 Another chall enge in optim ization a r ises  from  how mu ch or ho w little is kno w n a bout the  probl em at h and. For exa m ple, if  the optimization p r oblem is  give n by a simpl e  formula the n  it  may be possi ble to derive the inverse of that form ula and thus find its optimum. Other families  of  probl em s ha ve had  sp ecialize d  meth ods  develo p ed to o p timize th em effi ciently. But  whe n   nothing  is kn own  ab out th e optimi z atio n p r oble m  at  hand, th en th e No F r ee  Lu nch  (NFL se t of   theore m s by  Wolp ert a nd  Macrea dy   states th at  any  one  optimization meth od  will be  as likely  a s   any othe r to  find a  satisfactory  soluti on [2]. Thi s   is e s p e ci ally impo rtant in  de cidin g   wh at  perfo rman ce  goal s one  sh ould h a ve when d e sig n in g ne w optimi z ation m e tho d s, an d whet her  one shoul d a ttempt to devise the ultima te optimizatio n method  whi c h will a dapt  to all probl e m s   and  perf o rm   well. A c cordi ng to  the  NF L theo rem s   such  an  optimi z ation  meth o d  do es not  e x ist  and the  focus of this th esi s  will the r efo r e  be o n   the  op posite: Simpl e  optimi z atio n metho d s th at  perfo rm well f o r a ra nge of  probl em s of intere st.  Many engi ne ering  optimi z ation de sig n  probl em s can be fo rmu l ated a s  con s train ed  optimizatio n probl em s. The pre s en ce  of con s trai nt s may signifi cantly affect the optimizati o n   perfo rman ce s of any optimization al gorit hms for  un co nstrai ned p r o b lems.  With the increa se  of  the re sea r ch  and appli c at ions b a sed o n  evoluti ona ry computatio n techni que s [3], constrai nt  handli ng u s e d  in evolutio n a ry computati on tec hniq u e s  ha s b een  a  hot topic in  both a c ad emi c   and en gine ering fields [4,  5]. A general con s traine d optimizatio n pro b lem m a y be written  as  follows   ma x ( ) f x                                                                           (1)    Subject to:     () , 1 , 2 , . . . , , () , 1 , 2 , . . . , . ii jj g xc i n hx d j m                                                      (2)    Whe r x is a v e ctor  re sidi ng  in a n-dimen s ion a l space,  () f x is a  scalar v a lued  obje c tive  function,  () , 1 , 2 , . . . , ii g xc i n  and   () , 1 , 2 , . . . , jj hx d j m  are con s tra i nt function s that need to be  sat i sf ie d.   Evolutionary comp utation has  fo und  a wide ran ge o f  applications in variou s fi elds  of  sci en ce an d engin eeri ng. Among othe rs, evoluti ona ry algorithm (EA) have b e en proved to be  powerful glo bal optimize r s. Ge nerall y , evol utionary algo rith ms outpe rfo r m co nventi onal  optimizatio algorith m s fo r problem whi c h a r di scontinu o u s , non-differe n t ial, multi-mo dal,  noisy  and  no t well -define d  problem s,  such  a s  a r t d e s ign,  mu sic compo s ition  a nd exp e rim e ntal  desi g n s . Besi des, evolutio nary algo rith ms are al so well suitable f o r multi-crite r i a  probl em s.  Particle  Swa r m O p timizat i on (PSO ) a l gorithm  wa s an intelli ge nt tech nolog y first   pre s ente d  in  1995  by Ebe r ha rt and Ke nnedy, an it wa s develo ped u nde r th e inspiratio of  behavio ur la ws  of bird flo c ks, fish  scho ols a nd hu ma n com m unitie s  [6]. If we co mpare PSO  with  Geneti c  Algo rithms  (GAs),  we m a y find t hat they  a r all man oeuvred o n  the  ba sis of po pulat ion  operated. Bu t PSO doe sn't rely  on  geneti c  o perat ors li ke  se lection  op era t ors,  crossov e operators  an d mutatio n  o perato r s to  o perate  i ndivi dual, it o p timize s th e p opulatio n throug h   informatio n e x chan ge  amo ng in dividual s. PSO achi ev es it s o p timu m solution  by sta r ting from  a  grou p of ra n dom solution  and then  se arching  re p e a tedly. Once PSO wa s pre s ente d , it invited   wide sp rea d  concern s  am o ng schol ars in the optim ization fields a nd sh ortly afterwards it ha d   become a  studying focus within only several ye a r s.  A number  of scie n tific a c hievement s h a d   emerged in t hese fields [ 7 -9]. PSO was p r oved to  be a so rt o f  high efficie n t optimizati o n   algorith m  by nume r ou s re search  an d experim ents [10 ]. PSO is a meta-he u ri stic  as it make s few  or n o  a s sum p tions abo ut  the problem   being  optim ize d  a n d   c a s e ar ch  ve r y  la r g e sp ac es   o f   can d idate so lutions. Ho wever,  meta-h euri s tics  such as PSO  d o  not gu ara n tee an  opti m al  solutio n  is  ever foun d. Mo re spe c ifically , PSO  does  not use the g r adie n t of the  probl em b e i ng  optimize d , wh ich m ean s P S O doe not  requi re th at  the optimi z ati on p r obl em b e  differe ntiabl e a s   is requi re d by  cla s sic  o p timization  method su ch a s  g r a d ie nt de scent a nd q u a s i-Ne wton  method s. PSO can the r ef ore  also b e  u s ed  on  optim i z ation  proble m s that  ar e partially irregul a r,  noisy,  cha n g e  over time,  etc. Thi s  p a p e r im pr ove s  t he di sadva n tage s of  stan dard  PSO b e ing  easily tra ppe d into a lo cal  optimum a n d  pro p o s ed  an imp r oved  PSO algorith m  (IPSO)  wh ich   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  79 70 – 797 8   7972 prove s   to be   more simply   co ndu cted a nd with  mo re  efficient  glo bal  sea r ching  ca pability, then  use the n e algorith m  for engin eeri ng o p timization p r oblem s.      2. Particle Sw arm Optimi z a tion Algori t hm   A basic vari a n t of the PSO algorith m  works  by having a popul ation (called a  swarm) of  can d idate  sol u tions (calle d  pa rticle s).  T hese p a rticl e s a r e  moved  around  in  th e sea r ch -spa ce   according to  a few simpl e  formulae. T he movem e n t s of the particle s  are g u i ded by their  own   best  kn own  positio n in  th e sea r ch-spa ce  as  well  a s  the  e n tire   swarm' s be st  kn own  po sition.  Whe n  improved po sition s are bei ng di scovered th e s e will then co me to guide t he moveme nts of  the swarm. T he pro c e s s i s  re peated  a nd by doing  so it is hop e d , but not guarante ed, tha t   a   satisfactory solution will ev entua lly be di scovered. Formally, let  : n f RR be  the cost fun c tion   whi c h mu st be minimized. The fun c tion  take s a ca ndi date sol u tion  as a r gum ent in the form of a  vector of real  numbers an d prod uces a  real  numb e r as output which indi cate s the obje c tive   function valu e of the given candid a te so lution. The  gradient of f is not kno w n. T he goal is to find  a solution   a for whic () ( ) f af b for all  b  in th sea r ch-sp a ce, wh ich  wo uld m ean  a  is the   global minim u m. Maximization ca n be  perfo rmed by  con s ide r ing t he functio n   hf  in stead.   PSO wa s pre s ente d   und er the in spi r atio n of  bird  flock immig r ation   durin g the   co urse  of  finding fo od  a nd the n  b e  u s ed  in th e o p timization  p r o b lems.  In PS O, ea ch  opti m ization  p r ob lem  solutio n  is ta ken  as a  bird  in the se arching  spa c e and it is called “particl e” . Eve r y p a r t ic le  ha s  a  fitness valu whi c h is d e termined by targ et functi on s a nd it has al so  a velocity wh ich dete r min e s   its de stinatio n  and  di stan ce . All parti cle s   sea r ch  in  the   solutio n   spa c e for their be st positio ns an d   the po sition s of the  be st  particl es in  the  swar m. P S O is initially  a g r o up  of random  pa rticles  (ra ndom  sol u tions), a nd th en the optim um sol u tion s are fou nd by  repe ated  sea r chi ng. In every  iteration, a particle  will follow two best s to r enew itself: the best  posit ion found for a parti cle  calle d p b e s t; the b e st  p o sition  foun d  for th wh ole  swarm  called  gbe st.  All parti cle s   will  determi ne fol l owin g step s throug h the  best expe ri ences of indi viduals the m selve s  and t heir   comp anio n s.   For pa rticle id , its velocity and its po sition  rene wal form ula are a s  foll ows:    ' 12 ()( ) ()( ) id id id b i d gdb i d V V ran d P X ran d P X                       (3)    '' id id id XX V                                                 (4)    In here:     is called in ertia   weig ht, it is a   prop ortio n  factor that i s   con c erned  with  forme r   veloc i ty,  01  ,   1 and 2 are  con s tants and  a r e called a c cele rating fa ctors, no rma lly  1 2 2 () rand are rand o m  numbe rs,   id represents the positio n of particle   id id V rep r e s ent s th e velocity of  particl e id idb P g db P rep r esent  sep a rately the be st positio n pa rti c le  id has fou nd an d the positio n  of the best particle s  in the  whole  swarm .   In formula  (3 ), the first pa rt   represents t he  fo rmer vel o city of the particle, it enables the   particl e to p o s sess exp a n d ing ten den cy in the sea r chin g spa c and thu s  m a ke the alg o ri thm  be mo re  cap able i n  glo bal  se archin g; the  se con d   p a rt is  called  cognition  pa rt, it rep r e s e n ts the   pro c e s of ab sorbing   indivi dual experi e n c e kn owl edg on  the  pa rt  of   the p a rticl e ; the thi r p a rt  is called  so ci al part, it rep r ese n ts the p r oce s s of  lea r ning fro m  the  experie nces  of other p a rti c le s   on the pa rt of certai n pa rticle, and it also  sho w s th e in formation  sha r ing a nd soci al coo p e r atio among p a rti c l e s.     The flow of PSO can bri e fly descri be a s  follo win g : First, to initialize a grou p of particl es,  e.g. to give  randomly  ea ch pa rticle  a n   initial po sition   i X and an initial velocity  i V , an d then  to  cal c ulate  its f i tness valu e f .  In every ite r ation,  evalu a ted a  pa rticl e ' s  fitne s s valu e by a nalyzi n g   the velocity a nd po sition of ren e wed p a rticle i n  formula (3)  and  (4).  Wh en a  parti cle find s a   better p o sitio n  than p r evio usly, it will m a rk this  co ordinate into ve ctor P1, th vector  differe nce   betwe en P1 and the present positio n of the particl e will ran d o m ly be adde d to next vel o city   vector, so that the followi ng rene wed particl es will search  around  th is poi nt, it's also called in  formula  (3 cognition  co m pone nt. The  weig ht differe nce  of the  prese n t po sitio n  of the  pa rticle   swarm  an d th e be st p o sitio n  of the  swa r g db P will  also be added to veloci ty vector f o r adjusting  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Con s trai ned  Enginee ring  Optim i zation De sign Algo ri thm  (Yuxin Sun)  7973 the next population veloci ty. This is also called in formul a (3)  social comp on ent. These t w adjustments will  enable  particles to search  around two best s The m o st  ob vious  advant age  of PSO i s  that  th e co nverge nce speed   of  the  swarm   is  very high, schol ars like  Clerc  [11] h a s p r esented  proof on it s co nverg e n c e. He re a f a tal  w e ak ne ss  may r e su lt fr o m  th is   c h ar ac te r i s t ic W i th   con s tant in crea se of iter atio ns, the velocity  of  particl es  will grad ually dim i nish a nd re a c h zero  in the  end. At this time, the whol e swarm  will be  conve r ge d at one point in the solution  space,  if gbest particle s  hav en't found gb est, the whol swarm  will b e  trap ped i n to a lo cal  opt imum; and   the capa city  of swarm  ju mp out of  local  optimum is ra ther we ak.       3. Impro v ed  PSO Algorithm   In the  stan d a rd  PSO al g o rithm, the   converg e n c spe ed  of pa rticles is fa st, but th e   adju s tments  of cognitio n  compon ent an d so cial  com pone nt make  particl es  sea r ch  aro und  g db P   and  idb P . Accord ing to vel o cit y  and  po sition re ne wal fo rmula, on ce  the b e st i ndiv i dual in  the  swarm  is tra pped  into  a l o cal  optimu m , the info rmat ion  sha r ing   mech ani sm i n  PSO  will at tract  other  parti cle s  to a pproa ch  this lo cal  opti m um g r ad uall y , and in the   end the  whol e swa r will  be   conve r ge d at this positio n. But acco rdin g to ve locity and po sition  rene wal form u l a (3), on ce t he  whol swarm   is tra ppe d int o  a l o cal opti m um, its  co g n ition  comp o nent a nd  so ci al compo nent  will  become  zero in the end; still, because  01  and  with th numbe of ite r ation i n cre a se, the   velocity of pa rticle will be come  zero  in  the end,  th us  the wh ole  swarm i s  h a rd  to  jump o u t of t h e   local o p timu m and h a s n o  way to achie v e the global  optimum. Here a fatal we a k ne ss may re sult  from thi s  characteri stic.  With  constant increase  of iterations , t he velocity of parti cles  will  grad ually di m i nish  an rea c ze ro  in  the  end.  At this time, the  wh ol e swa r m  will   be  conve r g e d  at  one poi nt in the sol u tion space, if gbest  particl es h a ven't found g b e st, the wh ol e swarm  will  be   trappe d into  a local optim um; and the   cap a city of swarm jump  o u t of a local  optimum i s  rather  wea k . In o r d e r to g e t through thi s  di sadvantag e, in this p ape we p r e s ent a ne w alg o rit h based on PS O.    3.1. Information Sharing Mecha n ism  In order to  a v oid bei ng t r appe d into  a   local  optim u m , the n e w a l gorithm  ad o p ts a  n e w   informatio n sharin g me ch anism.  We al l kno w  that  when a pa rticl e  is searchi n g in the sol u tion  spa c e, it doe sn't kn ow the  exact positio n of t he optimum solutio n . But we can not only record  the best p o si tions an i ndiv i dual pa rticle  and t he  whol e swarm  hav e experi e n c e d , we can al so  record the  worst  po sition s an in dividual  parti cle a nd  the wh ole  swarm h a ve ex perie nced, th us  we m a y ma ke individu al  particl es mo ve in the  direction  of ev ading  the  worst  po sition s a n   individual pa rticle and the  whole flock have exper i enced, this  will su rely e n larg e the gl obal   sea r ching  sp ace  of pa rticl e and  ena bl e them to  av oid bei ng t r a pped  into a  l o cal  optimum  too   early, in the  same time, it will improve the possib ility of finding gbest in the searching space. In   the new  strat egy, the particle velo city and  po sition re newal formul a are a s  follo ws:     ' 12 ()( ) ( ) ( ) i d id id id w i d g dw V V ra nd X P ra nd X P                        (5)    '' id id id XX V              ( 6 )     In here: id w P g dw P  re pre s ent  the  worst  po sitio n   particl id ha s found an d  the worst  positio ns of the wh ole swa r m ha s found.     3.2. Elite Selection Str a te g y   In stand ard P S O algo rithm ,  the next flying direct io n o f  each p a rti c l e  is ne arly de finite, it  can  fly to th e be st in dividual  and th e  be st individ uals for th whol swa r m .  From t he a bove  con c lu sio n  we may easily to kno w  it will be the dang er for bein g  trappe d into a local o p timum .  In   orde r to de crease the po ssibility of bei ng trap ped i n to the local optimum, the  improved P S introdu ce s eli t e sele ction st rategy. Traditi onal gen et ic  algorith m  is u s ually comple te the sele ction  operation  ba sed  on  the i ndividual' s  fit ness val ue,  i n  the  me cha n ism  of elite  sel e ctio n, the   popul ation of  the front g eneration mi xed with  the  new p opul a t ion whi c h g enerate thro ugh  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  79 70 – 797 8   7974 geneti c  op era t ions, in the  mixed pop ula t ion sel e ct  th e optimum i n dividual s accordin g to a  ce rtain  probability. The specifi c  pr ocedure is as follows:    Step 1: Using  cro s sover an d mutation op eration s  for p opulatio n P1 whi c h si ze is  N then  gene rating th e next genera t ion of sub-po pulation s  P2;  Step 2: The  current po pula t ion P1 and t he nex t ge ne ration of  sub - popul ations P 2  mixed  together fo rm  a tempora r y popul ation;   Step 3: Te mp ora r y po pulati on a c cording   to fit ness val ues  in de sce nding  order,  to retai n   the best N in dividual s to form ne w pop ul ations P1.   The cha r a c te ristic  of this  strategy i s  m a inly  in  th e  fo llo w i ng  as pe c t s .  F i r s t is r o b u s t ,   becau se of u s ing thi s   sele ction  strate gy, even  wh en  the gen etic o peratio ns to   prod uce mo re  inferio r  indivi dual s, as th results of th majority  of in dividual resi d ues  of the o r i g inal p opulati o n ,   doe s not ca u s e lo wer the  fitness valu e of the individual. The seco nd is in  geneti c  diversity  maintainin g, the op eratio of large  pop u l ations,  you  can better  mai n tain the g e n e tic diversity of  the po pulatio n evolutio pro c e ss.  Thi r d is in  th sortin g m e th od, it is go o d  to ove r co me   prop ortio nal t o  ad apt to th e calculation   of scale.   Thi s  pro c e s s of  this  strategy i n  imp r ove P S O   like this: To set particle nu mber in the swarm as  m, father po pulati on and son p opulatio n add  up   to 2m. To sel e ct ra ndo mly q pairs from  m; as to e a ch  individual p a r ticle i, if the f i tness value  of  is smalle r tha n  its o ppo ne nts, we  will  win o u t and  then a dd o n e  to its ma rk,  and finally  se lect   those  pa rticle whi c have  the m a ximu m ma rk valu e into th e n e x t gene ration . The  experi m ent  result shows that this strategy greatly reduce s the possi bility of being  trapped into a local   optimum whe n  solving  cert ain functio n s.       4. Cons train e d Engineeri ng Optimiza tion Problems   In this  section, we will  carry  out num eri c al simul a tion  b a sed on some   we ll-kn own  con s trai ned engin eeri ng optimizatio n desi gn  p r obl em s to inve stigate the pe rforma nces  o f  th e   prop osed IP SO. The  sel e cted  proble m s h a ve  b e en well  studi ed befo r e  as ben chm a rks by  variou s app roache s, whi c h is useful to sho w   the  validity and effectivene ss of the prop ose d   algorith m . For each testing  proble m , the param eters  of the IPSO a r e set a s  follo ws: the nu mb er  of particle i s  100, c1 =c2 = 2 . 0 and the nu mber of iterati on is 50 0.    4.1. Tension/ Compre ssio n  String Problem   This  problem  is d e scribe d   by Arora [12],  Co ello a nd  Montes [13]  and Bel egu n du [14]. It  con s i s ts of m i nimizin g  the  weig ht ( () f x ) of a  tensio n/com p re ssi on  strin g  su bje c t to con s trai nt on she a r st re ss, surg e fre quen cy and  minimum def l e ction a s  sh own in Figu re 1. The design   variable s  are the  mea n  coil   diamete r 1 () Dx ; the wi re  diam eter  2 () dx and  the  nu mber of a c tive  coil 3 () N x . The problem can be  stated as:   Minimize:    2 32 1 () ( 2 ) f xx x x                                                             (7)    Subject to:     3 23 1 4 1 2 21 2 2 34 2 21 1 1 1 3 2 23 12 4 () 1 0 , 717 85 4 1 () 1 0 , 12 566( ) 510 8 140. 45 () 1 0 , () 1 0 . 1. 5 xx gx x xx x gx xx x x x gx xx xx gx                   ( 8 )     This p r obl e m  has be en  solved by Belegun du u s ing ei ght di fferent math ematical  optimizatio n t e ch niqu es [1 4], Arora al so solv ed thi s  problem  u s i ng a  nu meri cal  optimi z ation  techni que  cal l ed  con s trai n t  co rre ction   at co nsta nt  co st [12], Ad ditionally, Co ello  solved  this   probl em u s in g GA-b ased  method [15] a nd a fea s ib ilit y-based tou r n a ment sele ction sch e me [1 3],  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Con s trai ned  Enginee ring  Optim i zation De sign Algo ri thm  (Yuxin Sun)  7975 He  solved thi s  p r oble m  u s ing co-evol u tionary p a rti c l e  swarm opti m ization  met hod [3]. In th is   pape r, the I PSO is  run  50 time s ind epen dently. T able  1 p r e s ents the  be st solution  of  this  probl em obta i ned u s ing t he IPSO algorithm an d compa r e s  the  IPSO result s with soluti ons  repo rted  by other research ers. It  is o b vious from the  Table 1 th at the re sult o b ta ined u s ing IP SO  algorith m  is b e tter than tho s e re po rt ed p r eviou s ly in the literature.        Figure 1 .   T e n s ion/compression Str ing  Problem       T able 1. Comparison of  th e Best  Solu ti on for   T ensio n/compression String  Pro b lem  Desi gn  vari abl es   IPS O   Bele gu nd (1 98 2)   Aro r (1 98 9)   Co ello  (2 00 0)   Coello  (2 00 2)   H e  (2 00 7)  1 () x d   0 . 05 1 1 54 0 . 05 00 00  0 . 05 33 96  0 . 05 14 80  0 . 05 19 89  0 . 05 17 28  2 () x D   0 . 34 98 71 0 . 31 59 00  0 . 39 91 80  0 . 35 16 61  0 . 36 39 65  0 . 35 76 44  3 () x N   12. 07 64 32   14. 25 00 00  9.1 8 5 4 0 0  1 1 . 6 3 2 2 0 1   10. 89 05 22   1 1 . 2 4 4 5 4 3   1 () g x   0.0 0 0 0 0 0  -0 .0 00 014   0.0 0 0 0 1 9   -0 .0 02 080   -0 .0 00 013   -0 .0 00 845   2 () g x   - 0 . 00 00 07  -0 .0 03 782   -0 .0 00 018  -0 .0 00 1 1 0  -0 .0 00 021   -1 .2 60 0e -0 5   3 () g x   - 4 . 02 78 40  -3 .9 38 302  -4 .1 23 832   -4 .0 26 318   -4 .0 61 338   -4 .0 51 300   4 () g x   - 0 . 73 65 72  -0 .7 56 067  -0 .6 98 283   -4 .0 26 318   -0 .7 22 698   -0 .7 27 090   () f x   0 . 01 26 70 6 0 . 01 28 33 0 . 01 27 30 0 . 01 27 04 0 . 01 26 81 0 . 01 26 74     4.2. Pressur e  Vessel Pro b lem   A cylindrical vessel is ca p ped at both e nds  by hemi s pheri c al h ead s as sho w n i n  Figure  2. The obj ecti ve is to mini mize the total  co st, includi n g  the co st of  material, form ing and  wel d i n g .   There a r e fo u r  de sig n  va ria b les:  s T (thickn e s s of the  shel l,  1 x ),  h T (thickne ss of th e h ead 2 x ),  R   (inne r ra diu s 3 x ) and  L  (lengt h of cylindri c al se ction of  the vessel, no t includin g  the head,  4 x ).  s T  and  h T  are integer m u ltiple s of 0.062 5 inch, wit c a r e the availabl e thickne ss  o f  rolled ste e plates, an R a nd  L  are  contin uou s.   Usi ng the sa me notation g i ven by Coell o  [ 16], the problem can be  stated as foll ows:  Minimize:    22 1 3 42 31 4 1 3 ( ) 0.6224 1.7781 3.1661 19. 84 f x x x x x x xx xx                                 (9)    Subject to:     11 3 22 3 23 33 4 3 44 ( ) 0.0193 0 , ( ) 0.00954 0 , 4 ( ) 1 , 2 9 6, 0 0 0 0, 3 () 2 4 0 0 . gx x x gx x x gx x x x gx x                                                                (10)    This p r obl em  has b een  sol v ed before by  Sandgren u s ing a bran ch  and bo und te chni que   [17], by Kannan and K r am er u s ing  an a ugmente d  La gran gian M u ltiplier a pproa ch [18], by De and G ene  u s ing Ge netic  Adaptive Sea r ch  [19], by   Coell o  u s ing  GA-ba s e d  co -evolution  mo del  [15] and a fe asibility-b a se d tourn a ment  sele ction  sh eme [13], an d by He u s in g co -evolutio nary  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  79 70 – 797 8   7976 particl swa r m optimizatio n metho d  [3]. In this  p ape r, the IPSO is run  50 time s indep end ently.  The  comp ari s on s of  re su lts are sho w n in Ta ble  2. The resul t s obtain ed  usin g the IP SO   algorith m , we re better o p timized tha n  a n y other ea rli e r sol u tion s reporte d in the  literature.         Figure 2. Pre s sure Ve ssel  Problem       T able 2. Comparison of  th e Best  So lu tion for  Pressure V e ssel  Problem  Desi gn  vari abl es   IPS O   S a nd gr en   (1 98 8)   K a nn an  (1 99 4)   D eb  (1 99 7)   Coello  (2 00 0)   Coello  (2 00 2)   He   (2 00 7)   1 () s x T   0 . 81 25 00 1 . 12 50 00  1 . 12 50 00  0 . 93 75 00  0 . 81 25 00  0 . 81 25 00  0 . 81 25 00  2 () h x T   0 . 43 75 00 0 . 62 50 00  0 . 62 50 00  0 . 50 00 00  0 . 43 75 00  0 . 43 75 00  0 . 43 75 00  3 () x R   38. 86 01 00  47. 70 00 00   58. 29 10 0   48. 32 90 00   40. 32 39 00   42. 09 73 98   42. 09 12 66   4 () x L   221 .3 65 00 0  1 1 7.7 0 1 0 0 0   43. 69 00 00   1 1 2.6 7 9 0 0 0   200 .0 00 00 0   176 .6 54 05 0   176 .7 46 50 0   1 () g x   -0 .0 00 000  -0 .2 04 390   0.0 0 0 0 1 6   -0 .0 04 750   -0 .0 34 324   -0 .0 00 020   -0 .0 00 139   2 () g x   -0 .0 04 300  -0 .1 69 942  -0 .0 68 904   -0 .0 38 941   -0 .0 52 847   -0 .0 35 891   -0 .0 35 949   3 () g x   -0 .0 00 000  54. 22 60 12   -2 1. 22 010 4   - 365 2. 87 68 38   -2 7. 10 584 5  -2 7. 88 607 5   - 1 1 6 . 38 27 00  4 () g x   -1 8. 63 500   - 122 .2 99 00 0   - 196 .3 10 00 0   -1 27 .3 210 00  -4 0. 00 000 0   -6 3. 34 595 3   -6 3. 25 350 0   () f x   585 0. 38 00  812 9. 10 36  719 8. 04 28   641 0. 38 1 1   628 8. 74 45   605 9. 94 63   606 1. 07 77       4.3. Welded  Beam Proble m   The  weld ed  beam  structu r e, sho w n i n   Figure 3, i s  a  pra c tical d e sign p r obl em t hat ha been  often u s ed  as  a b e n c hma r k for te sting diffe rent  optimization  method s. Th e obje c tive is to  find the mini mum fabri c ati ng cost of the  weld ed  be a m  subj ect to  con s trai nts o n  sh ear  stress  () bendi ng stre ss  () , buckli ng l oad  () c P , end de flection () and side co nstrai nt.  There are   four   desi gn varia b l es:  1 () hx 2 () lx ; 3 () tx  and  4 () bx .         Figure 3. Wel ded Beam Problem       The m a them atical fo rmul a t ion of the  obj ective fun c tio n () f x , whic h is the total fabricating   co st mainly compri se d of the set-up, we lding  labo r, a nd materi al costs, is a s  foll ows:  Minimize:    2 12 3 4 2 ( ) 1.10 471 0 . 04 811 ( 1 4 . 0 ) f xx xx x x                           (11)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Con s trai ned  Enginee ring  Optim i zation De sign Algo ri thm  (Yuxin Sun)  7977 Subject to:     1 2 31 4 2 41 3 4 2 51 6 7 ( ) ( ) 13 000 0 , ( ) ( ) 3 000 0 0 , () 0 , ( ) 0. 10 471 0. 04 811 ( 1 4 . 0 ) 5. 0 0 , ( ) 0. 12 5 0 , () () 0 . 2 5 0 , ( ) 60 00 ( ) 0 , c gx x gx x gx x x gx x x x x gx x gx x gx P x                        (12)    Whe r e:     '2 ' ' ' ' ' 2 2 ' 12 '' 2 2 2 13 2 2 2 13 2 12 2 43 4 34 3 33 4 () ( ) 2 ( ) , 2 6 000 , 2 , 60 00( 14 ) , 2 () , 42 22 ( ) , 12 2 504 000 () , 2. 19 5 2 () , ( ) 6474 6. 022( 1 0 . 0 2823 46 ) . c x x R xx MR J x M xx x R xx x Jx x x xx x xx P xx x x                                                       (13)    The a pproa ches appli ed t o  this  proble m   incl ude  ge ometri c p r og ramming [2 0], geneti c   algorith m  wit h  bina ry rep r esentation  a nd tra d itional  penalty fun c tion [21], a  GA-ba s e d   co- evolution mo del [15] and  a feasibility-b a se d tour n a m ent sele ctio n scheme in spired by the  multi- obje c tive opti m ization  tech nique s [13],  and  co -evolut i onary  parti cl e swa r optimization  met hod  [3]. In  this pa per, the IPSO is run 50 tim e s ind epen de ntly. The com pari s on s of re sults a r e sho w in Table  3. T he re sult s obt ained  usin g the IPSO  algo rithm, we re b e tter optimi z e d  than a n y other  earlie r solutio n s re po rted in  the literature.       T able 3. Comparison of  th e Best  Solu ti on for  W e lde d  Beam  Prob lem   Desi gn  vari abl es   IPS O   Ragsdell  (1 97 6)   De b (1 99 1)   Coello  (2 00 0)   Co ello  (2 00 2)   H e  (2 00 7)  1 () x h   0 . 20 57 30  0 . 24 55 00  0 . 24 89 00  0 . 20 88 00 0 . 20 59 86 0 . 20 23 69  2 () x l   3 . 47 04 90  6 . 19 60 00 6 . 17 30 00 3 . 42 05 00 3 . 47 13 28 3 . 54 42 14  3 () x t   9 . 03 66 20  8 . 27 30 00 8 . 17 89 00 8 . 99 75 00 9 . 02 02 24 9 . 04 82 10  4 () x b   0 . 20 57 30  0 . 24 55 00 0 . 25 33 00 0 . 21 00 00 0 . 20 64 80 0 . 20 57 23  () f x   1 . 72 48 00 2 . 38 59 37  2 . 43 31 16  - 1 . 7 4 8 3 0 9   1 . 72 82 26  1 . 72 80 24      5. Conclusio n   This  pap er in trodu ce  a ne w alg o rithm  based o n  the  stand ard PSO algo rithm,  for th e   stand ard PS O algo rithm t he ne w alg o rithm has  don e two imp r ov ements: 1 )  B y  introdu cing  a  new info rmat ion sh arin g mech ani sm, make p a rti c l e s moved o n  the contra ry  directio n of the   worst individ ual po sition s and the worst whole swa r m position s , thus e n large  global  sea r ch ing   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  79 70 – 797 8   7978 space and reduce the possibility of particl es  to  be trapped i n to a local  optimum; 2) By  introducing elite selection stra tegy, decreased the  possibility  of being trapped into a local   optimum. Co mpared with  the standa rd PSO al gorithm, the new algo rithm  enlarg e s th sea r ching  sp ace  and  the  compl e xity is  not high.   E x p e rime nt  re sult s ba se d o n  s o me  well- kn o w con s trai ned engin eeri ng optimizatio n probl em an d com pari s o n s with  prev iously repo rted  results de mo nstrate th e effectivene ss,  efficien cy and robu stne ss of  the IPSO.      Referen ces   [1]  R Bellma n . D y namic Pro g ram m ing. Princ e to n: Princeton U n iversit y  Press.  1957.   [2]  DH W o lp ert, W G  Macread y. No fr ee lu n c h theor ems  for optimiz atio n.  IEEE Transactions  on  Evoluti onary C o mputati o n . 19 97; 1(1): 67-8 2 .   [3]  Qie He,  Lin g  W ang. An  e ffective co-ev o luti onar part i cle s w a rm o p timizati on for  constrai ne d   eng ine e ri ng de sign pr obl ems.  Engi neer in g Applic atio ns of Artificial Intel lig e n ce . 200 7; 20: 89-9 9 [4]  Coel lo  CAC,  Montes EM.  C onstrai nt-ha ndl ing  in  ge netic   alg o rithms thr o ugh  the  use  of  domi n a n ce- base d  tourn a m ent selecti on.  Advanc ed En gi neer ing Infor m atics . 2002; 1 6 : 193-2 03.   [5]  Michal e w icz Z .  Evolutio nar y A l gorit hms in En gin eeri ng Ap pli c ations. Berl in:  Spring er. 199 5: 497-5 14.   [6]  J Kennedy ,  RC Eberhart. Pa rticle S w arm   Optimization.  IEEE International Conf erenc e  on Neur al  Netw orks . 199 5: 1942- 19 48.   [7]  Clare M, Kennedy  J. T h e Particle S w arm  - E x pl osio n, Stabil i ty, an d C onv erge nce i n   a   Multidim ens ion a l Com p le x Sp ace.  IEEE Trans. on Evoluti on2ary Computation . 200 2; 6(1): 58-7 3 [8]  Coel lo C A C, MS Lech uga,  Mopso. A pr op osal fo r mu ltipl e  ob jective  par ticle s w arm  op timizatio n In  IEEE Proceedi ngs World C o n g ress on C o mp utation a l Intel l i genc e . 200 2; 1051- 105 6.   [9]  J.Kenne d y . T he particl e s w ar m: social ad ap tation of kno w l edg e.  Proc.IEEE int.Conf.on evolutionar y   computati o n . 1 997; 30 03- 300 8.  [10]  E Oscan, CK Mohan. An al ysis of A Si mple Partic le  S w a rm Optimi zation S y stem Intellige n ce   Engi neer in g Systems T h ro ugh  Artificial Ne ura l  Netw orks . 1998; 253- 25 8.  [11]  Clare M, Kennedy  J. T h e Particle S w arm  - E x pl osio n, Stabil i ty, an d C onv erge nce i n   a   Multidim ens ion a l Com p le x Sp ace.  IEEE Trans. on Evoluti on2ary Computation.  200 2; 6(1): 58-7 3 [12]  Arora JS. Introductio n  to Optimum Desig n . Ne w  York: McGra w - Hil l. 198 9.  [13]  Coel lo  CAC,  Montes EM.  C ons trai nt-ha ndl ing  in  ge netic   alg o rithms thr o ugh  the  use  of  domi n a n ce- base d  tourn a m ent selecti on.  Advanc ed En gi neer ing Infor m atics.  2002; 1 6 : 193– 20 3.  [14]  Bele gun du AD.  A stud y  of ma thematic al pro g r amming meth ods  for structural optimiz atio n.  Depart m e n t   of Civil a nd En viron m e n tal En gin eeri ng U n iv ersity of Iow a , Iow a  City.  Io w a .  1982.   [15]  Coel lo, C.A.C.  Use  of a s e lf-ada ptive pe nalt y  appr oac for  e n g i ne e r ing optimiz ati on prob lems.   Co mp uters in Industry . 200 0: 41; 113 –1 27.   [16]  Coel lo CA C. T heoretical a n d  numer ical c onstrai nt han d ling tec hni qu e s  used  w i th  evol ution a r y   alg o rithms: a s u rve y  of the st ate of the art.  Co mp uter Met hods  in Ap pli e d Mech anics  a nd En gin eer ing .   200 2: 191 (1 1/12), 124 5– 128 7.  [17]  Sand gre n  E. Nonli n e a r inte ge r and d i screte  progr ammin g  i n  mech anic a l d e sig n In Proce edi ngs of t h e   ASME Desig n  T e chno logy C o nferenc e . Kissi mine, F L . 198 8 :  95–10 5.   [18] Kann an BK, Kr amer SN. An  a ugme n ted  Lagr ang e multi p li er  base d  meth od  for mixed  inte ger d i scret e   contin uo us opti m izatio n an d it s appl icati ons t o  mech anic a l d e sig n T r ansac tions of the AS ME, Journa l   of Mechan ical  Desig n . 19 94: 116; 31 8– 32 0.  [19]  Deb  K. Gen e A S : a ro bust  op timal d e si gn t e chni que  for m e cha n ica l  c o mpon ent  desi gn.   Evol ution a ry   Algorit h m s in E ngi neer in g App licatio ns.  19 97:  497– 51 4.  [20]  Rags del l KM,  Phi lli ps DT . Optimal  des i gn  of  a  clas s of  w e ld ed   structures us i ng  geom etric  progr ammin g .  ASME Journa l of Engin eer ing  for Industries . 197 6: 98(3); 10 21– 10 25.   [21]  Deb  K. Optima l d e sig n  of  a  weld ed  be am vi a g enetic  a l gor ithms.  AIAA Journal.  19 91: 2 9 (11); 201 3– 201 5.  [22]  Xu e So ng Y a n ,  Qing Hu a W u , Che ng Y u   Hu, Qing Z h on g Li ang.  Circu i t  Desig n  Bas e d on P a rticl e   S w a rm Optimiz a tion Al gorit hms.  Key Engin e e r ing Mater i als 201 1: 474- 476:  1093- 10 98.   [23]  X.S.Yan, Qin g   Hua W u . A N e w   Optim i za it on  Algor ithm for  F unction Opti mizatio n Proc eed ings of  the   3rd Internati o n a l Sympos iu on Inte ll ig ence  Co mp utation &  Applic ations . 2 009: 14 4-1 50.   [24]  Xu eso ng Y an,  W e i L i , W e Che n , W enj in g Lu o,  C an Z han g, Ha nmin  Liu.  Cultur al  Algorit hm fo r   Engi neer in g D e sig n  Probl em s.  Internation a l  Journa l of  Co mp uter Scie nc e Issues . 201 2: 9(6): 53-61.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.