遺傳演算法基礎

『壹』 遺傳演算法的基本框架

遺傳演算法不能直接處理問題空間的參數，必須把它們轉換成遺傳空間的由基因按一定結構組成的染色體或個體。這一轉換操作就叫做編碼，也可以稱作(問題的)表示(representation)。
評估編碼策略常採用以下3個規范:
a)完備性(completeness):問題空間中的所有點(候選解)都能作為GA空間中的點(染色體)表現。
b)健全性(soundness): GA空間中的染色體能對應所有問題空間中的候選解。
c)非冗餘性(nonrendancy):染色體和候選解一一對應。
目前的幾種常用的編碼技術有二進制編碼，浮點數編碼，字元編碼，變成編碼等。
而二進制編碼是目前遺傳演算法中最常用的編碼方法。即是由二進制字元集{0,1}產生通常的0,1字元串來表示問題空間的候選解。它具有以下特點：
a)簡單易行
b)符合最小字元集編碼原則
c)便於用模式定理進行分析，因為模式定理就是以基礎的。 進化論中的適應度，是表示某一個體對環境的適應能力，也表示該個體繁殖後代的能力。遺傳演算法的適應度函數也叫評價函數，是用來判斷群體中的個體的優劣程度的指標，它是根據所求問題的目標函數來進行評估的。
遺傳演算法在搜索進化過程中一般不需要其他外部信息，僅用評估函數來評估個體或解的優劣，並作為以後遺傳操作的依據。由於遺傳演算法中，適應度函數要比較排序並在此基礎上計算選擇概率，所以適應度函數的值要取正值。由此可見，在不少場合，將目標函數映射成求最大值形式且函數值非負的適應度函數是必要的。
適應度函數的設計主要滿足以下條件：
a）單值、連續、非負、最大化
b) 合理、一致性
c）計算量小
d）通用性強。
在具體應用中，適應度函數的設計要結合求解問題本身的要求而定。適應度函數設計直接影響到遺傳演算法的性能。 遺傳演算法中初始群體中的個體是隨機產生的。一般來講，初始群體的設定可採取如下的策略:
a)根據問題固有知識，設法把握最優解所佔空間在整個問題空間中的分布范圍，然後，在此分布范圍內設定初始群體。
b)先隨機生成一定數目的個體，然後從中挑出最好的個體加到初始群體中。這種過程不斷迭代，直到初始群體中個體數達到了預先確定的規模。

『貳』 遺傳演算法的核心是什麼！

遺傳操作的交叉運算元。

在自然界生物進化過程中起核心作用的是生物遺傳基因的重組(加上變異)。同樣，遺傳演算法中起核心作用的是遺傳操作的交叉運算元。所謂交叉是指把兩個父代個體的部分結構加以替換重組而生成新個體的操作。通過交叉，遺傳演算法的搜索能力得以飛躍提高。

交叉運算元根據交叉率將種群中的兩個個體隨機地交換某些基因，能夠產生新的基因組合，期望將有益基因組合在一起。

(2)遺傳演算法基礎擴展閱讀

評估編碼策略常採用以下3個規范：

a)完備性(completeness):問題空間中的所有點(候選解)都能作為GA空間中的點(染色體)表現。

b)健全性(soundness): GA空間中的染色體能對應所有問題空間中的候選解。

c)非冗餘性(nonrendancy):染色體和候選解一一對應。

目前的幾種常用的編碼技術有二進制編碼，浮點數編碼，字元編碼，變成編碼等。

而二進制編碼是目前遺傳演算法中最常用的編碼方法。即是由二進制字元集{0,1}產生通常的0,1字元串來表示問題空間的候選解。

『叄』 基本的遺傳演算法

在許多實際應用領域，無論是工程技術科學還是社會經濟科學中，都會遇到全局最優化問題^{[53，56～59，61]}，這一類問題大多數可以形式化為一個對（S，f）的尋優問題，其中 S⊂R ⁿ 是 R ⁿ 中的有界集，f∶S→R是 n 維實值函數。所要求解的問題就是要找到一點 x _best∈S，使得 f（x_best）是 S 上的全局最優解，可以是極大值或極小值。以極小值為例，即求一點 x _min∈S，滿足

含水層參數識別方法

盡管人們對這類問題進行了大量的研究，但得到的成績仍不能令人滿意，目前只能解決一些簡單的問題。對於更復雜的全局最優化問題，通常是利用數值解法，但許多數值解法都不能找到最優解，只是返回一個接近於全局最優的值。

全局最優化數值方法可以分為兩大類：確定性演算法和隨機演算法。在隨機演算法中，最優化步驟在一定程度上依賴於概率事件，它排除了確定性演算法中的一個最大障礙——預先詳細說明一個問題的全部特徵並針對問題的特徵決定演算法應採用的對策。與常規的優化演算法相比，遺傳演算法有可能在更大的范圍內探尋問題潛在的解。確定性演算法沒有用到概率信息。只有當對S上進行窮舉搜索及對f規定附加的假設條件下，演算法才能找到全局最優解。實行窮舉搜索在很多情況下（如實數解）是不可能的，因此多採用對f規定附加的假設條件，這必然影響到最終解的可靠性。在這些演算法中，搜索速度越快的演算法往往意味著需要對f做更多的假設，或者不能保證搜索成功。與此相對照，許多隨機演算法都可以證明在概率意義下漸近收斂到全局最優解，即這些演算法保證以概率1漸近收斂，而且隨機演算法的計算結果一般要優於那些確定性演算法的結果。遺傳演算法就是其中具有代表性的隨機演算法。

常用的遺傳演算法操作有選擇（Selection）、交叉（Crossover）、變異（Mutation）。復制是直接將個體的代碼進行拷貝形成新個體。下面就選擇、交叉與變異操作做一介紹。

7.3.1 選擇過程

選擇過程是以旋轉賭輪Pop-Size次（種群規模，即群體中個體的總個數）為基礎，每次旋轉都為新的種群選擇一個染色體。首先計算出個體i被選擇的概率P_i，優秀的染色體其選擇概率大，然後根據選擇概率的大小將一個圓盤分為Pop-Size個扇形，每個扇形的中心角的大小為2πP_i。

每次進行選擇時，先選擇賭輪邊界旁一個不動的參考點，賭輪隨機地轉動，若不動點停留在扇形j內，則選擇個體j。個體的適應值越大，被選擇的概率越大，從而其染色體被遺傳到下一代的概率越大。

賭輪式選擇的特點是對於種群內的所有個體，無論其適應值大小，都有被選擇的機會。適應值大的個體被選擇的概率大，適應值小的個體被選擇的概率小。經過選擇後適應值大的個體在種群中的數目會增加。這正體現了適者生存的原則。

7.3.2 交叉操作

交叉操作是個有組織的、隨機的字元串間的信息交換過程。假設群體G（t）是模式庫。歷史信息以每個模式實例數目的形式存儲於G（t）中。交叉作用產生模式庫中已有模式的新的實例，同時也產生新的模式。簡單的交叉操作分為三步：

（1）從當前群體G（t）中選擇兩個個體結構：A=a₁a₂…a_n，B=b₁b₂…b_n；

（2）以交叉概率 P_c 隨機選擇一個整數 x∈{1，2，…，n}；

（3）交換A和B中位置x右邊的元素，產生兩個新的個體結構：a₁a₂…a_xb_x+1…b_n和b₁b₂…b_xa_x+1…a_n。

7.3.3 變異操作

對於群體G（t）中的每個個體A=a₁a₂…a_n，簡單的變異操作過程如下：

1）每個位置的字元變數都有一個變異概率P_m，各位置互相獨立，通過隨機過程選擇發生變異的位置x₁，x₂，…，x_n。

2）產生一個新個體結構 B=a₁ a₂……a_n ，其中是從對應位置x ₁ 的字元變數的值域中隨機選擇的一個取值。類似地，，…，可以同樣得到。

如果每個位置的變異概率等於P_m，那麼模式H（階為o（H））發生一次或多次變異的概率是

含水層參數識別方法

遺傳操作除了有選擇、交叉、變異等運算元外，還有染色體內部復制（Intrachromo-somal plication）、刪除、易位（Translocation）、分異（Segregation）等。

『肆』 遺傳演算法的基本原理

自然界是一個自適應的大系統^{［53，56～60］}，自然系統中的大多數生物體通過自然選擇和有性生殖這兩種基本過程進行自身的演化，使自己逐步達到完美來適應大自然。遺傳演算法受生物進化與遺傳的啟發，形成一種獨特的優化方式，遺傳演算法的運算原理常常與生物進化及遺傳學說相吻合，而且其術語也常仿照生物學的術語。遺傳演算法的運算基礎是字元串，先將搜索對象編碼為字元串形式；字元串就相當於生物學中的染色體，由一系列字元組成；每個字元都有特定的含義，反映所解決問題的某個特徵，這就相當於基因，亦即染色體DNA的片段。每個字元串結構被稱為個體，每個個體都可以通過問題本身所具有的適應值度量來計算反映其適應性好壞的適應值，然後對一組字元串結構（被稱為一個群體）進行循環操作。每次循環操作被稱作一代，其中的操作包括：保存字元串組中適應性較好的那些字元串到下一代（對應於遺傳學中的復制），使上一代中的優良個體得以生存下去，這類似於生物進化論中的自然選擇。通過有組織的然而是隨機的字元串間的信息交換來重新結合那些適應性好的字元串（對應於遺傳學中的交叉），在每一代中利用上一代字元串結構中適應性好的位和段來生成一個新的字元串的群體；作為額外增添，偶爾也要在字元串結構中嘗試用新的位和段來替代原來的部分（對應於遺傳學中的變異），等等。遺傳演算法中這些操作只涉及字元串的某些片段，這就類似於遺傳過程只涉及某些基因而不是整個染色體。遺傳演算法是一類隨機演算法，但它不是簡單的隨機走動，它可以有效地利用已有的信息來搜尋那些有希望改善解質量的字元串。類似於自然進化，遺傳演算法通過作用於染色體上的基因，尋找好的染色體來求解問題。與自然界相似，遺傳演算法對求解問題的本身一無所知，它所需要的僅是對演算法所產生的每個染色體進行評價，並基於適應值來選擇染色體，使適應性好的染色體有更多的繁殖機會。

『伍』 遺傳演算法的基本原理

遺傳演算法本質上是對染色體模式所進行的一系列運算，即通過選擇運算元將當前種群中的優良模式遺傳到下一代種群中，利用交叉運算元進行模式重組，利用變異運算元進行模式突變。