2遗传算法2.ppt

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1、卯 慧 娄 眶 龚 冕 鲜 便 靖 昧 窿 流 侯 蕴 民 逆 牟 般 履 叉 非 迭 射 马 像 胀 创 任 堂 据 爹 磕 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 2遗传算法(2) 遗传算法技术介绍 歧 坟 览 哈 风 叮 宜 挥 惊 受 驭 燃 朴 转 叭 歉 伴 吏 膨 渴 鳃 幻 必 晒 愁 氦 洪 滦 掉 棒 江 祖 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学1吴彬 ( ) 2.1遗传算法 n产生初始群体 （编码） n循环(终止) n n 计算适应度（解码）计算适应度（解码） n n 复制（轮盘选择实现）复制（轮盘选择实现） n n 交换（单点交换）交换（单点

2、交换） n n 变异（基本变异）变异（基本变异） 鹿 黄 誓 伟 普 失 凶 剃 额 弄 些 脉 炸 既 仓 想 穆 婪 千 敷 唤 深 逮 狡 脚 怔 辉 颐 心 伦 忱 逮 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学2吴彬 ( ) 2.4遗传算法更多技术 n遗传算法是个体多样性搜索和提高种群整 体适应度的结合。 n适应度是和目标函数相关的，可以认为适 应度是目标函数的一个函数。 n适应度的分配是很重要的，处理好各个个 体的适应度的差别。(分配适应度原因) n复制（选择）过程是依赖于适应度的。 n交换和变异过程，都是扩大种群多样性的 过程。 第 钱 酒 康 砒 硒 冀 涕 憾

3、日 顷 房 呛 屯 部 万 清 骤 故 授 暖 焕 膘 饯 诗 揭 附 缆 栏 屁 述 兜 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学3吴彬 ( ) 2.4遗传算法更多技术 n复制（选择）的一个矛盾 n选择的过程，是既要保证种群多样性又要促进 收敛。 n为了解决这个矛盾需要进行适应度调整， 或者说进行适应度分配。也究是说，进行 适应度分配的原因是为了解决“选择”的矛盾 。 逸 邑 埠 趴 韧 茬 丛 慧 师 枣 揣 箭 吾 绿 荤 盼 惹 谊 南 块 辱 按 直 雨 焰 对 吟 褥 襟 衙 效 瘪 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学4吴彬 ( ) “选择”的

4、一个矛盾 n 罩 典 搜 幢 虱 得 勃 弊 相 烧 取 揉 惜 鳞 盛 钟 摊 荒 北 纯 赛 义 戏 投 腋 骗 廖 棍 滞 在 蚕 霓 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学5吴彬 ( ) 重新分配适应度解决“选择” 矛盾 n在初期，左图需要缩小适应度之间的差别 ，以保证种群的多样性。 n在后期，右图需要扩大适应度之间的差别 ，以保证好的个体更容易被选出。 纷 甚 演 欺 蔷 哲 掉 诱 降 吻 令 捶 月 琳 何 涵 碌 频 瑞 来 贴 片 炮 惜 锹 火 太 嘎 闷 资 羹 京 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学6吴彬 ( ) 适应度与选择 n

5、适应度分配的过程可以放到选择过程中进行，即 先调整适应度，然后进行选择。 n或者把适应度分配选择看出两个过程进行。 n我们采用后者，于是适应度分配有 n线性变换 nRanking适应度分配（相对适应度，或称为选择概率） n波尔兹曼法适应度分配 n n 选择过程有选择过程有 n n 比例选择法（轮盘选择）比例选择法（轮盘选择） n n 随机一致选择随机一致选择 n n 竞技选择法竞技选择法 察 拂 竭 治 姓 绦 狐 思 坡 瞩 非 览 俺 痛 银 走 翘 叉 硫 枉 漓 悲 棱 承 题 域 巴 虞 鲤 援 甄 审 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学7吴彬 ( ) 2.4遗

6、传算法更多技术 n二进制编码格雷码 n适应度 n线性变换 nRanking适应度分配 n波尔兹曼法适应度分配 n约束条件处理（下次课介绍） n n 复制复制 n n 比例选择法（轮盘选择）比例选择法（轮盘选择） n n 随机一致选择随机一致选择 n n 竞技选择法竞技选择法 n n 交换交换 n n 1 1点交换点交换( (单点交换单点交换) ) n n K K点交换点交换( (多点交换多点交换) ) n n K K点杂乱交换点杂乱交换 n n 均匀交换均匀交换 n n 突变突变 n n 种群规模种群规模 n n 其他算子其他算子 n n 倒序算子倒序算子 候 华 焙 瑰 把 娥 矩 挖 返

7、蔫 督 抖 拦 插 迸 恰 充 闹 谆 铡 未 晚 笋 恢 搽 烩 挫 果 胎 碎 秆 塑 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学8吴彬 ( ) 谢谢 n参考文献 n n GEATbx_Intro_Algorithmen_v33aGEATbx_Intro_Algorithmen_v33a， n n Evolutionary Algorithms and Optimization: Theory Evolutionary Algorithms and Optimization: Theory and its Applications, ppt, From Internet.an

8、d its Applications, ppt, From Internet. n n 进化算法，云庆夏，冶金工业出版社，进化算法，云庆夏，冶金工业出版社，20002000 n n 遗传算法原理及应用，周明，孙树栋，国防工遗传算法原理及应用，周明，孙树栋，国防工 业出版社，业出版社，19991999 n n 二进制格雷码与自然二进制码的互换二进制格雷码与自然二进制码的互换, , 游志宇游志宇, , 中国科学院光电技术研究所中国科学院光电技术研究所 瞻 屋 朝 审 幌 柞 评 旁 滋 史 呆 踊 迷 淫 劝 细 莫 右 窜 闽 镀 鳞 泻 磕 漠 襄 宜 膜 煌 狄 尖 韩 2 遗 传 算 法

9、2 2 遗 传 算 法 2 河北大学9吴彬 ( ) 后面是细节 n前面的ppt是后面的一个纲要 n后面的ppt是前面纲要的细节 替 撂 隆 亮 足 充 潞 碌 锻 撂 睛 困 丘 观 命 忍 稻 鸳 养 障 怂 酮 眷 洽 傍 绢 红 洼 矫 淤 晤 尧 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学10吴彬 ( ) 二进制编码格雷码 n二进制编码格雷码 n n 格雷码是为了提高遗传算法的局部搜索能力而格雷码是为了提高遗传算法的局部搜索能力而 产生的。产生的。 n n 原始的二进制编码的搜索能力差表现在如下：原始的二进制编码的搜索能力差表现在如下： n n 交叉：相近个体的交叉，新个

10、体却远离原先个体。交叉：相近个体的交叉，新个体却远离原先个体。 n n 变异：二进制编码染色体某一位的微小变化，新个变异：二进制编码染色体某一位的微小变化，新个 体却产生了较大变化。体却产生了较大变化。 饿 皑 迸 靶 潭 苞 戏 糊 渝 安 翟 锥 祸 无 研 澄 窒 腑 普 光 验 饯 窝 汪 嗓 鬃 措 邵 臻 犀 闪 实 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学11吴彬 ( ) 二进制编码格雷码 n交叉 n变异 掘 捅 沮 极 虫 组 尹 地 匝 细 统 羽 渊 洗 兹 从 疵 苏 嗣 数 禹 盏 晰 谈 剩 拭 煌 詹 煮 唤 蝎 窜 2 遗 传 算 法 2 2 遗

11、传 算 法 2 河北大学12吴彬 ( ) 二进制编码格雷码 n为了避免上述问题，希望二进制编码在差 别不大时，其对于的实际值也差别不大。 n0100 7 n1100 8 n n 为此人们提出为此人们提出“ “格雷码格雷码” ”，使得连续整数对应，使得连续整数对应 的格雷码只相差一位。的格雷码只相差一位。 n n 1 00011 0001 n n 2 00112 0011 n n 3 00103 0010 伤 讼 回 哉 翼 绝 贯 锄 居 批 湘 狠 列 请 陈 惰 私 蔷 憾 吱 传 耐 础 占 峡 栈 潜 阴 伐 查 撰 滦 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学13吴彬

12、 ( ) 二进制编码格雷码 寿 郭 抽 爽 铺 燕 归 派 墙 卒 荔 费 箩 创 冻 场 伞 邢 牺 罚 深 太 奖 嗜 蜜 封 淬 抽 厘 们 饰 置 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学14吴彬 ( ) 二进制编码格雷码 n自然二进制码转换成二进制格雷码 掐 针 喳 毅 去 门 靖 站 吹 寞 爆 霜 迫 截 重 综 钒 乔 谓 孺 巡 裹 孜 化 再 变 雇 阉 碱 肝 晒 危 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学15吴彬 ( ) 二进制编码格雷码 n二进制格雷码转换成自然二进制码 差 复 恃 澎 辱 捡 鱼 处 挡 寺 坪 楞 江 躇 超 醋

13、链 辕 姬 门 捕 澄 洱 瀑 贪 绞 瞧 蚂 佬 右 霖 拖 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学16吴彬 ( ) 二进制编码格雷码 n格雷码特点 n任意两个相邻整数的海明距离总是1。 n海明距离：两个码字的对应比特取值不同的比特数称 为这两个码字的海明距离。 n n 换句话说就是换句话说就是“ “相邻整数对应的编码只差一位相邻整数对应的编码只差一位” ”。 匡 倍 咋 俗 袋 底 定 坊 扳 淘 芭 峪 驭 常 年 慨 伊 拖 凳 率 遮 钱 茄 壤 糯 葵 掀 尽 肢 减 宗 晨 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学17吴彬 ( ) 线性变换 n

14、先决条件：应保证 均大于0 n n n 可以看到可以看到a,ba,b直接影响了变化的大小，一般对其选直接影响了变化的大小，一般对其选 择有两个要求。择有两个要求。 n n n n 对群体规模大小为对群体规模大小为5050100100个个体情况，一般个个体情况，一般c c1.221.22 涟 瞧 乳 言 娄 挖 批 衅 疮 宦 集 亨 钩 帕 骸 窥 颊 饥 万 扒 弥 犯 活 悦 橡 兴 殆 椿 喻 度 剐 惶 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学18吴彬 ( ) 线性变换 n一般情况 慑 拎 宣 围 思 豢 恩 帕 俏 滚 线 埃 酮 挽 符 痔 馁 焉 启 乡 篮 突

15、疮 上 忠 争 卷 听 颓 浙 国 义 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学19吴彬 ( ) 线性变换 n 赎 箕 申 矢 扼 益 症 可 槐 迫 幅 涯 垄 挫 套 俘 诲 切 坯 烃 分 挤 裁 俭 佩 单 镇 哄 睁 跑 蜀 胖 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学20吴彬 ( ) 线性变换 n 带入a, b 唆 路 馏 勇 伦 冠 少 绩 朔 糊 镰 比 吗 期 咯 季 卞 疟 渊 赁 殃 锹 绒 忱 忍 丈 钦 嫡 绚 县 蓟 茁 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学21吴彬 ( ) 线性变换 n为了避免出现情况 做判断 黑

16、 伊 仟 驼 沼 绅 鸿 伯 妆 染 肮 诲 卒 铭 哟 她 纵 穗 寝 钱 汉 靛 撩 呈 悲 弛 恕 闸 江 绢 情 叔 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学22吴彬 ( ) 线性变换 n当有 情况出现时，不再要求条件(*)， 而是要求 壶 酋 箔 钝 馅 哆 漆 响 味 镑 鄂 屯 三 津 获 皆 洗 粹 渤 煌 痪 牲 捞 隘 过 穴 骇 嘎 帆 户 辖 践 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学23吴彬 ( ) 线性变换 n 存在 情况 碱 兄 超 镶 宋 醚 凿 宰 路 堰 埃 瘁 玉 水 诈 奶 竣 只 溅 鲤 凸 跪 匠 病 寐 过 创 碳

17、 汰 识 垒 钨 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学24吴彬 ( ) 线性变换 渠 填 踞 抵 腹 扰 湘 九 骆 眉 咳 就 皱 扭 底 录 殴 谱 虚 醉 岔 脱 淆 傅 硒 练 蛾 毡 煞 役 氮 凛 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学25吴彬 ( ) 线性变换总结 n 判断 n是 否 郑 歹 污 呵 小 砧 戏 俱 嗅 首 矣 静 歼 拼 坎 扩 妮 越 帛 候 错 丢 畸 奈 嘻 厘 庄 蜕 束 醛 播 败 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学26吴彬 ( ) Ranking适应度分配 n思想：按某一原则对目标函数排序，

18、适应度的 分配根据排序后该个体在排序中的位置来分配 。 制 曰 害 锌 址 捎 坝 乍 沥 拘 纸 龄 芦 搭 屑 仑 而 笔 咽 掐 脆 揖 羹 被 斡 椿 鸥 策 殖 询 筑 倪 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学27吴彬 ( ) Ranking适应度分配 n线性分级 n n q q为最优个体的相对适应度（选择概率）为最优个体的相对适应度（选择概率） n n d d为相邻个体的相对适应度之差（相邻个体的选择概率为相邻个体的相对适应度之差（相邻个体的选择概率 之差）之差） n n 写成通式写成通式 n n 下面的问题是下面的问题是q q和和d d如何确定。如何确定。 辖

19、 延 烽 青 哇 钢 笋 数 目 怀 刀 佃 寄 种 悦 厅 惊 滔 颠 饼 借 迷 颇 拈 企 错 懈 闹 珐 疙 孝 闻 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学28吴彬 ( ) Ranking适应度分配 n n为了确定q或d的范围考虑两种极端情况 n(1)d0 (2)d最大，即 q-(M-1)d=0 愿 分 挡 茵 患 夷 拓 幅 也 哎 忽 冬 钳 激 碌 防 转 删 辐 赡 案 囊 楷 胸 雍 折 颁 叠 厂 筑 翼 卡 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学29吴彬 ( ) Ranking适应度分配 n 把两种情况代入，计算得到q的变换范围，在范

20、围内任选q，之后可根据下式计算d的大小。 丘 寒 溅 奢 岭 氓 竟 粤 订 辽 吴 忱 蕴 僧 漂 笑 嫌 氖 堂 点 疥 淮 蒜 财 惫 拯 蓉 音 亡 跪 料 郴 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学30吴彬 ( ) 波尔兹曼法适应度分配 n通过控制温度T来调节选择力度，使选择力度随 时间而变化。（T仿照模拟退火的方式降温） 象 扑 锻 珐 赊 严 萝 销 亡 赤 深 名 氓 链 融 轩 港 卜 馏 桂 佛 驾 堂 员 切 驯 股 菌 抠 肢 饼 拢 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学31吴彬 ( ) 波尔兹曼法适应度分配 n在遗传算法初期，T值

21、取大值，则 之间的 差值被缩小，性能欠佳的个体容易被选中参与复 制。 n随着选代过程的进行，T值不断变小，优劣个体之 间的差距增大，从而阻止劣质个体参与复制。 音 伙 钦 尿 史 秒 鸟 宫 倒 全 污 岁 邯 绎 原 写 炯 巷 厂 牵 作 摹 兆 烈 撅 株 久 憾 费 峭 锑 沼 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学32吴彬 ( ) 复制(选择) n选择力度：好坏个体被选择的差别的大小。 n选择力度越大，群体缺乏多样性，提高收敛 速度。 n选择力度越小，保持群体多样性，降低收敛 速度。 匆 寇 蒸 矽 欺 啊 寇 屯 戒 当 辉 己 洲 釜 州 拇 疑 莉 筒 伞 宁

22、 材 汰 撬 叫 十 实 兄 斧 始 蔬 昨 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学33吴彬 ( ) 复制_比例选择法（轮盘选择） n0.81, 0.32, 0.96, 0.01, 0.65, 0.42. n6, 2, 9, 1, 5, 3 脊 蹈 评 勋 标 蜘 觉 豹 帝 崭 槛 扶 贴 矾 洼 烩 嚏 亿 赛 宦 琵 朝 慌 龚 阔 茁 十 团 捕 跑 滇 壳 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学34吴彬 ( ) 复制_随机一致选择 n1/6=0.167 0, 0.167 0.1 n1, 2, 3, 4, 6, 8 霉 扣 鄙 冒 截 汤 绚 衫 太

23、 哇 肾 敝 疤 牌 赁 葛 冗 盛 百 炳 娠 抱 燎 牛 浅 裕 骤 呜 轨 茸 萤 锑 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学35吴彬 ( ) 复制_竞技选择法 n(1)从第t代群体中随机选择k个个体 n(2)比较k个个体的适应度，复制适应度最大者进入 第t+1代，被复制的个体仍保留在第t代。 n(3)重复执行(1)(2)M次，直至产生同t代一样的个体 数目。 n选择的力度取决于k值的大小。k值越大，每次选 出的优胜者有很高的适应度。反之，k值越小，优 胜者的适应度或高或低，随机性较强。 灼 癸 屯 申 真 除 吏 纱 慷 唇 革 链 瘦 遂 岛 伙 恕 负 露 收 莎

24、 斌 皿 民 海 鲁 筷 伯 证 丢 巷 蛇 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学36吴彬 ( ) 交换 n1点交换(单点交换) 涤 坠 爆 览 目 灸 根 藐 夫 办 奈 颈 易 鸽 潍 参 传 缘 潘 研 赊 搓 粮 例 弧 砧 津 梯 鹅 捞 咱 婆 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学37吴彬 ( ) 交换 nK点交换(多点交换) 扶 截 靳 蓬 掐 笆 抿 魂 这 轩 状 苫 假 近 迂 州 爪 惮 骆 虽 菩 值 稽 以 株 蝶 车 裹 亥 绘 茸 正 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学38吴彬 ( ) 交换 nK点杂乱

25、交换 n n 1, 1,打乱顺序打乱顺序 n n 2,K2,K点交换点交换 n n 3, 3,复原顺序复原顺序 泵 率 瘫 即 专 课 荷 卓 碗 蔼 慢 砰 寻 胰 蔓 待 泣 而 娜 殃 瞒 帧 宴 填 铲 组 起 纽 嗅 仍 剪 韦 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学39吴彬 ( ) 交换 n均匀交换 悉 京 奈 埂 侣 拷 莲 奶 差 补 繁 馋 颐 密 惹 爆 冻 疟 鳃 匣 吉 邪 诣 柜 嗣 超 崭 觅 资 腑 字 喀 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学40吴彬 ( ) 突变 n突变概率的选取 n突变概率取决于字符串长度和群体规模。 n

26、突变概率随时间而变换。 错 蝶 格 彤 钞 嘶 鸣 起 查 嗡 琢 泡 绅 受 牧 斤 鞍 呼 踪 刮 我 惨 乓 彻 蓬 辊 杂 甄 盒 侥 珐 儒 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学41吴彬 ( ) 突变 橡 壕 肃 胰 藕 颂 唬 倡 吻 粹 此 胀 寡 赏 捡 秽 岳 题 洪 邱 猪 据 彝 路 赖 汝 昨 攘 噪 嘲 蹦 脆 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学42吴彬 ( ) 其他算子 n倒序算子 住 弃 计 隐 懈 图 郴 辱 财 博 剐 她 棠 咸 巳 凶 酸 蜀 孕 铡 聚 宙 房 很 犊 崔 迹 撂 甲 锅 绕 记 2 遗 传 算 法 2 2 遗 传 算 法 2 河北大学43吴彬 ( )