Swarm based optimization algorithms have demonstrated remarkable success in solving complex optimization problems. However, their widespread adoption remains sceptical due to limited transparency in how different algorithmic components influence the overall performance of the algorithm. This work presents a multi-faceted interpretability related investigations of one of the popular swarm algorithms, Particle Swarm Optimization. Through this work, we provide a framework that makes the role of different topologies and parameters in PSO interpretable and explainable using novel machine learning approach. We first developed a comprehensive landscape characterization framework using Exploratory Landscape Analysis to quantify problem difficulty and identify critical features in the problem that affects the optimization performance of PSO. Secondly, we rigorously compare three topologies -- Ring, Star, and Von Neumann -- analyzing their distinct impacts on exploration-exploitation balance, convergence behavior, and solution quality and eventually develop an explainable benchmarking framework for PSO. The work successfully decodes how swarm topologies affect information flow, diversity, and convergence. Through systematic experimentation across 24 benchmark functions in multiple dimensions, we establish practical guidelines for topology selection and parameter configuration. These findings uncover the black-box nature of PSO, providing more transparency and interpretability to swarm intelligence systems. The source code is available at https://github.com/GitNitin02/ioh_pso.


翻译:群体智能优化算法在解决复杂优化问题方面已展现出显著成效。然而,由于算法各组成部分如何影响整体性能的透明度有限,其广泛应用仍受到质疑。本研究针对一种流行的群体算法——粒子群优化算法,开展了多方面的可解释性相关探究。通过这项工作,我们提出了一个框架,利用新颖的机器学习方法,使粒子群优化中不同拓扑结构与参数的作用变得可解释与可说明。我们首先基于探索性景观分析构建了全面的景观特征描述框架,以量化问题难度并识别影响粒子群优化性能的关键问题特征。其次,我们系统比较了三种拓扑结构——环形、星形与冯·诺依曼结构,分析了它们对探索-利用平衡、收敛行为和解质量的差异化影响,并最终建立了粒子群优化的可解释基准测试框架。该研究成功揭示了群体拓扑如何影响信息流、多样性与收敛性。通过对24个多维基准函数的系统实验,我们为拓扑选择与参数配置建立了实用指南。这些发现揭示了粒子群优化的黑箱特性,为群体智能系统提供了更高的透明度与可解释性。源代码发布于 https://github.com/GitNitin02/ioh_pso。

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机器学习(Machine Learning)是一个研究计算学习方法的国际论坛。该杂志发表文章,报告广泛的学习方法应用于各种学习问题的实质性结果。该杂志的特色论文描述研究的问题和方法,应用研究和研究方法的问题。有关学习问题或方法的论文通过实证研究、理论分析或与心理现象的比较提供了坚实的支持。应用论文展示了如何应用学习方法来解决重要的应用问题。研究方法论文改进了机器学习的研究方法。所有的论文都以其他研究人员可以验证或复制的方式描述了支持证据。论文还详细说明了学习的组成部分,并讨论了关于知识表示和性能任务的假设。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/ml/
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