遗传算法的基本原理

1、简介

  遗传算法是一种基于自然选择和群体遗传机理的搜索算法,它模拟了自然选择和自然遗传过程中的繁殖、杂交和突变现象.再利用遗传算法求解问题时,问题的每一个可能解都被编码成一个“染色体”,即个体,若干个个体构成了群体(所有可能解).在遗传算法开始时,总是随机的产生一些个体(即初始解),根据预定的目标函数对每一个个体进行评估,给出一个适应度值,基于此适应度值,选择一些个体用来产生下一代,选择操作体现了“适者生存”的原理,“好”的个体被用来产生下一代,“坏”的个体则被淘汰,然后选择出来的个体,经过交叉和变异算子进行再组合生成新的一代,这一代的个体由于继承了上一代的一些优良性状,因而在性能上要优于上一代,这样逐步朝着最优解的方向进化.因此,遗传算法可以看成是一个由可行解组成的群体初步进化的过程.


2、编码

  利用遗传算法求解问题时,首先要确定问题的目标函数和变量,然后对变量进行编码,这样做主要是因为在遗传算法中,问题的解是用数字串来表示的,而且遗传算子也是直接对串进行操作的.编码方式可以分为二进制编码和实数编码.若用二进制编码表示个体,则二进制数转化为十进制数的解码公式可以为:


其中(bi1,bi2,...bil),为某个个体的第i段,每段段长都为l,每个bik都是0或者1,Ti和Ri是第段分量Xi的定义域的两个端点.

3、遗传操作

  遗传操作是模拟生物基因的操作,他的任务就是根据个体适应度对其施加一定的操作,从而实现优胜劣汰的进化过程.从优化搜索的角度来看,遗传操作可以使问题的解逐代优化,逼近最优解,遗传操作包括以下三个基本遗传算子:选择、交叉、变异.选择和交叉基本上完成了遗传算法的大部分搜索功能,变异增加了遗传算法找到最优解的能力.

3.1、选择

  选择是指从群体中选择优良个体并淘汰劣质个体的操作.它建立在适应度评估的基础上.适应度越大的个体,被选中上的可能性就越大,他的“子孙”在下一代中的个数就越多,选择出来的个体就被放入配对库中.目前常用的选择方法有轮赌盘方法、最佳个体保留法、期望值法、排序选择法、竞争法、线性标准化法.

3.2、交叉

  交叉就是指把两个父代个体的部分结构加以替换重组而生成新的个体的操作,交叉的目的是为了在下一代产生新的个体,通过交叉操作,遗传算法的搜索能力得到了飞跃性的提高.交叉是遗传算法获取优良个体的重要手段.交叉操作是按照一定的交叉概率在匹配库中随机的选取两个个体进行的,交叉位置也是随机的,交叉概率一般取得很大,为0.6~0.9.

3.3、变异

  变异就是以很小的变异概率Pm随机地改变种群中个体的某些基因的值,变异操作的基本过程是:产生一个[0,1]之间的随机数rand,如果rand<Pm,则进行变异操作.变异操作本身是一种局部随机搜索,与选择、交叉算子结合在一起,能够避免由于选择和交叉算子而引起的某些信息永久性丢失,保证了遗传算法的有效性,使遗传算法具有了局部随机搜索能力,同时使得遗传算法能够保持群体的多样性,以防出现未成熟收敛.在变异操作中,变异概率不宜取得过大,如果Pm>0.5,遗传算法就退化为了随机搜索.


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