遗传算法 一个模拟自然进化过程的启发式搜索算法

问题导读

1.什么是遗传算法？
2.演化迭代的方式有哪两种？
3.在遗传算法中，将染色体称为个体，常见的基因编码方式有哪三种？

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遗传算法（Genetic Algorithm）是一种模拟自然界“自然选择”和“自然遗传”的启发式搜索算法，通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。

直到1989年，实现了具有单变量函数的简单遗传算法（Simple Genetic Algorithm，SGA）程序，后续有许多学者对遗传算法提出建议或改良，如精英保留策略遗传算法、改良遗传算法、混合遗传算法等，但他们都是基于SGA的。

本篇也是以SGA为基础的，SGA处理流程如下：

遗传算法的理论基础是达尔文的“进化论”，在遗传算法模型中，将问题的解答巧妙的编码在一串数值或符号中（即所谓的染色体），模拟染色体中的一段基因，经过长时间的进化过程，历经选择、交叉和变异3个遗传算子，不断产生新基因，同时淘汰不良基因，最终进化成最优秀的染色体，并满足进化的终止条件，得到问题的最优解。

实现遗传算法时，必须先将要求问题解的质量定义为适应度函数。适应度函数计算的数值代表该系统的性能指针，也就是该物种对于生存环境的适应程度，简称为适应度值，适应度值越高，表示系统性能越好，被选取的概率也越大。

最常见的进化的终止条件有两种：得到大于或等于预期的目的适应值，或达到预先定义好的演化代数，也就是说，适应度函数的设计是遗传演算过程是否可以正常执行的关键。

如果适应度函数选择不当，有可能会收敛于局部，而不能达到“真正的全局”最优解。除此之外，由于遗传算法具有不确定的变异因素，可能也会出现无法收敛的情况。这时，可以根据指定的演化函数，或发现搜索结果停滞不前，或已经达到某种饱和现象，设置终止条件。

1.编码

在遗传算法中，将染色体称为个体，常见的基因编码方式有二进制编码、浮点数编码和字符编码3种。

1）二进制编码：用二进制表示参数空间，优点：易实现

2）浮点数编码：直接将参数值当成染色体的基因，省去了编码和译码的动作，缺点：无法默认搜索的精确度，不适合处理不连续的变量空间

3）字符编码：直接用字符代表基因的方式

2.种群

根据SGA处理流程可知，遗传演算开始前，需要先产生初代种群（由一堆随机产生的染色体组成的），由于一个染色体代表一个问题解，因而初代种群也代表初始解的集合。

那一个种群应该包括多少染色体呢？这个要视问题复杂度来定，一般来说，越复杂的问题需要越大的种群规模来解决。

3.选择

选择机制类似于“无性繁殖”，根据每个染色体的适应度值大小来决定该染色体被选择的概率，适应度越高，被选择概率就大（自然选择），一旦染色体被选择，就会进行“自我复制”，并且被放置在称为配对库的暂存区中。

实现选择机制的两种常用方法是竞争选择法和轮盘赌选择法。

1）竞争选择法

从种群中选出两个染色体进行适应度值的比较，最后留下适应度较高的染色体作为父代，重复进行这个步骤，直到选出所有的父代为止。

2）轮盘赌选择法

按照适应度值的大小决定每一个槽的面积大小，可以使用下面公式来表示：

被选中的概率 P(i)= f(i)/( f(1) + f(2) + … + f(S))

其中 f(i)：适应度值；S：染色体总个数；

也就是说个体被选中的概率与其适应度函数值成正比。

接下来我们来看一个简单的轮盘赌算法：

[mw_shl_code=bash,true]/**
* 按设定的概率随机选中一个染色体,P(i)表示第i个染色体被选中的概率
*/
int RAN() {
    m =0;
    r =Random(0,1); // r为0至1的随机数
    for(i=1;i<=S; i++) {
        /**
         * 产生的随机数在m~m+P间则认为选中了i，i被选中的概率是P
         */
        m = m + P;
        if(r<=m) return i;
    }
}[/mw_shl_code]

4.交叉

第二个遗传算子叫做交叉。

作用：希望通过父代之间进行基因交换的动作后，产生具有较高适应度的子代。

位于配对库中的染色体是经过选择运算的结果，在交叉流程开始时，会先从配对库中任意取出两个染色体，并将它们作为父代。但是并非所有父代都会进行交叉（取决于交叉概率），实现程序时，可以将交叉概率设置为0.8~1的数值，接着再取一个随机实数，如果该随机实数小于交叉概率，就进行交叉运算。

交叉概率的大小会影响搜索最优解的速度，太高的交叉概率有可能流失优良的染色体，反之又会造成进化停滞，故一般把交叉概率设置在0.8~1为宜。

5.变异

最后一个遗传算子叫做变异。

是否进行变异取决于变异概率，当随机实数小于变异概率时就会引发突变运算，也就是会将染色体中的某个位，由原来的0置换成1，或是由原来的1置换成0。可以置换某个固定位置的位，也可以由随机数来决定位置。

使用这种随机漫步的方式，突变运算将使遗传算法脱离布局最优解的窘境，得到全局最优解。根据文献研究显示，建议将变异概率设置为0.001左右。

6.演化迭代

经过选择、交叉、变异3个遗传算子后，即可产生新的子代，继续下一个循环的进化，目前常用的取代方式有：
1）整群取代：全部用新产生的染色体取代旧种群的染色体；
2）精英保留策略：保留旧种群中适应度值最高的前几名，用新产生的染色体取代其余的染色体。

7.基本遗传算法伪代码

[mw_shl_code=bash,true]/**
* 基本遗传算法伪代码
*  Pj：交叉发生的概率
*  Pb：变异发生的概率
*  M：种群规模
*  G：终止进化的代数
*  T：进化产生的任何一个个体的适应度函数超过T，则可以终止进化过程
*/
初始化Pb，Pj，M，G，T等参数，随机产生第一代种群Pop
do{
    计算种群Pop中每一个体的适应度f(i)，初始化空种群newPop
    do{
        根据适应度以 轮盘赌算法 从种群Pop中选出2个个体
        if ( random ( 0 , 1 ) < Pj ){
            对2个个体按交叉概率Pj执行交叉操作
        }
        if ( random ( 0 , 1 ) < Pb ){
            对2个个体按变异概率Pb执行变异操作
        }
        将2个新个体加入种群newPop中
    } until ( M个子代被创建 )
    用newPop取代Pop
} until ( 任何染色体得分超过T， 或繁殖代数超过G )[/mw_shl_code]

到这里相信大家对遗传算法已经有了一定的了解了。