第8章進化算法－遺傳算法智能控制基礎(chǔ)8.2.1遺傳學(xué)習(xí)的基本思想遺傳學(xué)習(xí)算法的理論基礎(chǔ)遺傳學(xué)習(xí)算法的改良遺傳學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用8.2遺傳學(xué)習(xí)原理與算法1.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)上利用計算機來模擬生物的進化過程，從而實現(xiàn)復(fù)雜問題的優(yōu)化求解。模擬生物染色體的運作（復(fù)制、交叉、變異），是一種隨機化搜索算法步驟需要解決的問題編碼機制；選擇機制；控制參數(shù)選擇；二進制字符串的群體構(gòu)成；適應(yīng)度函數(shù)的計算遺傳算子（交叉、變異）的定義。2.遺傳學(xué)習(xí)算法的操作算子編碼機制(Encodingmechanism)適應(yīng)度函數(shù)(Fitnessfunction)選擇機制(Selectionmechanism)

交叉算子(Crossover)變異算子(Mutation)(1)編碼機制二進制編碼每一個位（0或1）－基因字符串－染色體多值編碼方法實數(shù)編碼(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。(3)選擇機制基本思想取自于自然界進化論的“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)制機制比例選擇法(Proportionateselectionscheme)轉(zhuǎn)輪選擇法(RouletteWheelSelectionScheme)：隨機方法(4洞)交叉灣算子模擬勒有性渴繁殖難現(xiàn)象隨機悲地從燈父輩悲集合覆中選卡取兩道個個挖體作蔑為雙事親。遙設(shè)L表示毀一個晝體的理字符裹串（臨染色忙體）買長度貴，隨閱機地大產(chǎn)生(0～L)之間負的一蔬個數(shù)d，并烤把此廟點位四置稱霉為交抖叉點裹。交崗叉運伙算就睡是將廊雙親逗的基兵因鏈繁在交姜叉點魚斷裂染，且架將在斤交叉賭點之刻后的塑基因膜根據(jù)各交叉弦率的煩條件軟決定債是否叮進行灶相互逝交換周形成盼下一匹代。所謂毀交叉魂率pc是根建據(jù)優(yōu)堵化問有題預(yù)蔥先確殲定的板一個0～1之間偽的值丟。通烤常取0.鼻6～0.幸9。(5掌)變異堡算子模擬勢基因清突變赴現(xiàn)象所謂鉤變異棚指的盼是隨僵機地然選取間染色襯體中便的某貸個基得因（研也即犬字符潔串中雞的某棕一位濤）進忙行取勝反運扣算，立即將炕原有辣的“1”變?yōu)榧蕖?”和反事之。變異宮率pm取比偉較小英的數(shù)剪值，錯一般pm為0.相00峰1～0.肌2。3.遺傳絨學(xué)習(xí)齡算法柄的設(shè)芬計舉廳例(1澡)群體頂初始祖化群體郊規(guī)模N一般紐奉情況駕下取N=燥10～20睡0之間帝為宜翻。初始很群體妄的構(gòu)裂成隨機催選擇舉例群體

P1

（隨機初始化）染色體適應(yīng)度值00000111000.210000111110.601101010110.611111110110.9以的比距例分面配轉(zhuǎn)蔽輪(2乘)選擇選擇范舉例群體

P2

（經(jīng)選擇后）染色體適應(yīng)度值10000111110.601101010110.611111110110.911111110110.9群體

P3

（交叉運算后）染色體適應(yīng)度值10000｜110110.501101010110.611111110110.911111｜111111.0(3交)交叉本例專中隨旅機選存取1和4號個運體、2和3號個樣體分杜別形忠成兩炮對進裝行交鐵叉運倚算。膽當(dāng)取修交叉諒率pc=0債.5時，錯只有柳個體1和4這一傲對雙抹親進肥行真算正的敏交叉調(diào)運算混，而茄另一漲對個陶體2和3不進裳行交學(xué)叉運巖算。(4葡)變異取pm=0碎.0灣5P4給出法了第2個個淺體和糕第4個個嚼體中介分別膽有一補個基紫因發(fā)層生變折異后怪的情構(gòu)況。群體P4(變異運算后)染色體適應(yīng)度值10000110110.501101110110.711111110110.901111111110.9(5昂)終止掀準(zhǔn)則炮判斷方法俘有兩幻玉類：8.蜜2.鵲1遺傳級學(xué)習(xí)肺的基膨本思棕想遺傳峽學(xué)習(xí)攻算法借的理柿論基瘋礎(chǔ)遺傳激學(xué)習(xí)偵算法虎的改皺良遺傳鋤學(xué)習(xí)討算法教的應(yīng)綿用8.誰2遺傳駐學(xué)習(xí)表原理礙與算鉛法8.櫻2.階2理論囑基礎(chǔ)有多況種理途論分墓析遺垂傳算撒法的在收斂欄性，漏例如Ho笨ll顧an藏d提出杰的模閣板理僵論(S茶ch柄em環(huán)a飲th牛eo圍ry待)Go紡ld撐be謹rg提出當(dāng)?shù)慕ㄌ曛K薪假設(shè)(B原ui湊ld桑in陪g倉bl東oc碌k左hy塊po鄉(xiāng)豐th薪es網(wǎng)is工)。它們盡通過蛙計算馬有用槳相似危性，彼檢查慰包含峽在群市體中閱的各遇種模校板的愁增長臂速率士來表滾明遺偉傳學(xué)悶習(xí)的餡能力凱。這里故主要刃介紹嘉模板乒定理1.模板批的基以本概合念模板慈表示塑那些博在某腎些基福因位剖置上齒具有慈相同寬性質(zhì)被、而導(dǎo)在另音一些授位置黃上是等不影測響子夾集特胞征的護染色鋪體集攝合。例如或：模君板*夸*00產(chǎn)0表示存最后較三個漫位置裙的值膠必須嫩為“0”的一鄭組染重色體件構(gòu)成建的子相集。在二始進制稻編碼汽前提贈下，突“*泰”可君以是洽“0”、也格可以河是“1”。模板弟的階o(霸S)模板貍的階o(苦S)模板柔的定撿義長壯度δ(甲S)模板主中含僑有0或1的個可數(shù)。僑如S=筋**畏11蛛1，則烈模板S的階o(閑S)案=3。模板歐中有彼確定峽值數(shù)勺碼之軋間的隙最大泉距離帳。如擊：S=咳**昏11握1，則禁模板S的長染度δ(仍S)鋪=2。S=綢1*針00給*，則慕模板S的長蔬度δ(懶S)銳=3。兩個妻定義2.模板始定理假設(shè)裁一個L長的催染色宮體。慶如果怖用二雙進制擦編碼顆，則伯有2L個模扯板。對于甜有N個個湖體構(gòu)幅成的抗群體各總的乖模板賤數(shù)NS滿足切：。NS的實主際大欺小取膽決于祝群體涉中染盲色體摸的分四散性娃。模板舉理論城可以偉說明困在進暫化計判算中捏特定鞠字符奇串在剝下一濾代中潑繁殖備的情吊況。（1）選永擇算數(shù)子假設(shè)囑模板S在t時刻掙在群鳥體中世有n(塑S,致t)個特狀定字非符串港（即蔑同一辮字符巖串在協(xié)群體通中的幣占有凳數(shù)目亦）。由比事例選障擇法條可知其中蓄：f(勒S)從:模板S內(nèi)所當(dāng)有子獄集的槐目標(biāo)嚇函數(shù)拾平均咳值；f(石P)持:群體斑內(nèi)的煎平均耽目標(biāo)漆函數(shù)鵲值.當(dāng)f(俱S)揭>f(引P)時，促該模擋板的優(yōu)數(shù)目申會增案加（2）交卵叉算告子交叉宮算子辭運算批后，沸模板S中保桂留特嗓定字恐符串婚的概上率選擇殿、交側(cè)叉算貼子運私算后鉆，在饅下一機代中趟模板S的特靜定字附符串板數(shù)目逆滿足炎：具有具較好片的目眉標(biāo)函閘數(shù)和賤較短糊定義客長度元的模釋板，秤其字迎符串荷的增谷長率悶最快負。（3）變鄉(xiāng)豐異算呀子在變紀異運慘算后潮字符搏串仍智然屬選于S模板猴的概間率為因為耀，變替異率pm通常蓋是非悠常小定理8-羅1:模板辜定理這一壓定理侄表明慚了隨男著遺悠傳學(xué)匆習(xí)的創(chuàng)進行陰，優(yōu)頃秀品刊質(zhì)的愁字符友串個毒體在警群體裂中占網(wǎng)有的磁數(shù)目犬會越阿來越督多，臭最終盯得到染平均蔬適應(yīng)鴉度高初、定戰(zhàn)義長裂度短伸和階委次小鞠的模籮板。卷這種悲模板狡又可暗稱為互建筑莫塊。8.姿2.汽1遺傳持學(xué)習(xí)狼的基涌本思這想遺傳站學(xué)習(xí)病算法鼻的理四論基炸礎(chǔ)遺傳乖學(xué)習(xí)瞇算法竭的改取良遺傳輸學(xué)習(xí)象算法縫的應(yīng)讓用8.畏2遺傳營學(xué)習(xí)計原理民與算梨法8.眾2.覺3遺傳少學(xué)習(xí)賊算法蝕的改勒良目前槽已經(jīng)庭提出要的改笛進方蘆案有湖：編碼乞機制——灰度無編碼描和動蒙態(tài)編繼碼；選擇緩機制——優(yōu)選杏策略棗、基尤于次吸序的銳選擇藏、穩(wěn)粒定狀霧態(tài)選數(shù)擇及靠隨機指余數(shù)住法的投比例撿選擇楚；交叉詢機制——兩點斃或多擾點交吐叉、留均勻炊交叉狗；控制似參數(shù)——動態(tài)薦自適室應(yīng)參業(yè)數(shù)控斑制技即術(shù)；算法天策略——分布辮式遺到傳學(xué)度習(xí)算酒法和判并行叮遺傳栗學(xué)習(xí)糟－算久法。1.編碼射機制園的改套進灰度衛(wèi)編碼護技術(shù)熔保證訪連續(xù)述變量鋤編碼禾后的知相鄰Ha犁mm怒in井g距離的為1。0榨00隊00朽8蛋0麥01掌11怖10庫00蚊9佛1歌01守12套11攔00腎10孫1御11唯13蛛01鵝00舉11喬0那11溪14病01園10座12穴0底10役15剝11翁10乏13襲1孤10掠16個10鎖10絨14玻1劣00車17省00緣瑞10頃15虜0揮00頌12.選擇陽機制櫻的改環(huán)進解決爛早熟牛問題疲。有貸兩個肆途徑巾：一是致采用態(tài)全量丈程適孕應(yīng)度恥函數(shù)舍定標(biāo)掃；二是軌采用灰改進離的選環(huán)擇方豎案。全量然程適鎮(zhèn)應(yīng)度半函數(shù)祥定標(biāo)線性熄變換計算維的準(zhǔn)攪則是沿希望召換算使后的線適應(yīng)讀度最退大值搏應(yīng)該超是群炕體平槍均適繞應(yīng)度總值的愁某一跟小的化倍數(shù)健，通采常取1.絹5或2。σ-截斷豆法其中：群體繪的平們均適雷應(yīng)度貿(mào)值；σ：群體披適應(yīng)貿(mào)度的度標(biāo)準(zhǔn)概方差還；c：一個晌小的考常數(shù)尊，通禽常取1～3。選擇男方法津的改蹈進基于盛次序醫(yī)的選扣擇法競爭渠選擇隨機湖余數(shù)見技術(shù)優(yōu)選嶺策略局部決替代偷法穩(wěn)定阿狀態(tài)佳法選擇蒜育種棍法3.交叉謹機制灣的改映進兩點互交叉帽或多碌點交益叉均勻蘇交叉腿（是滾否交參叉由流概率糕決定固）父輩爪字符店串分逢別為A、B：交叉圍后的規(guī)子代南為：A'緒=1111艱0011濕010101B'坡=1001構(gòu)1000愈011101倒置傾變換對于錫字長摩為10的字垮符串涂個體A=含10狠0｜11笛01｜01局0隨機抗選取附兩點4和8。將4與8之間風(fēng)的字膊符串傲進行臥倒置伴，即復(fù)第7位變栗換到退第4位、盛第6位變費換到妻第5位..舌.，生擔(dān)成新漿的個幼體A'A'棟=1柿00｜10冊11｜01失04.控制讀參數(shù)經(jīng)驗蠟性結(jié)撒論增大巨群體毫規(guī)模確會增嚼加群讓體中結(jié)個體警的發(fā)胞散性鴨，減盞少GA算法保過早皇收斂友于局曾部最舒優(yōu)的杜可能繞性。用但也哥增加貼了算帽法的懇計算拉時間所。小規(guī)利模群恒體的GA搜索鞋問題界可以暈選擇葛相對售較大廚的交應(yīng)叉率凍和變僚異率棉，而挪群體譜規(guī)模涉比較禾大時吧，可蠻以選拖擇較縱小的減交叉悅率和凝變異陷率。5.算法敘策略動態(tài)名自適樣應(yīng)策用略根據(jù)破性能熔指標(biāo)鹽和搜園索的仍階段旬，自洗適應(yīng)抖調(diào)整您控制煎參數(shù)憂，對類于遺別傳算綠法的耀收斂耕，尤廳其對羽高精僚度最烘優(yōu)解頓的搜盲索有脊著重黃要的夏作用影。分布難式GA算法威和并乞行GA算法染策略分布紅式GA算法傘是一脖個群透整體術(shù)分解遣為幾勿個弱獨相關(guān)嗚的子輛體分升別進例行進串化計尿算，并行GA算法邀是對給傳統(tǒng)畫的串其行計理算方漂法用駱并行回計算伏手段豪來實臟現(xiàn)。GA的優(yōu)植點GA算法現(xiàn)的突攔出優(yōu)扶點在末于能紛夠根董據(jù)交膏互的揮環(huán)境活中的吸相應(yīng)浸情況撈和進梢化算暖子在肉沒有慨任何英最優(yōu)淘解先吐驗知獎識條恭件下沖尋找級到最稈優(yōu)解旋。它列不同尾于梯豎度下孩降法勝那樣即只對鎮(zhèn)一點賤進行寨優(yōu)化趙計算錫而是難通過擔(dān)對群趴體中丈的所滿有個風(fēng)體進嬸行遺看傳操喜作達鈴到優(yōu)肅化的脹目的攪，因富此避盞免了佳單點魚優(yōu)化翅算法敏可能至出現(xiàn)老的局慨部最拌優(yōu)問色題。品從而耍使得GA算法罷可以欠處理稻復(fù)雜講的、少高維肥的、痛多目頂標(biāo)的顆優(yōu)化見問題挨。這具些都殊是傳喊統(tǒng)優(yōu)竄化方蹤蝶法無扇法比潛擬的烘。8.扭2.權(quán)1遺傳撇學(xué)習(xí)此的基那本思掉想遺傳鞋學(xué)習(xí)脆算法劣的理東論基部礎(chǔ)遺傳朋學(xué)習(xí)覽算法裙的改飼良遺傳經(jīng)學(xué)習(xí)論算法肝的應(yīng)睡用8.爽2遺傳困學(xué)習(xí)眼原理謎與算詞法8.夢2.潑4遺傳襯學(xué)習(xí)貓算法助的應(yīng)籃用遺傳朝學(xué)習(xí)王算法慚能夠堂解決初許多諸傳統(tǒng)撕的優(yōu)黑化方宮法難敵以解窄決的歌眾多悼問題鉗，已途經(jīng)在全工程室優(yōu)化估設(shè)計臺、機都器學(xué)橫習(xí)、超自適尾應(yīng)控鋸制、茅魯棒摩控制脅器設(shè)仔計、PI鼓D控制完、模亮糊邏棍輯控品制器奪優(yōu)化風(fēng)、最庫優(yōu)控葡制、循系統(tǒng)俘辨識訴、故味障診白斷、到神經(jīng)淚網(wǎng)絡(luò)顛控制繭等領(lǐng)緊域得往到應(yīng)云用和何發(fā)展妨。1.非線廈性系刺統(tǒng)的伯神經(jīng)游網(wǎng)絡(luò)呼辨識舉例考慮米非線甘性系型統(tǒng)選擇色神經(jīng)茂網(wǎng)絡(luò)壞結(jié)構(gòu)匯為輸入尋矢量川為[y酒(k聰),絨y(催k-長1)錘,u顯(k俊)]輸出鋸矢量庫為y(比k+爛1)。GA設(shè)計用一生個16位字沾長的缺編碼溜來表餅示一態(tài)個權(quán)扣系數(shù)仰，神繞經(jīng)網(wǎng)煎絡(luò)結(jié)泉構(gòu)共字需要16棟×[齡(1民+3讓)×后6+己(6指+1推)×選1]針=4白96位長據(jù)的字逼符串廟。群體盆規(guī)模N=熱60，pc=0穿.7尊,浸pm=0制.0被1。收斂潤曲線2.倒立售擺神浪經(jīng)網(wǎng)住絡(luò)控照制