Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Card_of_Week 21005.doc
Скачиваний:
5
Добавлен:
17.11.2019
Размер:
1.4 Mб
Скачать

Генетический Алгоритм (га) и Универсальная Схема Эволюции (усэ)

... ощущение близости, общности решаемых инженерами и Природой задач, которое не так давно витало в воздухе, сегодня переросло в уверенность, что мир органических репликантов и мир культурных репликантов, к каковым относятся и научные идеи, развиваются по одинаковым законам, а значит нам есть чему учиться у Природы.1

Перенос механизмов природной эволюции в технику и другие области

Идея генетических алгоритмов заимствована у живой природы и состоит в организации эволюционного процесса, конечной целью которого является получение оптимального решения в сложной комбинаторной задаче:

  • Классическая задача коммивояжера. Суть задачи состоит в том, чтобы найти кратчайший замкнутый путь обхода нескольких городов, заданных своими координатами. Уже для N > 20 городов поиск оптимального пути представляет собой сложную задачу.

  • Имеется инвестиционный капитал, который нужно распределить среди N проектов. Для каждого проекта задана функция зависимости прибыли от объема вложения. Требуется найти наиболее прибыльный вариант распределения капитала, при условии, что заданы минимальный и максимальный объем инвестиций для каждого проекта.

  • Применение искусственной эволюции к синтезу аналогового активного фильтра. Каждый вариант схемы - индивидуум, потребление энергии, занимаемая площадь, быстродействие и устойчивость к шуму этого варианта – величина приспособленности этого индивидуума. В процессе эволюции приспособленность индивидуумов будет возрастать, т.е. будут появляться все более и более совершенные варианты схем.2

  • Существует растущая потребность в высокоэффективных антеннах средств связи, приспособленных к требованиям потребителя. Использование генетического алгоритма позволяет сделать предварительное описание желательного функционирования антенны и предоставить компьютеру искать параметры конструкции. Количество информации о конструкции, которое должен задать инженер, может быть минимальным.3

  • В процессе эволюции конструкции нет ни моделирования, ни анализа микросхемы! Полевой переключатель не запрограммирован на следование цепочке шагов-инструкций; задана исходная конфигурация, а затем ей предоставлена возможность вести себя в соответствии с физикой полупроводников.4

Генетические операторы

Кроссовер является наиболее важным генетическим оператором. Он генерирует новую хромосому, объединяя генетический материал двух родительских. Существует несколько вариантов кроссовера. Наиболее простым является одноточечный. В этом варианте просто берутся две хромосомы, и перерезаются в случайно выбранной точке. Результирующая хромосома получается из начала одной и конца другой родительских хромосом.

001100101110010|11000

00110010111001011100

110101101101000|11100

Мутация представляет собой случайное изменение хромосомы (обычно простым изменением состояния одного из битов на противоположное).

00110010111001011000

00110010111001111000

Инверсия инвертирует (изменяет) порядок следования битов в хромосоме путем циклической перестановки (случайное количество раз).

00110010111001011000

11000001100101110010

Модель отбора определяет, каким образом следует строить популяцию следующего поколения. Как правило, вероятность участия индивидуума в скрещивании берется пропорциональной его приспособленности. В любом случае каждое следующее поколение будет в среднем лучше предыдущего. Когда приспособленность индивидуумов перестает заметно увеличиваться, процесс останавливают и в качестве решения задачи оптимизации берут наилучшего из найденных индивидуумов.

В самом общем виде процесс, реализумый ГА, представляется схемой

Рис. 1

С чего начинается использование Генетического Алгоритма

Обращение к Генетическому Алгоритму и его использование обязательно означает, что мы хотим оптимизировать параметры системы, т.е. найти возможно лучший их набор.5 Отсюда, очевидно, следует, что исходный набор параметров интересующей нас системы:

  1. неоптимален с точки зрения функционирования системы.6 При невозможности улучшения эта неоптимальность в конце концов приведет к невыживанию системы - система не пройдет отбор в конкурентной среде.

  2. приводит к низкой величине идеальности (отношение «польза / затраты») системы.7

Обратим внимание на то, что при использовании ГА-подхода все время идет речь о выживании и невыживании популяции каких-либо систем, причем, систем любой природы!

Теперь вспомним причины обращения к Универсальной Схеме Эволюции. Для этих причин можно повторить практически те же, что былы предложены для ГА:

  • пониженная жизнеспособность системы, т.е. выявление проблемы, угрожающей выживанию системы.

  • пониженная идеальность системы: выявление пониженной идеальности системы (пониженной величины отношения полезных функций системы к затратным, вредным)

Генетические операторы Мутация и Инверсия на УСЭ представлены на Рис. 2, а генетический оператор Кроссовер на Рис. 3.

Отсюда вполне естественными являются совпадения порядка следования и логики блоков Генетического Алгоритма и Универсальной Схемы Эволюции (Рис. 4).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]