Методы глобальной оптимизации

Генетические алгоритмы

Генетические алгоритмы имитируют процессы наследования свойств живыми организмами и генерируют последовательности новых векторов , содержащие оптимизированные переменные: . При этом выполняются операции трех видов: селекция, скрещивание и мутация.

На начальной стадии выполнения генетического алгоритма случайным образом инициализируется определенная популяция хромосом (векторов ). Размер популяции, как правило, пропорционален количеству оптимизируемых параметров. Слишком малая популяция хромосом приводит к замыканию в неглубоких локальных минимумах. Слишком большое их количество чрезмерно удлиняет вычислительную процедуру и также может не привести к точке глобального минимума.

Селекция хромосом для спаривания (необходимого для создания нового поколения) может основываться на разных принципах. Одним из наиболее распространенных считается принцип элитарности, в соответствии с которым наиболее приспособленные (в смысле целевой функции) хромосомы сохраняются, а наихудшие отбраковываются и заменяются вновь созданным потомством, полученным в результате скрещивания пар родителей.

Существует огромное множество методов скрещивания, начиная с полностью случайного. При взвешенно-случайном скрещивании учитывается информация о текущем значении целевой функции. Отбор может происходить по принципу рулетки; при этом площадь сегмента колеса рулетки, сопоставленного конкретной хромосоме, пропорциональна величине ее функции приспособленности , где - ее целевая функция.

Процесс скрещивания основан на рассечении пары хромосом на две части с последующим обменом этих частей в хромосомах родителей (рис. 1). Место рассечения также выбирается случайным образом. Количество новых потомков равно количеству отбракованных в результате селекции (размер популяции остается неизменным). Признается допустимым перенос в очередное поколение некоторых случайно выбранных хромосом вообще без скрещивания.

Рис. 1. Процесс скрещивания

Последняя генетическая операция - это мутация. При двоичном кодировании мутация состоит в инверсии случайно выбранных битов. При кодировании векторов десятичными числами мутация заключается в замене значения какого-либо элемента вектора другим случайно выбранным значением. Мутация обеспечивает защиту как от слишком быстрого завершения алгоритма (в случае выравнивания значений всех хромосом и целевой функции), так и от представления в какой-либо конкретной позиции всех хромосом одного и того же значения. Однако необходимо иметь в виду, что случайные мутации приводят к повреждению уже частично приспособленных векторов. Обычно мутации подвергается не более - бит всей популяции хромосом. Элемент, подвергаемый мутации, отбирается случайным образом.

Доказано, что каждое последующее поколение, сформированное селекцией, скрещиванием и мутацией, имеет статистически лучшие средние показатели приспособленности (меньшие значения целевой функции).

В качестве окончательного решения принимается наиболее приспособленная хромосома, имеющая минимальное значение целевой функции. Генетический процесс завершается либо в момент генерации удовлетворяющего нас решения, либо при выполнении максимально допустимого количества итераций. При реализации генетического процесса отслеживается, как правило, не только минимальное значение целевой функции, но и среднее значение по всей популяции хромосом, а также их вариации. Решение об остановке алгоритма может приниматься и в случае отсутствия прогресса минимизации, определяемого по изменениям названных характеристик.