Designing optimizers that remain effective under tight evaluation budgets is critical in expensive black-box settings such as cardiac digital twinning. We propose Frenetic Cat-inspired Particle Optimization (FCPO), a hybrid swarm method that couples particle swarm optimization-like dynamics with an explicit-state Markov switching controller to schedule exploration and refinement operators online. FCPO integrates (i) state-conditioned bounded motion, (ii) an elite-difference global jump operator to escape stagnation, (iii) eigen-space guided local refinement from elite covariance, and (iv) linear population size reduction to control late-stage computational cost. We benchmark FCPO on five representative functions from the Congress on Evolutionary Computation (CEC) 2022 suite (F1, F2, F3, F6 and F10) at dimensions D$\in${10,20} over 30 independent runs, comparing against PSO, CSO, CLPSO, SHADE, L-SHADE and CMA-ES. FCPO achieves the lowest mean runtime across the ten benchmark cases (average 0.183 s), about 2.3x faster than CMA-ES and 2.6x faster than L-SHADE in our Python implementation. On the multimodal composition function F10 at D=20, FCPO attains the best mean objective (9.625x 10^2 $\pm$ 1.275x 10^3) and remains faster than CMA-ES (0.602 s vs. 1.126 s mean runtime). On structured landscapes (F1--F3) and on the hybrid function (F6), CMA-ES remains the most accurate method, while FCPO substantially improves over classical swarms and maintains a favorable accuracy--runtime trade-off. Finally, in a ventricular activation digital twin calibration task, FCPO reaches the target electrocardiogram (ECG) fidelity (RMSE<0.1 mV) within ~ 40 iterations and produces physiologically plausible activation maps with robust convergence across repeated initializations, supporting its use as a practical optimizer for expensive inverse problems.


翻译:在心脏数字孪生等昂贵黑箱优化场景中,如何设计在严格评估预算下仍保持有效性的优化器至关重要。本文提出疯狂灵感启发式粒子优化算法(FCPO),这是一种将类粒子群优化动力学与显式状态马尔可夫切换控制器相结合的混合群智能方法,可在线上调度勘探与精炼算子。FCPO集成了以下四个核心机制:(i)状态条件约束运动;(ii)用于跳出停滞状态的精英差分全局跳跃算子;(iii)基于精英协方差的本征空间引导局部精炼策略;(iv)线性种群规模缩减机制以控制后期计算成本。我们选取进化计算大会(CEC)2022基准测试套件中五个代表性函数(F1、F2、F3、F6、F10)在维度D∈{10,20}上进行了30次独立运行实验,并将FCPO与PSO、CSO、CLPSO、SHADE、L-SHADE及CMA-ES算法进行对比。在十个基准案例中,FCPO实现了最低平均运行时间(0.183秒),其Python实现版本较CMA-ES快约2.3倍,较L-SHADE快2.6倍。在维度D=20的多模态复合函数F10测试中,FCPO获得了最优平均目标值(9.625×10^2 ± 1.275×10^3),且运行速度仍优于CMA-ES(平均运行时间0.602秒对比1.126秒)。在结构化地貌函数(F1-F3)及混合函数(F6)测试中,CMA-ES保持最高精度,而FCPO显著提升了经典群智能算法的表现,实现了精度与运行时间之间的有利权衡。最后,在心室激活数字孪生标定任务中,FCPO能够在大约40次迭代内达到目标心电图重构保真度(均方根误差<0.1毫伏),生成生理可信的激活图,并在多次重复初始化中保持稳健收敛,证实其作为昂贵逆问题实用性优化器的价值。

0
下载
关闭预览

相关内容

在数学和计算机科学之中,算法(Algorithm)为一个计算的具体步骤,常用于计算、数据处理和自动推理。精确而言,算法是一个表示为有限长列表的有效方法。算法应包含清晰定义的指令用于计算函数。 来自维基百科: 算法
《通信和导航中的优化算法设计》美国空军研究实验室
专知会员服务
40+阅读 · 2022年8月19日
专知会员服务
37+阅读 · 2021年9月12日
谷歌EfficientNet缩放模型,PyTorch实现登热榜
机器学习算法与Python学习
11+阅读 · 2019年6月4日
【AAAI专题】论文分享:以生物可塑性为核心的类脑脉冲神经网络
中国科学院自动化研究所
15+阅读 · 2018年1月23日
从浅层模型到深度模型:概览机器学习优化算法
机器之心
27+阅读 · 2017年7月9日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
8+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
9+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
BES:让语言模型通过双向进化搜索自我改进
专知会员服务
2+阅读 · 5月30日
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
4+阅读 · 5月30日
《Palantir任务保障性软件安全标准(MA-S2)》
专知会员服务
9+阅读 · 5月30日
基于声学的无人机检测技术综述
专知会员服务
6+阅读 · 5月30日
《当代混合战争分析框架:俄乌战争经验教训》
战略前沿人工智能的再思考(中文)
专知会员服务
7+阅读 · 5月29日
《量化地基防空系统间接效应的博弈论方法》
专知会员服务
5+阅读 · 5月29日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
8+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
9+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员