基于并行多目标进化算法的大规模复杂网络社团检测研究

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在现实生活中,存在着各种各样的复杂系统,这些复杂系统通常可以抽象地表示为复杂网络。利用社团检测算法对复杂网络进行社团检测,能更好地理解系统结构,挖掘系统潜在的信息,还可以对一些未知的功能和属性进行预测。多目标进化算法具有良好的并行性、全局搜索能力以及对多种函数类可用等优良特性,成为解决复杂网络社团检测问题的重要方法之一。但目前大多数基于进化的社团检测算法都无法很好地处理大规模网络,为了进一步提升社团检测算法在大规模复杂网络上的性能,本文分别提出了基于并行多目标进化的大规模复杂网络非重叠和重叠社团检测算法。本文的主要研究工作如下:(1)提出了基于并行多目标进化的大规模复杂网络非重叠社团检测算法(PMOEA)。为了解决大规模复杂网络的社团检测问题,本文避免直接检测整个网络的社团划分,而是采用多个多目标进化算法并行检测网络中与对应关键点相关的社团。算法主要思想是首先检测出整个网络的关键点,然后运用多个多目标进化算法并行检测网络中与对应关键点相关的社团集合,最后使用单目标进化算法,从与每个关键节点相关的社团集合中来获得整个网络的社团划分。本文采用了与传统多目标社团检测算法不同的优化目标,设计了特别的交叉变异策略,同时缩短了个体编码长度,减小进化过程中种群的搜索空间,有助于发掘出更好的社团结构。配合多线程和分布式计算资源,多个多目标进化算法并行检测,缩短了多目标进化算法检测大规模复杂网络社团的时间。本文验证了PMOEA算法在真实网络和LFR基准网络上的有效性,尤其在大规模复杂网络上,实验结果表明本文提出的PMOEA算法与六个现有的社团检测算法相比具有一定的优势。(2)提出了基于并行多目标进化的大规模复杂网络重叠社团检测算法(PMOEAO)。现实生活中很多复杂网络都是重叠结构的,但在(1)的工作中没有对重叠结构进行特殊考察,无法检测出重叠的社团结构。因此本文在(1)算法的基础上进行进一步改进,提出PMOEAO算法,该算法继承了(1)算法并行处理的机制,同时具有解决重叠社团检测问题的能力。本文算法在(1)算法的MOEA进化过程中加入了候选重叠节点策略来调整社团边界,让改进的MOEA发掘的与单个关键节点相关的社团结构具有更合理的社团边界。之后再选用评价重叠社团划分的扩展模块度作为目标函数,通过单目标进化算法来确定整个网络的重叠社团划分。通过与六个具有代表性的重叠社团检测算法的实验结果的对比表明,PMOEAO算法在解决大规模复杂网络的重叠社团检测问题上具有一定的优势。
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