torch搭建一个卷积网络模型,并用遗传算法进行参数优化,代码举例并说明每句代码的含义

时间: 2023-12-20 14:03:49 浏览: 148
以下是一个用PyTorch搭建卷积神经网络模型,并使用遗传算法进行参数优化的代码示例: ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim import numpy as np import random # 定义卷积神经网络模型 class ConvNet(nn.Module): def __init__(self): super(ConvNet, self).__init__() self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, 3, stride=1, padding=1) self.conv2 = nn.Conv2d(16, 32, 3, stride=1, padding=1) self.fc1 = nn.Linear(8 * 8 * 32, 256) self.fc2 = nn.Linear(256, 10) def forward(self, x): x = nn.functional.relu(self.conv1(x)) x = nn.functional.max_pool2d(x, 2) x = nn.functional.relu(self.conv2(x)) x = nn.functional.max_pool2d(x, 2) x = x.view(-1, 8 * 8 * 32) x = nn.functional.relu(self.fc1(x)) x = self.fc2(x) return x # 初始化种群 def init_population(pop_size, gene_length): population = [] for i in range(pop_size): chromosome = [] for j in range(gene_length): chromosome.append(random.uniform(0, 1)) population.append(chromosome) return population # 计算适应度 def fitness_function(chromosome, model, train_loader, optimizer, criterion): # 将基因转换为模型参数 params = [] for gene in chromosome: params.append(torch.tensor(gene, requires_grad=True)) optimizer.param_groups[0]['params'] = params # 训练模型 model.train() total_loss = 0 for images, labels in train_loader: optimizer.zero_grad() outputs = model(images) loss = criterion(outputs, labels) loss.backward() optimizer.step() total_loss += loss.item() # 计算适应度 fitness = 1 / (total_loss + 1e-10) return fitness # 选择 def selection(population, fitness_values, elite_size): elite_indices = np.argsort(fitness_values)[-elite_size:] elite_population = [population[i] for i in elite_indices] return elite_population # 交叉 def crossover(parent1, parent2): child1 = [] child2 = [] for i in range(len(parent1)): if random.random() < 0.5: child1.append(parent1[i]) child2.append(parent2[i]) else: child1.append(parent2[i]) child2.append(parent1[i]) return child1, child2 # 变异 def mutation(chromosome, mutation_rate): for i in range(len(chromosome)): if random.random() < mutation_rate: chromosome[i] = random.uniform(0, 1) return chromosome # 遗传算法优化 def genetic_algorithm(model, train_loader, pop_size, elite_size, mutation_rate, num_generations): # 初始化种群 gene_length = sum(p.numel() for p in model.parameters()) population = init_population(pop_size, gene_length) # 定义优化器和损失函数 optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9) criterion = nn.CrossEntropyLoss() # 遗传算法迭代 for generation in range(num_generations): # 计算适应度 fitness_values = [] for chromosome in population: fitness_values.append(fitness_function(chromosome, model, train_loader, optimizer, criterion)) # 选择 elite_population = selection(population, fitness_values, elite_size) # 交叉 offspring_population = [] num_offspring = pop_size - elite_size for i in range(num_offspring // 2): parent1 = random.choice(elite_population) parent2 = random.choice(elite_population) child1, child2 = crossover(parent1, parent2) offspring_population.append(child1) offspring_population.append(child2) # 变异 for i in range(num_offspring): offspring_population[i] = mutation(offspring_population[i], mutation_rate) # 更新种群 population = elite_population + offspring_population # 打印每代最佳适应度 best_fitness = max(fitness_values) print('Generation {}: best fitness = {}'.format(generation, best_fitness)) # 加载数据集 train_data = torch.utils.data.DataLoader(dataset=torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True, transform=torchvision.transforms.ToTensor(), download=True), batch_size=64, shuffle=True) # 创建卷积神经网络模型 model = ConvNet() # 使用遗传算法进行参数优化 genetic_algorithm(model, train_data, pop_size=20, elite_size=2, mutation_rate=0.1, num_generations=10) ``` 代码解释如下: 1. 首先导入必要的库,包括PyTorch、NumPy和random等。 2. 定义一个卷积神经网络模型`ConvNet`,其中包含了两个卷积层和两个全连接层。 3. 初始化种群的函数`init_population`接收两个参数:种群大小`pop_size`和基因长度`gene_length`,返回一个由随机浮点数组成的种群列表。 4. 计算适应度的函数`fitness_function`接收五个参数:染色体`chromosome`、卷积神经网络模型`model`、训练数据`train_loader`、优化器`optimizer`和损失函数`criterion`。该函数将基因转换为模型参数,然后在训练数据上训练模型并计算损失,最后返回适应度。 5. 选择的函数`selection`接收三个参数:种群`population`、适应度值列表`fitness_values`和精英数量`elite_size`。该函数根据适应度值从大到小排序,选择适应度最高的`elite_size`个个体作为精英。 6. 交叉的函数`crossover`接收两个参数:父代染色体`parent1`和`parent2`。该函数采用单点交叉的方法,随机选择一个位置进行交叉。 7. 变异的函数`mutation`接收两个参数:染色体`chromosome`和变异率`mutation_rate`。该函数将每个基因以概率`mutation_rate`进行变异,随机生成一个新的浮点数替换原来的基因。 8. 遗传算法优化的函数`genetic_algorithm`接收五个参数:卷积神经网络模型`model`、训练数据`train_loader`、种群大小`pop_size`、精英数量`elite_size`和变异率`mutation_rate`。该函数首先初始化种群,然后进行一定次数的迭代,每次迭代计算适应度、选择、交叉和变异,最后更新种群并打印每代最佳适应度。 9. 加载CIFAR10数据集,并创建卷积神经网络模型。 10. 使用遗传算法进行参数优化,其中`pop_size`表示种群大小,`elite_size`表示精英数量,`mutation_rate`表示变异率,`num_generations`表示迭代次数。
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