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遗传算法的概念、特点及一般算法介绍

Admin | 2009-1-6 16:58:39 | ReadNums | 8971 | 标签 it新技术 | 打印本页
     

  一、遗传算法的概念

  遗传算法(Genetic Algorithm)是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型,是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法,它是有美国Michigan大学J.Holland教授于1975年首先提出来的,并出版了颇有影响的专著《Adaptation in Natural and Artificial Systems》,GA这个名称才逐渐为人所知,J.Holland教授所提出的GA通常为简单遗传算法(SGA)。

  遗传算法是从代表问题可能潜在的解集的一个种群(population)开始的,而一个种群则由经过基因(gene)编码的一定数目的个体(individual)组成。每个个体实际上是染色体(chromosome)带有特征的实体。染色体作为遗传物质的主要载体,即多个基因的集合,其内部表现(即基因型)是某种基因组合,它决定了个体的形状的外部表现,如黑头发的特征是由染色体中控制这一特征的某种基因组合决定的。因此,在一开始需要实现从表现型到基因型的映射即编码工作。由于仿照基因编码的工作很复杂,我们往往进行简化,如二进制编码,初代种群产生之后,按照适者生存和优胜劣汰的原理,逐代(generation)演化产生出越来越好的近似解,在每一代,根据问题域中个体的适应度(fitness)大小选择(selection)个体,并借助于自然遗传学的遗传算子(genetic operators)进行组合交叉(crossover)和变异(mutation),产生出代表新的解集的种群。这个过程将导致种群像自然进化一样的后生代种群比前代更加适应于环境,末代种群中的最优个体经过解码(decoding),可以作为问题近似最优解。

  二、遗传算法的特点

  遗传算法是一类可用于复杂系统优化的具有鲁棒性的搜索算法,与传统的优化算法相比,主要有以下特点:
  ①遗传算法以决策变量的编码作为运算对象。传统的优化算法往往直接决策变量的实际植本身,而遗传算法处理决策变量的某种编码形式,使得我们可以借鉴生物学中的染色体和基因的概念,可以模仿自然界生物的遗传和进化机理,也使得我们能够方便的应用遗传操作算子。
  ②遗传算法直接以适应度作为搜索信息,无需导数等其它辅助信息。
  ③遗传算法使用多个点的搜索信息,具有隐含并行性。
  ④遗传算法使用概率搜索技术,而非确定性规则。

  三、遗传算法的一般算法

  遗传算法是基于生物学的,理解或编程都不太难。下面是遗传算法的一般算法:

  创建一个随机的初始状态

  初始种群是从解中随机选择出来的,将这些解比喻为染色体或基因,该种群被称为第一代,这和符号人工智能系统的情况不一样,在那里问题的初始状态已经给定了。

  评估适应度

  对每一个解(染色体)指定一个适应度的值,根据问题求解的实际接近程度来指定(以便逼近求解问题的答案)。不要把这些“解”与问题的“答案”混为一谈,可以把它理解成为要得到答案,系统可能需要利用的那些特性。

  繁殖(包括子代突变)

  带有较高适应度值的那些染色体更可能产生后代(后代产生后也将发生突变)。后代是父母的产物,他们由来自父母的基因结合而成,这个过程被称为“杂交”。

  下一代
  
  如果新的一代包含一个解,能产生一个充分接近或等于期望答案的输出,那么问题就已经解决了。如果情况并非如此,新的一代将重复他们父母所进行的繁衍过程,一代一代演化下去,直到达到期望的解为止。

  并行计算
  
  非常容易将遗传算法用到并行计算和群集环境中。一种方法是直接把每个节点当成一个并行的种群看待。然后有机体根据不同的繁殖方法从一个节点迁移到另一个节点。另一种方法是“农场主/劳工”体系结构,指定一个节点为“农场主”节点,负责选择有机体和分派适应度的值,另外的节点作为“劳工”节点,负责重新组合、变异和适应度函数的评估。

  四、术语说明

  由于遗传算法是由进化论和遗传学机理而产生的搜索算法,所以在这个算法中会用到很多生物遗传学知识,下面是我们将会用来的一些术语说明:

  ①染色体(Chronmosome)

  染色体又可以叫做基因型个体(individuals),一定数量的个体组成了群体(population),群体中个体的数量叫做群体大小。

  ②基因(Gene)

  基因是串中的元素,基因用于表示个体的特征。例如有一个串S=1011,则其中的1,0,1,1这4个元素分别称为基因。它们的值称为等位基因(Alletes)。

  ③基因地点(Locus)

  基因地点在算法中表示一个基因在串中的位置称为基因位置(Gene Position),有时也简称基因位。基因位置由串的左向右计算,例如在串 S=1101 中,0的基因位置是3。

  ④基因特征值(Gene Feature)

  在用串表示整数时,基因的特征值与二进制数的权一致;例如在串 S=1011 中,基因位置3中的1,它的基因特征值为2;基因位置1中的1,它的基因特征值为8。

  ⑤适应度(Fitness)

  各个个体对环境的适应程度叫做适应度(fitness)。为了体现染色体的适应能力,引入了对问题中的每一个染色体都能进行度量的函数,叫适应度函数. 这个函数是计算个体在群体中被使用的概率。


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网友评论

(访客)
内容实用原创,讲得很好。
20xx年x月x日
(站长)
有问题请在线咨询。
20xx年x月x日