# 多目标黑盒优化 本教程介绍如何使用**OpenBox**解决多目标优化问题。 ## 问题设置 在这个例子中，我们使用了具有三个输入维度的的多目标问题ZDT2。OpenBox内置了ZDT2函数，其搜索空间和目标函数被包装如下： ```python from openbox.benchmark.objective_functions.synthetic import ZDT2 dim = 3 prob = ZDT2(dim=dim) ``` ```python import numpy as np from openbox import space as sp params = {'x%d' % i: (0, 1) for i in range(1, dim+1)} space = sp.Space() space.add_variables([sp.Real(k, *v) for k, v in params.items()]) def objective_function(config: sp.Configuration): X = np.array(list(config.get_dictionary().values())) f_0 = X[..., 0] g = 1 + 9 * X[..., 1:].mean(axis=-1) f_1 = g * (1 - (f_0 / g)**2) result = dict() result['objectives'] = np.stack([f_0, f_1], axis=-1) return result ``` 在评估后，目标函数需要返回一个 `dict` **(推荐)** 其中的结果包含： + `'objectives'`：一个 **要被最小化目标值** 的 **列表/元组**。 在这个例子中，我们只有一个目标，所以这个元组只包含一个值。 + `'constraints'`：一个含有 **约束值** 的 **列表/元组**。 如果问题没有约束，返回 `None` 或者不要把这个 key 放入字典。 非正的约束值 (**"<=0"**) 表示可行。 ## 优化 ```python from openbox import Optimizer opt = Optimizer( prob.evaluate, prob.config_space, num_objectives=prob.num_objectives, num_constraints=0, max_runs=50, surrogate_type='gp', # try using 'auto'! acq_type='ehvi', # try using 'auto'! acq_optimizer_type='random_scipy', # try using 'auto'! initial_runs=2*(dim+1), init_strategy='sobol', ref_point=prob.ref_point, task_id='mo', random_state=1, # Have a try on the new HTML visualization feature! # visualization='advanced', # or 'basic'. For 'advanced', run 'pip install "openbox[extra]"' first # auto_open_html=True, # open the visualization page in your browser automatically ) opt.run() ``` 这里我们创建一个 `Optimizer` 实例，并传入目标函数和搜索空间。 其它的参数是： + `num_objectives` 和 `num_constraints` 设置目标函数将返回多少目标和约束。在这个例子中，`num_objectives=2`。 + `max_runs=50` 表示优化会进行50轮（优化目标函数50次）。 + `surrogate_type='gp'` 对于数学问题，我们推荐用高斯过程 (`'gp'`) 做贝叶斯优化的替代模型。 对于实际问题，比如超参数优化（HPO）问题，我们推荐使用随机森林(`'prf'`)。 设置为 `'auto'` 来启用{ref}`自动化算法选择 `。 + `acq_type='ehvi'` 用 **EHVI(Expected Hypervolume Improvement)** 作为贝叶斯优化的acquisition function。 对于超过三个目标的问题，请使用**MESMO**(`'mesmo'`) 或 **USEMO**(`'usemo'`)。 设置为 `'auto'` 来启用{ref}`自动化算法选择 `。 + `acq_optimizer_type='random_scipy'`. 对于数学问题，我们推荐用 `'random_scipy'` 作为 acquisition function 的优化器。 对于实际问题，比如超参数优化（HPO）问题，我们推荐使用 `'local_random'` 。 设置为 `'auto'` 来启用{ref}`自动化算法选择 `。 + `initial_runs` 设置在优化循环之前，`init_strategy`推荐使用的配置数量。 + `init_strategy='sobol'` 设置建议初始配置的策略。 + `ref_point` 指定参考点，它是用于计算超体积的目标的上限。 如果使用EHVI方法，则必须提供参考点。 在实践中，可以1）使用领域知识将参考点设置为略差于目标值的上界，其中上界是每个目标感兴趣的最大可接受值，或者2）使用动态的参考点选择策略。 + `task_id` 用来识别优化过程。 + `visualization`: `'none'`， `'basic'` 或 `'advanced'`。 详见 {ref}`可视化网页 `。 + `auto_open_html`: 是否自动在浏览器中打开可视化网页。 详见 {ref}`可视化网页 `。 然后，调用 `opt.run()` 启动优化过程。 ## 可视化 由于我们同时优化了这两个目标，我们得到了一个帕累托前沿(pareto front)作为结果。 调用 `opt.get_history().plot_pareto_front()` 来绘制帕累托前沿。 请注意，`plot_pareto_front`只在目标数为2或3时可用。 ```python import matplotlib.pyplot as plt history = opt.get_history() # plot pareto front if history.num_objectives in [2, 3]: history.plot_pareto_front() # support 2 or 3 objectives plt.show() ``` 然后绘制优化过程中与理想帕累托前沿相比的hypervolume差。 ```python # plot hypervolume history.plot_hypervolumes(optimal_hypervolume=prob.max_hv, logy=True) plt.show() ``` (新功能!) 调用 `history.visualize_html()` 来显示可视化网页。 对于 `show_importance` 和 `verify_surrogate`，需要先运行 `pip install "openbox[extra]"`。 详细说明请参考 {ref}`可视化网页 `。 ```python history.visualize_html(open_html=True, show_importance=True, verify_surrogate=True, optimizer=opt) ```