1 Генетический алгоритм

Генетический алгоритм (англ. genetic algorithm) — это эвристический алгоритм поиска, используемый для решения задач оптимизации и моделирования путем последовательного подбора, комбинирования и вариации искомых параметров с использованием механизмов, напоминающих биологическую эволюцию. Является разновидностью эволюционных вычислений (англ. evolutionary computation). Отличительной особенностью генетического алгоритма является акцент на использование оператора «скрещивания», который производит операцию рекомбинации решений-кандидатов, роль которой аналогична роли скрещивания в живой природе. «Отцом-основателем» генетических алгоритмов считается Джон Холланд (англ. John Holland), книга которого «Адаптация в естественных и искусственных системах» (англ. Adaptation in Natural and Artificial Systems) является основополагающим трудом в этой области исследований.

Генетические алгоритмы являются разновидностью методов поиска с элементами случайности и имеют цель нахождение лучшего решения по сравнению с имеющимся, а не оптимальным решением задачи. Это связано с тем, что для сложной системы часто требуется найти хоть какое-нибудь удовлетворительное решение, а проблема достижения оптимума отходит на второй план. При этом другие методы, ориентированные на поиск именно оптимального решения, вследствие чрезвычайной сложности задачи становятся вообще неприменимыми. В этом кроется причина появления, развития и роста популярности генетических алгоритмов. Хотя, как и всякий другой метод поиска, этот подход не является оптимальным методом решения любых задач. Дополнительным свойством этих алгоритмов является невмешательство человека в развивающийся процесс поиска. Человек может влиять на него лишь опосредованно, задавая определенные параметры.

Преимущества генетических алгоритмов становятся еще более прозрачными, если рассмотреть основные их отличия от традиционных методов:

1. генетические алгоритмы работают с кодами, в которых представлен набор параметров, напрямую зависящих от аргументов целевой функции. Причем интерпретация этих кодов происходит, только перед началом работы алгоритма и после завершения его работы для получения результата. В процессе работы манипуляции с кодами происходят совершенно независимо от их интерпретации, код рассматривается просто как битовая строка;

2. для поиска генетический алгоритм использует несколько точек поискового пространства одновременно, а не переходит от точки к точке, как это делается в традиционных методах. Это позволяет преодолеть один из их недостатков - опасность попадания в локальный экстремум целевой функции, если она не является унимодальной, то есть имеет несколько таких экстремумов. Использование нескольких точек одновременно значительно снижает такую возможность;

3. генетические алгоритмы в процессе работы не используют никакой дополнительной информации, что повышает скорость работы. Единственной используемой информацией может быть область допустимых значений параметров и целевой функции в произвольной точке;

4. генетический алгоритм использует как вероятностные правила для порождения новых точек анализа, так и детерминированные правила для перехода от одних точек к другим. Одновременное использование элементов случайности и детерминированности дает значительно больший эффект, чем раздельное.

Прежде чем рассматривать непосредственно работу генетического алгоритма, введем ряд терминов, которые широко используются в данной области.

Генетический алгоритм работает с кодами безотносительно их смысловой интерпретации. Поэтому сам код и его структура описываются понятием генотип, а его интерпретация, с точки зрения решаемой задачи, понятием - фенотип. Каждый код представляет, по сути, точку пространства поиска. С целью максимально приблизиться к биологическим терминам, экземпляр кода называют хромосомой, особью или индивидуумом. Далее для обозначения строки кода мы будем в основном использовать термин "особь".

На каждом шаге работы генетический алгоритм использует несколько точек поиска одновременно. Совокупность этих точек является набором особей, который называется популяцией. Количество особей в популяции называют размером популяции. На каждом шаге работы генетический алгоритм обновляет популяцию путем создания новых особей и уничтожения ненужных. Чтобы отличать популяции на каждом из шагов и сами эти шаги, их называют поколениями и обычно идентифицируют по номеру. Например, популяция, полученная из исходной популяции после первого шага работы алгоритма, будет первым поколением, после следующего шага - вторым и т. д.

В процессе работы алгоритма генерация новых особей происходит на основе моделирования процесса размножения. При этом, естественно, порождающие особи называются родителями, а порожденные - потомками. Родительская пара, как правило, порождает пару потомков. Непосредственная генерация новых кодовых строк из двух выбранных происходит за счет работы оператора скрещивания, который также называют кроссинговером (от англ., crossover). При порождении новой популяции оператор скрещивания может применяться не ко всем парам родителей. Часть этих пар может переходить в популяцию следующего поколения непосредственно. Насколько часто будет возникать такая ситуация, зависит от значения вероятности применения оператора скрещивания, которая является одним из параметров генетического алгоритма.

Моделирование процесса мутации новых особей осуществляется за счет работы оператора мутации. Основным параметром оператора мутации также является вероятность мутации.

Поскольку размер популяции фиксирован, то порождение потомков должно сопровождаться уничтожением других особей. Выбор пар родителей из популяции для порождения потомков производит оператор отбора, а выбор особей для уничтожения - оператор редукции. Основным параметром их работы является, как правило, качество особи, которое определяется значением целевой функции в точке пространства поиска, описываемой этой особью.

Таким образом, можно перечислить основные понятия и термины, используемые в области генетических алгоритмов:

1) генотип и фенотип;

2) особь и качество особи;

3) популяция и размер популяции;

4) поколение;

5) родители и потомки.

К характеристикам генетического алгоритма относятся:

1) размер популяции;

2) оператор скрещивания и вероятность его использования;

3) оператор мутации и вероятность мутации;

4) оператор отбора;

5) оператор редукции;

6) критерий останова.

Операторы отбора, скрещивания, мутации и редукции называют еще генетическими операторами.

Критерием останова работы генетического алгоритма является повторение лучшего результата в трех поколениях или достижения окончательного (достаточного) поколения.

Характеристики генетического алгоритма выбираются таким образом, чтобы обеспечить малое время работы, с одной стороны, и поиск как можно лучшего решения, с другой.

Последовательность работы генетического алгоритма

Рассмотрим теперь непосредственно работу генетического алгоритма. Общая схема его работы представлена на рисунке 1.

1. инициализация, или выбор исходной популяции хромосом;

2. оценка приспособленности хромосом в популяции – расчет функции приспособленности для каждой хромосомы;

3. проверка условия остановки алгоритма;

4. селекция хромосом – выбор тех хромосом, которые будут участвовать в создании потомков для следующей популяции;

5. применение генетических операторов – мутации и скрещивания;

6. формирование новой популяции;

7. выбор «наилучшей» хромосомы.

Рассмотрим пятый и шестой этапы: применение генетических операторов и формирование новой популяции.

Применение генетических операторов к хромосомам, отобранным с помощью селекции, приводит к формированию новой популяции потомков от созданной на предыдущем шаге родительской популяции.

В классическом генетическом алгоритме применяются два основных генетических оператора: оператор скрещивания (кроссинговер) и оператор мутации. Однако следует отметить, что оператор мутации играет явно второстепенную роль по сравнению с оператором скрещивания. Это означает, что скрещивание в классическом генетическом алгоритме производится практически всегда, тогда как мутация – достаточно редко. Вероятность скрещивания, как правило, достаточно велика, тогда как вероятность мутации устанавливается весьма малой. Это следует из аналогии с миром живых организмов, где мутации происходят чрезвычайно редко.

В генетическом алгоритме мутация хромосом может выполняться на популяции родителей перед скрещиванием либо на популяции потомков, образованных в результате скрещивания.

Оператор скрещивания. На первом этапе скрещивания выбираются пары хромосом из родительской популяции (родительского пула). Это временная популяция, состоящая из хромосом, отобранных в результате селекции и предназначенных для дальнейших преобразований операторами скрещивания и мутации с целью формирования новой популяции потомков. На данном этапе хромосомы из родительской популяции объединяются в пары. Это производится случайным способом в соответствии с вероятностью скрещивания. Далее для каждой пары отобранных таким образом родителей разыгрывается позиция гена (локус) в хромосоме, определяющая так называемую точку скрещивания.

Оператор мутации с вероятностью, изменяет значение гена в хромосоме на противоположное. Как уже упоминалось выше, вероятность мутации обычно очень мала, и именно от нее зависит, будет данный ген мутировать или нет. Вероятность мутации может эмулироваться, например, случайным выбором числа из интервала для каждого гена и отбором для выполнения этой операции тех генов, для которых разыгранное число оказывается меньшим или равным значению.

Формирование новой популяции. Хромосомы, полученные в результате применения генетических операторов к хромосомам временной родительской популяции, включаются в состав новой популяции. Она становится так называемой текущей популяцией для данной итерации генетического алгоритма. На каждой очередной итерации рассчитываются значения функции приспособленности для всех хромосом этой популяции, после чего проверяется условие остановки алгоритма и либо фиксируется результат в виде хромосомы с наибольшим значением функции приспособленности, либо осуществляется переход к следующему шагу генетического алгоритма, т.е. к селекции. В классическом генетическом алгоритме вся предшествующая популяция хромосом замещается новой популяцией потомков, имеющей ту же численность.

Рисунок 1 – Схема работы ГА