3. Генетический алгоритм

Основной проблемой при совместном использовании генетического подхода и клеточных автоматов являются вырождение и стагнация популяции, поэтому возникла необходимость в разработке специального генетического алгоритма, который бы учитывал текущее состояние популяции и текущую стадию генерации.

Предложенный генетический алгоритм состоит из нескольких состояний, и в сущности представляет собой конечный автомат с правилами переключения между стадиями генератора.

Ниже перечислены разработанные состояния генератора:

1. «нормальная» стадия генерации клеточных автоматов;

2. «форсированная» стадия, которая начинает работать при стагнации процесса генерации;

3. стадия «доводки» решения, которая начинает работать при приближении глобальному минимуму. Заметим, что из режима «доводки» решения генератор уже не будет перезапускаться даже в состоянии стагнации. Решения с других островов послужат материалом для инъекций в популяцию текущего острова.

Ниже приведена схема генетического алгоритма, который разработан в данной работе (рис. 12).

Рис. 12. Схема генетического алгоритма

Режимы работы генератора различаются алгоритмами работы генетических операций, но их общая схема и количество и порядок работы генетических операций являются одинаковыми. Эта схема предложена ниже (рис. 13).

Рис. 13 Схема работы режимов генетического алгоритма.

4. Генетические операции

Большинство генетических операция имеют два алгоритма работы, соответственно для «нормального» и «форсированного» режимов работы. Также кроме алгоритмов различаются настройки операций в соответствии с режимами работы.

5. Режимы работы генератора

Ниже описаны различные режимы работы генератора, описаны различия в алгоритмах генетических операций, которые используются в этих режимах.

1. Нормальный режим работы генератора

«Нормальный» режим работы генетического алгоритма является основным режимом работы. Именно при помощи него производится генерация начальных решений. Он отличается высокой эффективностью операции скрещивания и разнообразием генетического материала в популяции.

• Скрещивание. За одну операцию скрещивания происходит обмен только одним участком хромосомы. Обмен участками является симметричным.

• Мутация. За одну операцию мутации происходит мутация только одного гена.

• Операция отбора.

1. Форсированный режим работы генератора

• Скрещивание. За одну операцию скрещивания происходит обмен сразу несколькими участками хромосомы. Число обменов выбирается случайно. Обмен участками может быть несимметричным.

• Мутация. За одну операцию мутации возможна серия мутаций как в одном гене, так и нескольких различных генах.

3. Режим доводки

Основное отличие этого режима работы генератора от предыдущих двух заключается в том, что вместо генетического алгоритма используется эволюционная стратегия K+N, использующая только мутации. Число родителей K при апробации варьировалось в пределах [1..10], число мутаций N варьировалось в диапазоне [1..5].

Для следующего шага генетического алгоритма особи выбирались в соответствии с родителями, то есть каждому родителю сопоставлялась хромосома, полученная из него путем мутаций.