智能控制第章進(jìn)化算法遺傳算法

第8章進(jìn)化算法－遺傳算法智能控制基礎(chǔ)1/508.2.1遺傳學(xué)習(xí)的基本思想8.2.2遺傳學(xué)習(xí)算法的理論基礎(chǔ)8.2.3遺傳學(xué)習(xí)算法的改良8.2.4遺傳學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用8.2遺傳學(xué)習(xí)原理與算法2/501.問題的提出美國的J.Holland教授于1975年提出在遺傳學(xué)的基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)來模擬生物的進(jìn)化過程，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題的優(yōu)化求解。模擬生物染色體的運(yùn)作（復(fù)制、交叉、變異），是一種隨機(jī)化搜索算法3/50步驟(1)群體的初始化；(2)評價群體中每一個體的性能；(3)選擇下一代個體；(4)執(zhí)行簡單的操作算子（如交叉、變異）；(5)評價下一代群體的性能；(6)判斷終止條件滿足否？若不，則轉(zhuǎn)(3)繼續(xù)；若滿足，則結(jié)束4/50需要解決的問題編碼機(jī)制；選擇機(jī)制；控制參數(shù)選擇；二進(jìn)制字符串的群體構(gòu)成；適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算遺傳算子（交叉、變異）的定義。5/502.遺傳學(xué)習(xí)算法的操作算子編碼機(jī)制(Encodingmechanism)適應(yīng)度函數(shù)(Fitnessfunction)選擇機(jī)制(Selectionmechanism)

交叉算子(Crossover)變異算子(Mutation)6/50(1)編碼機(jī)制二進(jìn)制編碼每一個位（0或1）－基因字符串－染色體多值編碼方法實(shí)數(shù)編碼7/50(2)適應(yīng)度函數(shù)優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)“適應(yīng)度值”的計(jì)算直接通過將目標(biāo)函數(shù)經(jīng)一定的線性變換映射到的［0，1］區(qū)間內(nèi)的一個值。8/50(3)選擇機(jī)制基本思想取自于自然界進(jìn)化論的“適者生存”。適應(yīng)度值越高的個體，生存的數(shù)量也越高。滿足“優(yōu)勝劣汰”自然法則。也可稱為復(fù)制機(jī)制比例選擇法(Proportionateselectionscheme)轉(zhuǎn)輪選擇法(RouletteWheelSelectionScheme)：隨機(jī)方法9/50(4)交叉算子模擬有性繁殖現(xiàn)象隨機(jī)地從父輩集合中選取兩個個體作為雙親。設(shè)L表示一個體的字符串（染色體）長度，隨機(jī)地產(chǎn)生(0～L)之間的一個數(shù)d，并把此點(diǎn)位置稱為交叉點(diǎn)。交叉運(yùn)算就是將雙親的基因鏈在交叉點(diǎn)斷裂，且將在交叉點(diǎn)之后的基因根據(jù)交叉率的條件決定是否進(jìn)行相互交換形成下一代。所謂交叉率pc是根據(jù)優(yōu)化問題預(yù)先確定的一個0～1之間的值。通常取0.6～0.9。10/50(5)變異算子模擬基因突變現(xiàn)象所謂變異指的是隨機(jī)地選取染色體中的某個基因（也即字符串中的某一位）進(jìn)行取反運(yùn)算，即將原有的“1”變?yōu)椤?”和反之。變異率pm取比較小的數(shù)值，一般pm為0.001～0.2。11/503.遺傳學(xué)習(xí)算法的設(shè)計(jì)舉例①

群體初始化；②繁殖；③交叉；④變異；⑤終止準(zhǔn)則判斷，若不滿足，重復(fù)②～④；否則，搜索結(jié)束。12/50(1)群體初始化群體規(guī)模N

一般情況下取N=10～200之間為宜。初始群體的構(gòu)成 隨機(jī)選擇13/50舉例群體

P1

（隨機(jī)初始化）染色體適應(yīng)度值00000111000.210000111110.601101010110.611111110110.914/50以

的比例分配轉(zhuǎn)輪(2)選擇15/50選擇奏舉例群體

P2

（經(jīng)選擇后）染色體適應(yīng)度值10000111110.601101010110.611111110110.911111110110.916/5常0群體

P3

（交叉運(yùn)算后）染色體適應(yīng)度值10000｜110110.501101010110.611111110110.911111｜111111.0(3洞)交叉本例饅中隨黨機(jī)選世取1和4號個卸體、2和3號個電體分秀別形窮成兩灑對進(jìn)算行交志叉運(yùn)箱算。雕當(dāng)取證交叉惱率pc=0蹈.5時，陳只有雖個體1和4這一甜對雙敏親進(jìn)猶行真祖正的先交叉育運(yùn)算而，而條另一叫對個吃體2和3不進(jìn)勒行交全叉運(yùn)薄算。17/5麻0(4殖)變異取pm=0惕.0陪5P4給出談了第2個個所體和悲第4個個逼體中末分別岸有一特個基藥因發(fā)袋生變乖異后華的情脾況。群體P4(變異運(yùn)算后)染色體適應(yīng)度值10000110110.501101110110.711111110110.901111111110.918/5魚0(5概)終止蜘準(zhǔn)則注判斷方法潑有兩找類：一是系統(tǒng)的性能指標(biāo)已經(jīng)滿足要求；二是學(xué)習(xí)次數(shù)已經(jīng)達(dá)到最大允許次數(shù)。19/5濃08.撲2.音1遺傳表學(xué)習(xí)浩的基陵本思預(yù)想8.串2.縮慧2遺傳歐學(xué)習(xí)店算法仍的理層論基次礎(chǔ)8.澆2.蠢3遺傳剝學(xué)習(xí)無算法恰的改榨良8.灑2.溉4遺傳不學(xué)習(xí)侵算法橫的應(yīng)汽用8.掛2遺傳省學(xué)習(xí)計(jì)原理聚與算姥法20/5箏08.荒2.賽2理論狡基礎(chǔ)有多尋種理窯論分搜析遺忌傳算勇法的朋收斂脫性，連例如Ho鑰ll引an貨d提出創(chuàng)的模儀板理定論(S賢ch資em館a附th慨eo沾ry丘)Go齒ld雨be賽rg提出睜的建癢筑塊曾假設(shè)(B述ui轟ld哲in痕g清bl董oc膽k蓄hy統(tǒng)po科th船es積is斧)。它們串通過愧計(jì)算過有用疼相似糕性，老檢查繭包含系在群執(zhí)體中聯(lián)的各潛種模煎板的攏增長旋速率驕來表畝明遺泥傳學(xué)聰習(xí)的臺能力濫。這里領(lǐng)主要污介紹前模板宴定理21/5加01.模板杏的基幼本概腎念模板滲表示氧那些川在某孝些基耗因位普置上斧具有龍相同抖性質(zhì)僅、而慚在另階一些題位置敵上是庫不影譜響子槳集特偷征的皺染色叼體集雪合。例如叮：模填板*妄*00乳0表示肆最后鄉(xiāng)豐三個屠位置純的值訪必須楊為“0”的一蜘組染敢色體豆構(gòu)成事的子陽集。在二惠進(jìn)制站編碼方前提讀下，枝“*是”可坐以是旬“0”、也犯可以源是“1”。22/5頂0模板知的階o(驗(yàn)S)模板世的階o(線S)模板脾的定帽義長策度δ(辦S)模板健中含數(shù)有0或1的個將數(shù)。轉(zhuǎn)如S=侮**眨11走1，則予模板S的階o(沉S)=掌3。模板茅中有蹄確定服值數(shù)謝碼之隆間的艦最大宅距離姥。如壤：S=愁**軌11隔1，則疼模板S的長槽度δ(反S)=客2。S=丘1*抽00麻*，則銀模板S的長雜度δ(英S)=句3。兩個舒定義23/5廁02.模板指定理假設(shè)炭一個L長的屬染色哭體。宗如果聞用二商進(jìn)制發(fā)編碼踐，則體有2L個模蠻板。對于傘有N個個置體構(gòu)王成的罷群體物總的冤模板閥數(shù)NS滿足慎：。NS的實(shí)坑際大擁小取敏決于穿群體遠(yuǎn)中染奔色體剖的分煩散性抹。模板臥理論博可以較說明俗在進(jìn)摟化計(jì)歷算中滾特定欺字符宴串在刪下一嚇代中丟繁殖鉤的情周況。24/5伯0（1）選涂擇算設(shè)子假設(shè)扒模板S在t時刻輝在群頸體中皂有n(盡S,擁t)個特福定字賊符串刺（即哄同一岡字符滋串在校群體蜂中的渴占有繞數(shù)目屢）。由比杏例選伙擇法白可知其中盞：f(膠S):模板S內(nèi)所數(shù)有子遭集的主目標(biāo)座函數(shù)陳平均戒值；f(拼P):群體展內(nèi)的鹿平均叮目標(biāo)供函數(shù)段值.當(dāng)f(上S)>f(天P)時，層該模歌板的院數(shù)目笨會增銜加25/5升0（2）交狗叉算數(shù)子交叉挖算子連運(yùn)算鑰后，產(chǎn)模板S中保四留特未定字沃符串化的概伙率選擇邁、交助叉算啟子運(yùn)傅算后曉，在來下一乘代中首模板S的特迎定字退符串械數(shù)目身滿足押：具有斬較好桑的目個標(biāo)函往數(shù)和赤較短吊定義撒長度僻的模幻玉板，焰其字基符串嚼的增盜長率門最快虎。26/5沸0（3）變搜異算慈子在變提異運(yùn)影算后縮慧字符賄串仍倡然屬驢于S模板功的概鑒率為因?yàn)楹铮儞?jù)異率pm通常裙是非橋常小27/5率0定理8-療1:模板租定理這一太定理叫表明居了隨蓄著遺很傳學(xué)地習(xí)的年進(jìn)行辱，優(yōu)合秀品錄質(zhì)的昂字符芒串個系體在爐群體遺中占捎有的朝數(shù)目柏會越月來越迫多，矛最終饑得到峽平均迷適應(yīng)燥度高次、定夸義長寧度短執(zhí)和階芬次小誼的模閃板。相這種斧模板孕又可國稱為許建筑奇塊。28/5謀08.肯2.瓶1遺傳構(gòu)學(xué)習(xí)加的基卻本思福想8.蘭2.勒2遺傳括學(xué)習(xí)時算法勤的理殼論基幸礎(chǔ)8.懷2.圖3遺傳霧學(xué)習(xí)永算法俗的改越良8.連2.瓦4遺傳令學(xué)習(xí)痰算法若的應(yīng)踏用8.潔2遺傳掏學(xué)習(xí)產(chǎn)原理芒與算余法29/5煉08.出2.稼3遺傳白學(xué)習(xí)舌算法擠的改渡良目前攏已經(jīng)浙提出律的改燥進(jìn)方財(cái)案有冊：編碼贈機(jī)制——灰度燭編碼題和動顛態(tài)編津碼；選擇嘗機(jī)制——優(yōu)選承策略逢、基重于次迎序的奴選擇項(xiàng)、穩(wěn)還定狀蔬態(tài)選茅擇及月隨機(jī)鼓余數(shù)券法的頌比例保選擇蜘；交叉?zhèn)螜C(jī)制——兩點(diǎn)受或多騰點(diǎn)交筒叉、構(gòu)均勻遷交叉變；控制秒?yún)?shù)——動態(tài)瓣自適惑應(yīng)參陷數(shù)控富制技為術(shù)；算法碧策略——分布莫式遺降傳學(xué)白習(xí)算迷法和仔并行秘遺傳滾學(xué)習(xí)關(guān)－算樸法。30/5筒01.編碼診機(jī)制散的改躁進(jìn)灰度導(dǎo)編碼借技術(shù)會保證喂連續(xù)友變量互編碼據(jù)后的碧相鄰Ha煌mm銹in仙g距離疫為1。0舊00項(xiàng)00底8毀0驢01需11舊10由00皺9悄1貨01銜12功11打00撿10賺1掉11蠅13覺01輔00襲11緊0鋼11好14檔01君10釘12袖0辯10尖15暗11臉10撈13蘋1誓10糠16朗10協(xié)10喬14溪1崖00炭17惑00對10軟15容0爸00載131/5吹02.選擇苦機(jī)制摘的改械進(jìn)解決享早熟稈問題副。有物兩個扎途徑添：一是糠采用越全量旦程適漏應(yīng)度模函數(shù)雪定標(biāo)鉆；二是擾采用綁改進(jìn)粉的選桶擇方序案。32/5朵0全量魔程適錄應(yīng)度繼函數(shù)碎定標(biāo)線性坑變換計(jì)算仁的準(zhǔn)瘡則是蹄希望雅換算具后的師適應(yīng)他度最識大值劫應(yīng)該飲是群致體平籠均適帆應(yīng)度時值的熟某一薪小的母倍數(shù)趁，通越常取1.嗎5或2。σ-截?cái)喑糠ㄆ渲校喝后w壯的平褲均適駐應(yīng)度服值；σ：群體濱適應(yīng)渴度的絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)益方差植；c：一個抽小的在常數(shù)咱，通將常取1～3。33/5街0選擇界方法哥的改大進(jìn)基于野次序重的選敏擇法競爭投選擇隨機(jī)側(cè)余數(shù)叮技術(shù)優(yōu)選鮮策略局部恒替代黎法穩(wěn)定術(shù)狀態(tài)確法選擇脾育種澡法34/5拳03.交叉汁機(jī)制豈的改致進(jìn)兩點(diǎn)次交叉蔑或多以點(diǎn)交雞叉均勻管交叉凝（是見否交炕叉由槐概率暑決定殖）父輩府字符威串分針別為A、B：A=防10腦11濁00施11峽01掉11瓦01B=染11齒01拿10歲00他01肅01嘴01交叉董后的堵子代苗為：A'姑=1111泉0011兄010101B'旺=1001修1000密01110135/5推0倒置志變換對于姑字長日為10的字爸符串丘個體A=旋10速0｜11藝01｜01躍0隨機(jī)趟選取繳兩點(diǎn)4和8。將4與8之間麻的字滴符串坐進(jìn)行忌倒置纖，即卷第7位變戒換到佛第4位、穿第6位變桑換到軍第5位..伯.，生難成新粘的個洪體A'A'森=1棋00｜10殲11｜01扎036/5歉04.控制居參數(shù)經(jīng)驗(yàn)奮性結(jié)臨論增大江群體卡規(guī)模辦會增運(yùn)加群斜體中汽個體鳥的發(fā)帳散性宅，減佳少GA算法土過早谷收斂訴于局色部最趁優(yōu)的似可能同性?；@但也暖增加屯了算叔法的封計(jì)算偉時間冬。小規(guī)卸模群狐體的GA搜索野問題辭可以贊選擇踢相對液較大嶄的交鞏叉率朝和變合異率學(xué)，而糧群體蜘規(guī)模宗比較琴大時獸，可躺以選雅擇較猜小的診交叉淺率和稠變異蜻率。37/5揚(yáng)05.算法皆策略動態(tài)忌自適裹應(yīng)策災(zāi)略根據(jù)惑性能芬指標(biāo)騙和搜幼索的汽階段羅，自仁適應(yīng)脫調(diào)整蘭控制告參數(shù)昏，對遠(yuǎn)于遺儲傳算就法的由收斂象，尤束其對單高精救度最槐優(yōu)解胞的搜愛索有砌著重礙要的跳作用刪。分布乘式GA算法唐和并蚊行GA算法想策略分布朽式GA算法銜是一莫個群窯整體緩分解冒為幾疫個弱路相關(guān)牌的子尖體分鮮別進(jìn)穗行進(jìn)槳化計(jì)匪算，并行GA算法昆是對渴傳統(tǒng)失的串忙行計(jì)捷算方叉法用版并行勝計(jì)算啟手段蘋來實(shí)讓現(xiàn)。38/5多0GA的優(yōu)積點(diǎn)GA算法頌的突合出優(yōu)窄點(diǎn)在攤于能沫夠根內(nèi)據(jù)交兄互的提環(huán)境度中的訂相應(yīng)萄情況極和進(jìn)黃化算卻子在靈沒有份任何早最優(yōu)嘗解先糖驗(yàn)知燥識條漿件下脊尋找緞到最宋優(yōu)解凡。它野不同梯于梯惠度下仍降法廣那樣填只對竹一點(diǎn)程進(jìn)行扶優(yōu)化往計(jì)算求而是騾通過辭對群面體中壺的所托有個摟體進(jìn)誦行遺中傳操路作達(dá)迎到優(yōu)煩化的徑目的代，因體此避浩免了撫單點(diǎn)喊優(yōu)化擁算法嘩可能燥出現(xiàn)揀的局例部最粥優(yōu)問副題。枕從而譯使得GA算法錦可以躲處理椒復(fù)雜弱的、獸高維艘的、擋多目稿標(biāo)的毛優(yōu)化議問題鐘。這寶些都秩是傳穩(wěn)統(tǒng)優(yōu)耳化方均法無聲法比它擬的塑。39/5嶼08.奔2.悲1遺傳爽學(xué)習(xí)憑的基澡本思診想8.鳥2.野2遺傳服學(xué)習(xí)漿算法矩的理住論基奇礎(chǔ)8.海2.醒3遺傳敢學(xué)習(xí)終算法處的改棟良8.巴2.社4遺傳錦學(xué)習(xí)顯算法干的應(yīng)介用8.華2遺傳耳學(xué)習(xí)贏原理辟與算煙法40/5票08.本2.協(xié)4遺傳僚學(xué)習(xí)董算法世的應(yīng)刑用遺傳驢學(xué)習(xí)宏算法釣?zāi)軌蛸F解決恥許多紗傳統(tǒng)遭的優(yōu)杏化方覽法難繞以解興決的子眾多訂問題咳，已其經(jīng)在烏工程莫優(yōu)化翁設(shè)計(jì)淹、機(jī)勻器學(xué)賣習(xí)、褲自適尤應(yīng)控醉制、僚魯棒婆控制坡器設(shè)栽計(jì)、PI些D控制照、模京糊邏闖輯控宋制器庫優(yōu)化卵、最濾優(yōu)控棟制、奔系統(tǒng)榨辨識娃、故爽障診雞斷、繡神經(jīng)憂網(wǎng)絡(luò)固控制畜等領(lǐng)交域得墨到應(yīng)楚用和展發(fā)展邁。41/5屋01.非線緊性系么統(tǒng)的社神經(jīng)斃網(wǎng)絡(luò)局辨識42/5恭0舉例考慮銜非線飽性系權(quán)統(tǒng)選擇艷神經(jīng)貌網(wǎng)絡(luò)肌結(jié)構(gòu)衛(wèi)為輸入池矢量孝為[y燭(k器),畢y(費(fèi)k-旱1)忘,u逆(k詢)]輸出住矢量鬼為y(凝k+害1)。43/5扒0GA設(shè)計(jì)用一客個16位字翻長的鏈編碼帽來表藏示一豪個權(quán)完系數(shù)距，神里經(jīng)網(wǎng)遵絡(luò)結(jié)嬸構(gòu)共塵需要16跨×[賢(1序+3統(tǒng))×尼6+個(6膀+1春)×輔1]璃=4很96位長愈的字掘符串階。群體望規(guī)模N=材60，pc=0芽.7蔽,哈pm=0兵.0蔥1。44/5睡0收斂學(xué)曲線45/5卷02.倒立古擺神徹經(jīng)網(wǎng)植絡(luò)控接制46