Tp chí Khoa học Đại học Công Thương 25 (5) (2025) 148-157
148
KT HP THUT TOÁN TI ƯU TRƯỜNG ĐIN T VÀ TI ƯU
ĐA VŨ TR: CHIẾN LƯỢC LAI SONG SONG VÀ CHIA S THÔNG TIN
VI NG DNG TRONG CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU
Đinh Nguyễn Trọng Nghĩa1*, Dương Thị Thúy Nga2
1Trường Đại học Công Thương Thành phố Hồ Chí Minh
2 Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Thành phố Hồ Chí Minh
*Email: nghiadnt@huit.edu.vn
Ngày nhn bài: 25/11/2024; Ngày nhn bài sa: 15/01/2025; Ngày chp nhận đăng: 03/3/2025
TÓM TT
Bài báo này đề xut mt chiến lược kết hp gia thut toán Tối ưu trường điện t (Electromagnetic
Field Optimizer - EFO) và tối ưu Đa vũ trụ (Multi-Verse Optimizer - MVO) bng cách s dụng phương
pháp chy song song kết hp vi chia s thông tin định k, gi là EFO-MVO. Phương pháp kết hp này
khai thác ưu điểm ca tng thut toán: EFO có kh năng khai thác cục b tốt, trong khi MVO có ưu thế
trong khám phá toàn cục. Đ đánh giá hiệu sut ca EFO-MVO, chúng tôi đã thực nghim trên 6 hàm
kim chng ph biến: Sphere, Rastrigin, Rosenbrock, Ackley, Griewank, Zakharov. Kết qu cho
thy rng EFO-MVO đều đạt được kết qu tối ưu vượt tri so vi các thut toán riêng l EFO, MVO,
và Genetic Algorithm (GA). Phương pháp EFO-MVO chứng minh được hiu qu trong vic tránh các
cc tr cc b hi t nhanh chóng v nghim tối ưu, cho thy tiềm năng ng dng mnh m trong
các bài toán tối ưu hóa phức tp.
Keywords: Thuật toán tối ưu hóa lai, Electromagnetic Field Optimizer (EFO), Multi-Verse Optimizer
(MVO), Hàm kiểm chứng, Kết hợp metaheuristic.
1. M ĐẦU
Trong những năm gần đây, các thuật toán tối ưu hóa metaheuristic đã trở thành công c quan trng
trong vic gii quyết các bài toán phc tp và phi tuyến [1]. Các bài toán tối ưu hóa thc tế thường
không gian tìm kiếm lớn, đa cực tr và đòi hi kh năng hội t nhanh, do đó việc phát triển các phương
pháp tối ưu hóa hiệu qu hơn là một nhu cu cp thiết [2]. Hai trong s các thut toán metaheuristic mi
đưc phát trin, Electromagnetic Field Optimizer (EFO) [3] Multi-Verse Optimizer (MVO) [4], đã
cho thy tiềm năng ln nh vào kh năng khai thác cục b khám phá toàn cc, mi thut toán
những ưu điểm và hn chế riêng bit.
EFO được gii thiu bi Abedinpourshotorban cng s vào năm 2016 [3], phng các lc
đin t gia c hạt trong trường điện t. Các ht trong EFO chịu tác động bi lc hút hoặc đẩy tùy
thuộc vào độ php ca chúng, vi các gii pháp tốt hơn thu hút các hạt xung quanh để tối ưu hóa cục
bộ. Điều này giúp EFO có kh năng khai thác mạnh m các vùng tiềm năng, tuy nhiên thuật toán
th gặp khó khăn khi cần tìm kiếm trên toàn b không gian ln vi nhiu cc tr cc b.
MVO được Mirjalili [4] và cng s phát triển vào năm 2015, lấy cm hng t lý thuyết đa vũ trụ,
nơi các vũ trụ vi các mức độ phù hp khác nhau giãn n và trao đổi vt cht. MVO có kh năng khám
phá không gian tìm kiếm rng ln, giúp tránh rơi vào các cực tr cc bộ. Tuy nhiên, MVO thưng hi
t chậm hơn ở các vùng cc bộ, điều này có th hn chế kh năng khai thác giải pháp chi tiết.
Mặc dù EFO MVO đã cho thy hiu qu khi đưc áp dụng độc lp, s kết hp gia chúng
th mang li nhng ci tiến vượt trội hơn, khi EFO MVO b tr nhau trong quá trình tối ưu a.
Trong bài báo này, chúng tôi đề xut mt thut toán lai mi, gi là EFO-MVO, kết hp chy song song
gia EFO và MVO với cơ chế chia s thông tin định k. Chiến lược này nhằm khai thác ưu thế ca mi
thut toán, vi MVO ph trách khám phá không gian toàn cc và EFO tinh chnh gii pháp ti các khu
DOI: https://doi.org/10.62985/j.huit_ojs.vol25.no5.323
Kết hp thut toán tối ưu trường điện t và tối ưu đa vũ trụ: Chiến lược lai song song
149
vc cc bộ. Đồng thi, thông tin v các gii pháp tt nht s đưc chia s gia hai thut toán, giúp ci
thin kh năng hội t và tránh được cc tr cc b.
Để đánh ghiệu qu ca EFO-MVO, chúng tôi thc nghim trên 6 hàm kim chng ni tiếng
trong tối ưu hóa, bao gồm: Sphere, Rastrigin, Rosenbrock, Ackley, Griewank, và Zakharov. Chúng tôi
cũng so sánh EFO-MVO vi các thut toán thành phần EFO và MVO, cũng như Genetic Algorithm
(GA) - mt thut toán metaheuristic truyn thng, nhằm xác định tính ưu việt của phương pháp kết hp
này.
Kết qu thc nghim cho thy EFO-MVO không ch đt hiu sut tt hơn so vi các thut toán
riêng l còn hi t nhanh hơn hiu qu hơn trong các bài toán nhiu cc tr cc b. Kết qu
này khẳng định rng vic kết hp EFO và MVO trong mt hình song song chia s thông tin
thmt chiến lược ti ưu hóa hứa hn, có tiềm năng ứng dng trong các bài toán thc tế như lập lch,
tối ưu hóa mng, và gi ý danh mục đầu tư.
2. CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
S kết hp gia các thuật toán metaheuristic đã trở thành một hướng nghiên cu quan trng nhm
tn dụng các ưu điểm ca tng thut toán khc phc nhng hn chế ca chúng [5]. Các công trình
trước đây đã chứng minh rằng các phương pháp lai hóa này th mang li hiu suất vượt tri trong
vic gii quyết các bài toán tối ưu hóa phức tạp, đc bit nhng bài toán nhiu cc tr cc b
không gian tìm kiếm ln.
Mt trong những phương pháp kết hp ni bt s lai hóa gia Genetic Algorithm (GA)
Particle Swarm Optimization (PSO) [6]. Nghiên cu ca Rahmat-Samii cng s (2019) [6] đã đề
xut mt chiến lược lai hóa gia hai thut toán này bng cách s dng GA để khám phá toàn cc và
PSO để tinh chnh cc bộ. Trong phương pháp này, GA đưc s dụng đ tìm kiếm các vùng tiềm năng
trong không gian, trong khi PSO đm nhim vai trò tối ưu hóa giải pháp trong các vùng đó. Kết qu cho
thy rng s kết hp này giúp gim thiểu nguy cơ rơi vào các cc tr cc bci thin tốc độ hi t.
Bên cạnh đó, sự kết hp gia Differential Evolution (DE) và Ant Colony Optimization (ACO) [7]
cũng đã thu hút sự quan tâm đáng kể. Công trình ca Zhang và cng s (2018) [7] đã đề xut mt thut
toán lai DE-ACO, trong đó DE chịu trách nhim khai thác các gii pháp tim năng bằng cách s dng
phép biến đổi vi phân, còn ACO đóng vai trò điều hướng các lối đi tiềm năng trong không gian tìm
kiếm thông qua cơ chế pheromone. Kết qu thc nghim trên các bài toán tối ưu hóa liên tục và ri rc
cho thy DE-ACO mang li hiu suất cao hơn đáng k so vi các thuật toán đơn lẻ.
Mt ví d khác là s kết hp giữa Simulated Annealing (SA) và Tabu Search (TS), được đ xut
bi Katsigiannis (2012) [8]. Trong công trình này, phương pháp lai này sử dụng để gii bài toán tối ưu
kích thước cho các h thống điện năng tự tr nh (SAPS) s dụng năng lượng tái to ti vùng Chania,
Hy Lạp. Phương pháp lai này tn dụng ưu điểm ca SA trong khám phá không gian tìm kiếm và TS
trong khai thác cc b, nhm ti thiểu hóa chi phí năng lượng ((sic)/kWh). Kết qu thc nghim phân
tích độ nhy cho thấy phương pháp SA-TS vượt tri v chất lượng gii pháp và tốc độ hi t so vi SA
hoc TS riêng l.
Ngoài ra, s kết hp giữa Harmony Search (HS) Firefly Algorithm (FA) cũng đưc nghiên cu
bi Bongale cng s (2019) [9]. Công trình này đề xut mt giao thc lai cho bu chọn đầu cm
trong mng cm biến không dây (WSN) da trên thut toán Firefly Harmony Search, nhm tối ưu
hóa tiêu th năng lượng và tăng hiu qu truyn d liu. Quy trình bu chọn đầu cụm được chia thành
hai cấp độ: cấp đu s dụng Harmony Search để chọn ban đầu các nút đu cm tối ưu, sau đó Firefly
đưc s dụng để tinh chnh da trên mật độ nút, độ nén cụm năng lượng tiêu th. Kết qu thc
nghim trên trình phng NS 2.34 cho thy giao thức lai vượt tri so vi các giao thc LEACH,
LEACH-C, EOICHD và Firefly đơn thun v tiêu chí năng lượng và tui th mng.
Zhou cng s (2017) [10] đã đề xut mt thuật toán lai đa mục tiêu MOHABC (Multi-Objective
Hybrid Artificial Bee Colony) đ gii quyết bài toán dch v và la chn tối ưu (SCOS) trong sản xut
đám mây, vi mc tiêu tối ưu cả chất lượng dch v tiêu th năng lượng t góc độ kinh tế môi
trường. Thut toán kết hợp Pareto dominance để định ng tìm kiếm, cuckoo search vi Levy flight
nhằm duy trì đa dạng qun th, chiến lược hc toàn diện để cân bng kh năng khai thác khám
Đinh Nguyễn Trọng Nghĩa, Dương Thị Thúy Nga
150
phá. Kết qu thc nghim cho thấy MOHABC vượt tri so vi c thuật toán đa mc tiêu khác trong
bài toán SCOS.
Những công trình nêu trên đã khẳng định rng s kết hp gia các thut toán metaheuristic là mt
ớng đi triển vng, không ch ci thin hiu sut tối ưu hóa mà còn tăng tính linh hot và kh năng áp
dng ca các thut toán vào các bài toán thc tế phc tp. Các nghiên cu này là tiền đề quan trọng để
phát trin các chiến lược lai hóa mnh m và sáng tạo hơn trong lĩnh vực tối ưu hóa hiện đại.
3. MÔ T THUẬT TOÁN Đ XUT
3.1. Electromagnetic Field Optimizer (EFO)
EFO mt thuật toán metaheuristic được phát trin da trên nguyên lý hoạt động của trường điện
từ, trong đó các gii pháp (cá thể) được mô phng như các hạt mang điện tích. Thut toán s dng lc
hút và lực đẩy để điu chnh v trí ca các cá th, vi mc tiêu tìm kiếm các nghim ti ưu. Các hạt có
fitness tốt hơn đóng vai trò như các ngun lc hút mnh, thu hút các ht khác v phía mình. Ngược li,
các ht có fitness thấp hơn sẽ to lực đy, loi b các gii pháp kém tiềm năng ra khỏi vùng tìm kiếm.
3.1.1. Nguyên lý hoạt động
EFO hoạt đng da trên vic phân chia các cá th trong qun th thành hai nhóm:
Ht phát sinh lc hút (Ht tt): Là các gii pháp có fitness tốt hơn trong quần th. Các ht này có
xu hướng thu hút các ht khác, giúp tinh chnh gii pháp trong vùng lân cn.
Ht phát sinh lực đy (Ht kém): Là các gii pháp có fitness thp. Lực đẩy t các ht này giúp loi
b các giải pháp kém và thúc đẩy vic tìm kiếm các vùng không gian khác.
3.1.2. Quá trình tối ưu hóa
Khi to qun th: Các cá th ban đầu được khi to ngu nhiên trong không gian tìm kiếm.
Tính lực điện t: Tng cá th được đánh giá fitness và chịu tác động bi lc hút hoc lực đẩy da
trên v trí và fitness ca các ht khác.
Cp nht v trí th: Các ht di chuyn v phía ht tt hơn hoặc b đẩy ra xa, da trên gtr
fitness và lực điện t.
Lp li: Tiếp tc tính toán lc và cp nht v trí cho đến khi đt tiêu chí dng (s vòng lp tối đa
hoặc đạt nghim tối ưu).
3.1.3. Kh năng khai thác cục b tt
Mt trong những điểm mnh ca EFO là kh năng khai thác cục b. Lực hút đưc thiết kế để tp
trung các ht quanh các gii pháp tt, giúp tinh chnh gii pháp trong các vùng tiềm năng. Khi các hạt
di chuyn v phía các ngun lc hút mnh, chúng dn hi t v các vùng cc b fitness cao hơn.
Điều này làm cho EFO đc bit hiu qu trong vic tối ưu hóa chi tiết các vùng không gian lân cn ca
gii pháp tt nht hin ti.
Tuy nhiên, kh năng khám phá toàn cc ca EFO li b hn chế, đc bit khi qun th hi t sm
quanh mt cc tr cc bộ. Đây do EFO thường được kết hp vi các thut toán khác kh
năng khám phá mạnh m hơn, như MVO, để ci thin hiu sut ti ưu hóa trên không gian tìm kiếm
rng ln.
3.2. Multi-Verse Optimizer (MVO)
MVO mt thuật toán metaheuristic đưc phát trin da trên thuyết đa trụ, trong đó các
giải pháp được phng như các trụ mức độ phù hợp (fitness) khác nhau. Ý ng chính ca
MVO là khai thác mi quan h giữa các vũ trụ thông qua các cơ chế như giãn n (inflation) và trao đổi
vt chất (material exchange). Các vũ tr có fitness tốt hơn sẽ giãn n mạnh hơn, thu hút các vũ trụ kém
hơn để trao đổi thông tin và tìm kiếm các gii pháp tốt hơn.
3.2.1. Nguyên lý hoạt động
MVO s dụng cơ chế giãn n và trao đổi vt cht giữa các vũ trụ để tối ưu hóa. Các giải pháp tt
hơn (vũ trụ fitness cao) đóng vai trò như nguồn lực hút, điều hướng các gii pháp khác tiến v phía
Kết hp thut toán tối ưu trường điện t và tối ưu đa vũ trụ: Chiến lược lai song song
151
chúng, giúp khám phá các vùng không gian rng ln. Cơ chế này mang li cho MVO kh năng khám phá
toàn cc mnh m, đc bit trong các bài toán có không gianm kiếm rng ln và nhiu cc tr cc b.
3.2.2. Quá trình tối ưu hóa
Khi to qun th: Các giải pháp ban đầu (vũ trụ) được to ngu nhiên trong không gian tìm kiếm.
Tính toán giãn n: Mi vũ trụ đưc gán mt giá tr giãn n t l thun vi fitness của nó. trụ
tốt hơn sẽ giãn n mạnh hơn, làm tăng kh năng thu hút các vũ trụ khác.
Trao đổi vt chất: Các trụ kém hơn xu hướng trao đổi vt cht với trụ tốt hơn, dẫn đến
s ci thin các gii pháp.
Thay thếcp nhật: Các vũ trụ đưc thay thế nếu gii pháp mi tốt hơn, từ đó cải thin qun th.
Lp li: Quá trình giãn n trao đi vt chất được thc hin liên tục cho đến khi đt tiêu chí
dng (s vòng lp tối đa hoặc đạt nghim tối ưu).
3.2.3. Ưu thế trong khám phá toàn cc
MVO có kh năng khám phá toàn cục vượt tri nh cơ chế giãn n và trao đổi vt cht, cho phép
nó tìm kiếm các vùng không gian mi thay vì b gii hn trong mt khu vc c thể. Đặc biệt, các vũ trụ
kém liên tc b thu hút bởi các vũ trụ tốt hơn, giúp mở rng không gian tìm kiếm và tăng khả năng thoát
khi các cc tr cc b. Kh năng khám phá toàn cục ca MVO rt hu ích trong các bài toán tối ưu hóa
phc tạp, trong đó có nhiều các cc tr cc b làm các thut toán d mc kt.
Mc MVO kh năng khám pmạnh mẽ, nhưng nó lại hi t chậm hơn khi tiếp cn các
nghim tối ưu. Điều này là do cơ chế trao đi vt chất không đủ hiu qu để tinh chnh chi tiết các gii
pháp trong vùng lân cn ca cc tr toàn cc. Hn chế này khiến MVO gặp khó khăn trong khai thác
cc bộ, đặc bit giai đoạn sau ca quá trình tối ưu hóa.
3.3. Ý tưng kết hp thut toán EFO và MVO
EFO và MVO là hai thut toán metaheuristic với các đặc điểm b sung ln nhau, tạo nên cơ sở
ng cho s kết hp. EFO ni bt vi kh năng khai thác cc b mnh m, khi s dng lc hút và lc
đẩy để tp trung vào tinh chnh các gii pháp xung quanh vùng lân cn ca cc tr hin ti. Tuy nhiên,
chính điều này li khiến EFO d mc kt ti các cc tr cc bộ, đc bit khi không gian tìm kiếm rng
ln và phc tạp. Ngược li, MVO lại có ưu thế t tri trong khám phá toàn cc, nh cơ chế giãn n
trao đi vt cht gia các gii pháp, giúp m rng không gian tìm kiếm tránh rơi vào các cc tr
cc b. Tuy nhiên, MVO li gp hn chế giai đon hi t cui cùng do kh năng tinh chỉnh gii pháp
chi tiết kém hiu qu.
Vic kết hp EFO MVO giúp tn dng thế mnh ca c hai thuật toán, đồng thi khc phc
nhng hn chế riêng l. MVO có th đảm nhn vai trò dn dt tìm kiếm toàn cục, đưa quần th đến gn
các vùng không gian có tiềm năng cao, trong khi EFO sẽ tinh chnh các giải pháp trong vùng này để đạt
đưc các nghim tối ưu. Hơn nữa, chiến lược chia s thông tin định k gia hai thuật toán đm bo rng
c kh năng khám phá và khai thác đều được cân bng trong sut quá trình tối ưu hóa. Điều này không
ch giúp ci thin tốc độ hi t mà còn tăng độ chính xác ca các giải pháp, đặc bit trên các bài toán có
không gian tìm kiếm phc tp và nhiu cc tr cc b. S kết hp này không ch hp lý mà còn ha hn
mang li hiu suất vượt tri trong các bài toán tối ưu hóa thực tế.
3.4. Thut toán kết hợp đề xut
Nghiên cứu này đề xut một phương pháp kết hp gia EFO MVO bng cách s dng chiến
c chy song song với cơ chế chia s thông tin định k, gi là EFO-MVO. Mc tiêu chính của phương
pháp kết hp này là tn dng sc mnh khai thác cc b ca EFO và kh năng khám phá toàn cục ca
MVO, t đó đạt được s cân bng tt hơn giữa khai thác và khám phá trong quá trình tối ưu hóa.
Thut toán EFO-MVO gm bốn bước chính: (1) Khi to, (2) Tìm kiếm song song, (3) Chia s
thông tin, và (4) Cp nht và tiếp tc tìm kiếm. Dưới đây là mô tả chi tiết từng bước.
c 1: Khi to
Thut toán bắt đầu bng vic khi to hai qun th gii pháp ngu nhiên cho EFO MVO, vi
các giá tr trong mi cá th đưc chn ngu nhiên trong gii hn không gian tìm kiếm. Mi cá th đưc
đánh giá da trên giá tr hàm fitness để xác định mức đ phù hp.
Đinh Nguyễn Trọng Nghĩa, Dương Thị Thúy Nga
152
c 1.1: To ngu nhiên các gii pháp cho qun th ca EFO (𝑃𝐸𝐹𝑂) qun th ca MVO
(𝑃𝑀𝑉𝑂).
c 1.2: Tính giá tr fitness cho tng cá th trong mi qun th, t đó xác định các gii pháp ban
đầu tt nht ca EFO và MVO.
c 2: Tìm kiếm song song
Trong bước này, c EFO và MVO s tiến hành tìm kiếm gii pháp tối ưu một ch song song. Mi
thut toán s áp dng các quy tc riêng của mình để điu chnh v trí ca các cá th.
Đối vi EFO: Mi cá th chịu tác động ca lực hút đẩy da trên giá tr fitness ca nó. Các
th fitness tốt hơn sẽ to ra lc hút mạnh hơn, trong khi các th fitness thấp hơn sẽ b đẩy ra
xa. Điều này giúp các cá th EFO tp trung vào khai thác cc b.
Đối vi MVO: Các cá th trong MVO s thc hin quá trình giãn n và trao đổi vt chất, trong đó
các gii pháp tốt hơn sẽ m rộng để thu hút các giải pháp kém hơn. Điều này giúp MVO khám phá
không gian rộng hơn và tránh rơi vào các cực tr cc b.
c 3: Chia s thông tin định k
Sau mt s vòng lp nht định (khong chia s định k 𝑘), hai thut toán s trao đi thông tin v
các gii pháp tt nht ca mình. Bng cách chia s các gii pháp có fitness tt nht gia EFO và MVO,
mi thut toán có th ci thin quá trình tìm kiếm ca mình bng cách khai thác các thông tin t thut
toán còn li.
c 3.1: Sau mi 𝑘 vòng lp, các gii pháp tt nht t 𝑃𝐸𝐹𝑂 𝑃𝑀𝑉𝑂 s được trao đổi gia hai
thut toán.
c 3.2: Mi thut toán s cp nht
qun th ca mình bng cách thêm vào các gii
pháp tt nht t thut toán còn lại, giúp tăng
ng kh năng hội t và tránh cc tr cc b.
c 4: Cp nht và tiếp tc tìm kiếm
Sau khi thc hin chia s thông tin, c hai
thut toán s cp nht qun th và tiếp tc quá
trình ti ưu hóa. EFO sẽ khai thác các gii pháp
t MVO tiếp tc tinh chnh cc b, trong
khi MVO s m rng không gian tìm kiếm da
trên các gii pháp mà nó nhn được t EFO.
Đối vi EFO: Các gii pháp t MVO
được đưa vào quần th s đưc tinh chnh theo
cơ chế lực điện t để tiếp tc tìm kiếm các gii
pháp tt hơn trong phạm vi cc b.
Đối vi MVO: Các gii pháp t EFO
được đưa vào qun th s giúp MVO m rng
không gian tìm kiếm tăng kh năng khám
phá toàn cc.
Thut toán EFO-MVO tn dng tt ưu
đim ca tng thut toán thành phn: kh năng
khai thác mnh m ca EFO giúp tp trung vào
vic tối ưu hóa cục b, trong khi kh năng
khám phá toàn cc của MVO giúp tăng cưng
tìm kiếm trên không gian rng lớn. chế chia
s thông tin định k gia hai thut toán còn
giúp tối ưu hóa nhanh hơn, giảm thiểu nguy cơ
rơi vào cực tr cc b và ci thiện độ hi t ca
thut toán.
Hình 1. Sơ đồ thut toán kết hp EFO và MVO