机器学习-进化计算
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进化计算与遗传算法
进化计算的主要分支
——进化策略
• （l＋1）进化策略或二元（two－membered）进 化策略： 种群中只包含一个个体，而且只使用变异作。在 每一进化代，变异后的个体与其父体进行比较再 选择两者之优。它使用的变异算子是基于正态分 布的变异操作 • 进化策略 种群内含有 个个体，随机地选取一个个体进 行变异，然后取代群体中最差的个体
从生物进化到进化计算
• 杂交：通过杂交随机组合来自父代染色体 上的遗传物质，产生不同于它们父代的染 色体。生物进化过程不需要记忆，能很好 地适应自然环境的信息都包含在当前生物 体所携带的染色体的基因库中，并由子代 个体继承下来。
从生物进化到进化计算
• 突变：随机改变父代个体的染色体上的基 因结构，产生具有新染色体的子代个体。 变异是一种不可逆过程，具有突发性、间 断性和不可预测性，对于保证群体的多样 性具有不可替代的作用。
• 另外，生物进化是一个开放的过程，自然 界对进化中的生物群体提供及时的反馈信 息，或称为外界对生物的评价。由此形成 了生物进化的外部动力机制。
从生物进化到进化计算
进化计算的特点： • 进化计算采用简单的编码技术来表示各种 复杂的结构，并通过对一组编码表示进行 简单的遗传操作和优胜劣汰的自然选择来 指导学习和确定搜索的方向。 • 它采用种群（即一组表示）的方式组织搜 索，这使得它可以同时搜索解空间内的多 个区域。而且用种群组织搜索的方式使得 进化算法特别适合大规模并行计算。
从生物进化到进化计算
• 在赋予进化计算自组织、自适应和自学习等特 征的同时，优胜劣汰的自然选择和简单的遗传 操作使进化计算具有不受其搜索空间限制性条 件（如可微、连续、单峰等）的约束及不需要 其它辅助信息（如导数）的特点
• 这些崭新的特点使得进化计算不仅能获得较高 的效率而且具有简单、易于操作和通用的特性， 而这些特性正是进化计算越来越受到人们青睐 的主要原因之一
人工智能的研究方法
人工智能的研究方法人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）是计算机科学的一个分支，涉及研究、开发和应用计算机系统具有智能的能力，例如学习、推理、理解自然语言和感知环境等。
为了实现人工智能的目标，研究者们采用了多种研究方法和技术，下面将介绍几种主要的研究方法。
一、规则推理规则推理是一种基于规则的人工智能研究方法。
研究者通过定义一系列规则和逻辑关系，来使计算机系统进行推理和决策。
这些规则可以使用逻辑语言来描述，例如一阶逻辑或谓词逻辑。
通过对现实世界的知识进行建模，计算机可以根据这些规则进行逻辑推理，并做出符合逻辑的决策。
规则推理方法具有明确的逻辑基础和可解释性，但在面对复杂的问题时，规则的定义和推理逻辑往往非常复杂，限制了其应用范围。
二、机器学习机器学习是一种基于数据的人工智能研究方法。
研究者通过训练计算机系统使用大量的数据来提取模式和规律，并根据这些模式和规律来进行预测和决策。
机器学习可以分为监督学习、无监督学习和增强学习等不同的方法。
监督学习通过给定输入数据和相应的标签，训练模型来预测新的输入数据的标签。
无监督学习则是通过分析输入数据的统计特征和结构，来发现数据的隐藏模式和关系。
增强学习是一种通过试错的方式，通过与环境的交互来学习最优的行为策略。
机器学习方法具有较强的智能学习能力和适应性，但需要大量的数据和计算资源。
三、深度学习深度学习是机器学习的一个重要分支，通过使用人工神经网络模型来实现对数据的学习和理解。
深度学习模型通常由多层神经网络组成，每一层都有大量的神经元节点，通过相互连接来进行信息传递和处理。
深度学习模型可以自动抽取和学习数据的特征表示，具有较强的表征能力和学习能力。
深度学习在计算机视觉、自然语言处理等领域取得了很多突破性的成果，但其模型参数较多，训练过程较为复杂，需要大量的计算资源和训练数据。
四、进化计算进化计算是一种受自然进化过程启发的研究方法，通过模拟自然选择、遗传变异和适应度评估等过程，优化计算机系统的性能和表现。
人工智能的进化计算和遗传算法方法
人工智能的进化计算和遗传算法方法人工智能在当今社会发展中扮演着越来越重要的角色，其应用领域也在不断拓展和深化。
其中，进化计算和遗传算法方法作为人工智能领域中的重要分支，在解决复杂问题和优化算法方面发挥着重要作用。
本文将对进行深入研究和分析，探讨其原理、应用以及未来发展方向。
首先，我们需要了解进化计算和遗传算法方法的基本原理。
进化计算是一种模拟自然界进化过程的计算方法，包括遗传算法、进化策略、粒子群优化等。
而遗传算法是其中的一种重要方法，其基本原理是受到达尔文的进化论启发，通过模拟自然选择、交叉、变异等操作来搜索优化问题的解。
遗传算法具有全局搜索能力强、适用于复杂问题等特点，被广泛用于优化问题求解、机器学习等领域。
在进化计算和遗传算法方法的应用方面，其广泛应用于多个领域。
例如，在工程优化问题中，遗传算法可以用于优化机器学习模型的参数、设计优化、电子电路设计等。
在人工智能领域，遗传算法也经常用于解决复杂问题，如图像处理、自然语言处理、智能控制等。
同时，进化计算和遗传算法在经济、金融领域也有着重要应用，如股票交易策略优化、风险管理、投资组合优化等。
在现实生活中，进化计算和遗传算法方法的应用也越来越广泛。
比如，人们可以利用遗传算法优化生产线上的工序，提高生产效率；在医疗领域，遗传算法可以用于基因序列分析、药物研发等。
此外，进化计算和遗传算法还被应用于智能交通系统、智能家居、智能农业等领域，为人们的生活带来了便利和改善。
未来，人工智能的进化计算和遗传算法方法仍将继续发展和完善。
随着计算机性能的不断提高和算法的不断创新，进化计算和遗传算法将能够处理更加复杂的问题，提高解决方案的质量和效率。
同时，随着大数据、云计算、物联网等技术的发展，进化计算和遗传算法还可与其他技术相结合，实现更加强大的功能和应用。
因此，未来进化计算和遗传算法方法有望在人工智能领域中发挥更大的作用。
让我们总结一下本文的重点，我们可以发现，人工智能的进化计算和遗传算法方法是人工智能领域中的重要研究分支，其在优化问题解决、复杂系统建模等方面发挥着重要作用。
第二讲 计算智能-进化计算
2.2.1 进化计算概述
2. 进化计算的产生与发展(2/2)
(3) 发展阶段
这 一 阶 段 是 从 20 世 纪 90 年 代 至 今 。 1989 年 ， 美 国 斯 坦 福 （ Stanford ）大学的科扎（ Koza ）提出了遗传规划的新概念，并于 1992年出版了专著《遗传规划 ----应用自然选择法则的计算机程序设 计（ Genetic Programming :on the Programming of Computer by Means of Natural Selection）》该书全面介绍了遗传规划的基本原理 及应用实例，标志着遗传规划作为计算智能的一个分支已基本形成。
进入 20 世纪 90 年代以来，进化计算得到了众多研究机构和学者的 高度重视，新的研究成果不断出现、应用领域不断扩大。
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2.2.1 进化计算概述
3. 进化计算的基本结构 进化计算尽管有多个重要分支，但它们却有着共同的进化框架。 若假设P为种群(Population，或称为群体)，t为进化代数， P(t)为第t代种群 , 则进化计算的基本结构可粗略描述如下： { 确定编码形式并生成搜索空间； 初始化各个进化参数，并设臵进化代数t=0； 初始化种群P(0); 对初始种群进行评价（即适应度计算）； while（不满足终止条件）do { t=t+1; 利用选择操作从P(t-1)代中选出P(t)代群体； 对P(t)代种群执行进化操作； 对执行完进化操作后的种群进行评价（即适应度计算）； } } 可以看出，上述基本结构包含了生物进化中所必需的选择操作、进化操作 和适应度评价等过程。
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2.2.1 进化计算概述
1. 进化计算及其生物学基础(1/3) (1) 什么是进化计算 进化计算是一种模拟自然界生物进化过程与机制进行问题求解的自组 织、自适应的随机搜索技术。它以达尔文进化论的“物竟天择、适者生 存”作为算法的进化规则，并结合孟德尔的遗传变异理论，将生物进化 过程中的 繁殖（Reproduction） 变异（Mutation） 竞争（Competition） 选择（Selection） 引入到了算法中。
非线性模型在进化计算中的应用
非线性模型在进化计算中的应用进化计算是一种模拟生物进化过程的计算机处理方法，广泛应用于优化问题和机器学习中，其中非线性模型是进化计算的重要组成部分。
非线性模型是指一类不满足线性叠加性质的数学模型，通常需要用计算机算法来求解。
在进化计算中，非线性模型的应用能够提高算法的效率和精度，从而实现更好的优化和学习。
非线性模型是进化计算中常见的优化目标函数，如支持向量机（SVM）、神经网络（NN）等。
SVM是一种基于最大间隔分类原理的机器学习算法，其模型为非线性函数。
NN是一种基于神经元模型的计算机算法，其输入和输出之间的映射函数也是非线性函数。
在处理大量数据时，这些非线性模型可以识别数据之间的复杂关系，进而提高处理的准确度和效率。
除了优化目标函数，非线性模型在演化计算中还有其他应用。
例如，在多目标优化（MO）问题中，可能存在多个目标函数需要优化。
由于不同目标函数之间通常是相互影响的，因此需要使用非线性模型来解决这种问题。
非线性模型可以将多个目标函数进行合并和优化，得出一个全局最优的解。
另外，非线性模型在进化计算的种群初始化和调整中也有应用。
在种群初始化中，随机数发生器通常无法生成最优的种群。
因此，需要使用基于非线性模型的初始化方法来生成种群，以尽可能提高种群质量和效率。
在种群调整中，需要使用非线性模型来确定种群中每个个体的适应度，以保证种群中每个个体都能够适应环境的变化。
总之，非线性模型的应用在进化计算中发挥了重要作用。
非线性模型不仅能够实现更好的优化和学习，还能够提高进化计算的效率和精度。
在未来，随着计算机算法和技术的不断提升，非线性模型在进化计算中的应用将会更加广泛和深入。
进化计算和优化算法的比较
进化计算和优化算法的比较进化计算（Evolutionary Computation）是一种模拟自然进化原理的计算模型，它使用一些生物学中进化学原理，比如“自然选择”、“遗传交配”、“变异”等，来进行机器学习、优化问题求解等计算任务的模拟。
进化计算主要包括遗传算法（Genetic Algorithm）、进化策略（Evolutionary Strategy）和粒子群优化（Particle Swarm Optimization）等。
优化算法则是一种“找到最优解”的算法，优化问题包括线性规划、非线性规划、二次规划、整数规划和非凸规划等，其中，非凸规划是指约束条件不具有凸性的优化问题。
优化问题通常涉及的函数形式非常复杂，但是人们往往只关心最优解的寻求，即所谓的“解决方案”。
下面我们将进化计算和优化算法进行比较，分别从适合求解的问题类型、求解速度和求解效果三个方面来分析。
一、适合求解的问题类型进化计算的应用范围非常广泛，可以应用于任何非线性、非凸和非规则的问题，如遗传匹配、物流路径规划、信号处理、图像处理、神经网络训练等等。
进化计算的运行速度相对较慢，但是可以处理比较复杂的问题，尤其是对于非线性问题，进化计算的效果特别好。
反过来，优化算法则更适合求解线性、凸和简单问题类型。
优化算法的运行速度快，但是只能使用在相对简化的优化问题上，因为对于非凸和非线性问题，优化算法往往难以寻找全局最优解。
二、求解速度在求解速度方面，优化算法的求解速度往往比进化计算速度快。
因为进化计算的运行有时候会在全局范围内浏览所有子空间，这一过程将需要大量的迭代计算，因此运行速度环节较慢。
优化算法则是建立在一个数学模型的基础上，可以快速地求解线性和凸优化问题。
但是对于非线性和非凸问题，优化算法的求解速度往往更慢。
所以，需要根据具体情况来选择最适合的算法。
三、求解效果从求解效果的角度看，进化计算相对来说会比优化算法更加稳定。
因为进化计算是将整个搜索空间（即函数值）进行漫游，而优化算则是直接在可行解区域内进行迭代计算，对于局部最优解的寻找比较困难。
探索进化算法的应用
探索进化算法的应用进化算法是一种受到生物进化理论启发而发展起来的优化算法。
它模拟了自然界的进化过程，通过不断地迭代演化来寻找问题的最优解。
进化算法具有广泛的应用领域，包括机器学习、数据挖掘、优化问题等，本文将从不同领域的角度探索进化算法的应用。
一、机器学习中的进化算法应用机器学习是一门通过训练模型来实现智能化的领域，进化算法在机器学习中发挥了重要的作用。
首先，进化算法可以用来优化机器学习模型的参数。
通过不断地调整参数，进化算法能够找到最佳的模型参数组合，从而提高模型的预测准确度。
其次，进化算法可以用来进行特征选择。
在特征选择过程中，进化算法可以通过选择最优的特征子集来提高模型的泛化能力和解释性。
最后，进化算法还可以用于生成新的特征，提供更加丰富的信息输入给机器学习模型。
二、数据挖掘中的进化算法应用数据挖掘是指从大量数据中提取出有用信息和知识的过程，进化算法可以在数据挖掘中发挥重要作用。
首先，进化算法可以用来进行聚类分析。
通过不断地迭代，进化算法能够将相似的数据点分组，从而揭示出数据的内在结构和规律。
其次，进化算法还可以用来进行关联规则挖掘。
通过发现数据集中的频繁项集，并挖掘它们之间的关联关系，进化算法能够帮助人们发现潜在的关联规律。
最后，进化算法还可以用来进行异常检测。
通过生成正常数据的模型，进化算法能够根据异常程度检测和识别异常数据点。
三、优化问题中的进化算法应用优化问题是指在给定约束条件下寻找最优解的问题，进化算法在解决优化问题中具有独特的优势。
首先，进化算法可以用来解决复杂的全局优化问题。
相比于传统的优化算法，进化算法通过全局搜索策略，能够更好地避免陷入局部最优解。
其次，进化算法还可以用来解决多目标优化问题。
通过定义多个目标函数，并在多个目标之间进行权衡，进化算法能够找到一组最优解，形成一个帕累托前沿。
最后，进化算法还可以用来解决动态优化问题。
在动态优化问题中，目标函数和约束条件随着时间的推移而不断变化，进化算法能够通过自适应的策略，适应环境的变化，并找到最优解。
人工智能主要研究方法
人工智能主要研究方法人工智能（Artificial Intelligence，AI）是计算机科学的一个分支领域，主要研究如何使计算机能够模拟人类的智能行为。
为了实现人工智能，研究者们采用了许多不同的方法和技术。
本文将介绍人工智能的主要研究方法，包括符号主义、连接主义和进化计算等。
一、符号主义方法符号主义方法是早期人工智能研究的主流方法之一。
该方法基于逻辑推理和符号处理，将人类的智能行为抽象成一系列的符号操作。
通过使用逻辑表示和推理，计算机可以模拟人类的推理过程，并进行问题求解。
符号主义方法着重于知识表示和推理推断，如专家系统、规划和推理等。
这种方法的优点是可以清晰地表达和解释问题，但它往往忽视了不确定性和模糊性，难以应对更复杂的现实问题。
二、连接主义方法连接主义方法是一种基于神经网络的人工智能研究方法。
连接主义模型模拟了大脑的神经元之间的相互作用，通过大规模并行计算来实现智能功能。
该方法强调从经验中学习的能力，通过调整神经网络的权重来优化模型的性能。
连接主义方法在图像识别、语音识别和自然语言处理等领域取得了重要突破。
与符号主义方法相比，连接主义方法更适用于处理大规模和复杂的数据，但它对于知识的表示和解释相对不足。
三、进化计算方法进化计算方法是一种基于生物进化理论的人工智能研究方法。
通过模拟遗传算法、进化策略和遗传规划等算法，进化计算方法通过迭代的方式来搜索最优解。
该方法模拟了进化的过程，通过适应度评估和进化操作来不断改进解的质量。
进化计算方法在优化问题、机器学习和数据挖掘等领域具有广泛的应用。
相对于前两种方法，进化计算方法更加灵活和自适应，但其效率较低，需要大量计算资源。
四、混合方法除了以上三种主要的研究方法外，还有一种被广泛采用的混合方法。
混合方法结合了符号主义、连接主义和进化计算方法的优点，以解决更复杂的问题。
例如，在人工智能的自动驾驶领域，研究者们同时采用了符号主义方法对规则进行建模，以及连接主义方法对感知和决策进行学习。
生物进化知识：进化驱动的应用计算——从神经网络到人工智能
生物进化知识：进化驱动的应用计算——从神经网络到人工智能近年来，生物进化领域的研究取得了许多重大进展。
在众多学科领域中，进化计算是一个最为重要的分支。
从简单基础的遗传算法到进化神经网络，进化计算已经成为现代计算中广泛应用的基础之一。
进化计算，简单来说，是指通过一定的演化过程得到一个可以自我适应的系统。
这个系统有时候被认为是人类智能的一个模拟。
这种模拟方法在实际应用中也非常有用，比如优化问题、机器学习、控制、预测等等。
首先，我们来探讨一下神经网络这一应用领域中进化计算的运用。
进化神经网络通常是一种两阶段的过程。
首先是评价，并从中筛选出最好的神经网络，然后以这些神经网络作为"种子"，进一步演化、仿真、试验，得到更好的神经网络，实现了种群的动态进化。
而在进化神经网络的系统中，我们需要弄清一些概念：种群、基因、染色体以及适应度。
简而言之，种群是指在开始时随机生成的一组神经网络；染色体是指这个神经网络中的参数；基因则是染色体中的一个位点；适应度是指这个神经网络在某一任务下的表现。
例如，一个具有三个神经元和一个输出的神经网络，其染色体是一组权重和阈值。
如果每种染色体代表不同的神经网络，则只有某个独特的染色体才能构建一个合法的网络。
一个个体的适应度即可通过网络在某项任务中的表现来决定。
进化神经网络的过程通常被划分为以下几个步骤：（1）开始：初始种群在开始时根据一定的概率分布创建。
该分布通常是通过随机分布来创建的。
（2）选择：从当前种群中选择适应度最好的神经网络。
通常是使用轮盘式选择或其他选择方法进行。
（3）交叉：使用一种交叉操作将神经网络的参数混合在一起，生成新的种群。
（4）变异：对新个体的参数进行突变，使神经网络产生新的变异类型。
（5）评价：启发函数也可以选择一些其他参数，例如成本函数。
然后重新运行神经网络，评估其性能，以便确定要选择的神经网络。
经过多次迭代之后，我们可以获得一个更加优秀的神经网络，等等。
第6章 进化计算
遗传算法的基本操作
（2）交叉（Crossover Operator）
复制操作能从旧种群中选择出优秀者，但不能创造 新的染色体。而交叉模拟了生物进化过程中的繁殖现 象，通过两个染色体的交换组合，来产生新的优良品 种。
交叉的过程为：在匹配池中任选两个染色体，随机 选择一点或多点交换点位置；交换双亲染色体交换点 右边的部分，即可得到两个新的染色体数字串。
遗传算法的构成要素
（1）染色体编码方法 基本遗传算法使用固定长度的二进制符号来表示群
体中的个体，其等位基因是由二值符号集{0,1}所组成。 初始个体基因值可用均匀分布的随机值生成，如 就可表示一个个体，该个体的染色体长度是18。
x 100111001000101101
（2）个体适应度评价：基本遗传算法用与个体适应 度成正比的概率来决定当前群体中每个个体遗传到 下一代群体中的概率多少。为正确计算这个概率， 要求所有个体的适应度必须为正数或零。因此，必 须先确定由目标函数值J到个体适应度f之间的转换 规则。
遗传算法的特点
遗传算法从由很多个体组成的一个初始群体开 始最优解的搜索过程，而不是从一个单一的个体开始 搜索，这是遗传算法所特有的一种隐含并行性，因此 遗传算法的搜索效率较高。
（3）遗传算法直接以目标函数作为搜索信息。传统的 优化算法不仅需要利用目标函数值，而且需要目标函 数的导数值等辅助信息才能确定搜索方向。而遗传算 法仅使用由目标函数值变换来的适应度函数值，就可 以确定进一步的搜索方向和搜索范围，无需目标函数 的导数值等其他一些辅助信息。
遗传算法的特点
遗传算法可应用于目标函数无法求导数或导数不 存在的函数的优化问题，以及组合优化问题等。
（4）遗传算法使用概率搜索技术。遗传算法的选择、 交叉、变异等运算都是以一种概率的方式来进行的， 因而遗传算法的搜索过程具有很好的灵活性。随着进 化过程的进行，遗传算法新的群体会更多地产生出许 多新的优良的个体。
人工智能与进化计算
一．人工智能（AI,artificial intelligence）人工智能，作为一门新兴的学科，基本上起步于上世纪的70年代。
到目前为止仍然是一门发展中的学科。
完整系统的理论体系尚未完全定型，新理论、新技术和新方法都在不断的变化之中。
人工智能涉及到很多的学科及相互间的交叉。
至少可以包括：数学、心理学、逻辑学、信息学、认知科学和计算机科学等。
它的应用领域也十分广泛。
人工智能的主体内容：知识与推理，问题的求解，合乎逻辑的行为（行动），不确定知识与推理和学习，信息的获得、感知与行动……。
要把这些内容组织起来，并形成一个相互联系的整体，显然是一件非常困难的事情。
人们甚至提出十分敏感并富有争议的问题：机器能够思考吗？人工智能是否可以真正实现？人工智能的研究，对科学技术发展的最大推动应该是人们对方法论的研究。
二．问题的求解层次1．初中等教育层次：代数的运算与方程的求解。
2．高等教育层次：微积分、矩阵等运算与方程的求解---确定性的解析方法。
3．科学研究层次：对问题的描述和求解都发生了困难---确定性和不确定性数值方法。
三．传统的最优化算法1．基本概念2．算法简介3．问题与缺陷四．遗传算法(Genetic Algorithms)1．基本背景遗传算法是一种新的最优化算法，它是基于自然界生物进化理论而演变出来的进化计算方法(Evolutionary Computing Method)。
该方法是在60年代由美国和德国的一些科学家所提出的。
但是，由于该方法所需要的计算量较大，而当时的计算机发展水平较低，加之其本身理论工作等方面的一些问题，使得这种方法未能得到人们的重视。
到了70年代后期，在美国Michigan大学的JohnHolland教授和他的同事及学生们对遗传算法进行了一系列的理论研究工作之后，这种方法才逐渐成熟并被人们所接受。
在1975年，John H.Holland的专著《Adaptation in Natural and ArtificialSystems》通常被认为是遗传算法的经典之作。
ieeetransactionson进化计算模板
ieeetransactionson进化计算模板【原创版】目录1.IEEE Transactions on Evolutionary Computation 简介2.进化计算的概念和应用3.IEEE Transactions on Evolutionary Computation 的投稿要求4.该期刊的影响力和评价正文IEEE Transactions on Evolutionary Computation（简称 IEEE TEC）是由电气和电子工程师协会（IEEE）出版的一份学术期刊，致力于发表进化计算领域的原创研究论文。
进化计算是一种模拟自然进化过程的优化算法，广泛应用于各种工程和科学问题中。
进化计算的概念和应用进化计算是受自然界生物进化过程启发而产生的一种优化算法。
它使用一组随机生成的解决方案，并通过迭代选择、交叉和变异操作来改进这些解决方案，以解决复杂的优化问题。
这种算法在许多领域都有应用，例如机器学习、信号处理、控制系统和计算机视觉等。
IEEE Transactions on Evolutionary Computation 的投稿要求向 IEEE TEC 投稿需要满足一定的要求。
首先，论文必须是原创研究，且未曾在其他期刊或会议上发表。
其次，论文应包括问题陈述、相关工作综述、算法描述、实验验证和结论等部分。
此外，论文的语言应清晰、准确，并符合 IEEE 的格式要求。
该期刊的影响力和评价IEEE Transactions on Evolutionary Computation 是进化计算领域的顶级期刊，具有很高的学术影响力。
它为读者提供了关于进化计算理论和应用的最新研究成果，对相关领域的学者和工程师具有重要的参考价值。
同时，该期刊的审稿过程严格，确保了所发表论文的质量。
基于进化计算的机器学习优化方法
基于进化计算的机器学习优化方法一、引言在当今数字化时代，人工智能越来越成为了各个领域的研究热点。
而其中，机器学习作为人工智能的核心组成部分，更是备受关注。
而在机器学习的过程中，算法优化的方法就显得尤为重要。
近年来，一种新的优化算法——基于进化计算的机器学习优化方法在学术界取得了不错的成果，成为了研究的热点。
进化算法通过将群体个体的基因进行随机交叉、变异和选择，模拟生物在自然演化中的生存竞争过程，不断寻找最优解，使得算法具有良好的全局搜索能力和适用范围。
二、基于进化计算的机器学习优化方法1. 进化计算概述进化计算，顾名思义是模拟生物进化过程，通过模仿生物间的遗传变异、适应度评价、天然选择等模式进行计算，从而不断产生新一代优质解决方案。
根据具体实现方式分为：遗传算法(Genetic Algorithm,GA)；进化策略(Evolutionary Strategies,ES)；演化规划(Evolutionary Programming,EP)；差分进化算法(Differential Evolution,DE)等多种算法可供选择。
其中个体数量和适应度评价多样化是影响算法优化效果的关键因素。
2. 基于进化计算的机器学习优化实现策略(1) 遗传算法：遗传算法可以解决高维复杂问题，易于并行化和全局优化，应用广泛。
在机器学习中，遗传算法是对已知目标函数（例如分类准确度、回归误差等）的一种优化求解方法，实现对机器学习模型的调参后期优化。
其流程主要包括如下步骤：初始化种群，交叉繁殖，个体变异，适应度评价，选择操作，并且实施精英策略。
(2) 进化策略：由于深度神经网络的特征具有高纬度的特点，所以进化策略在神经网络的特征变量优化上具有较好的表现。
一般来说，随机地生成一些样本，再进行适应度评价，对于不同的样本进行交叉、变异，最后对残存的样本进行再次适应度评价，然后把结果合并进行进一步优化。
(3) 演化规划：演化规划采用随机搜索的思想，通过不断的实验和反思、调整参与设定参数来实现最优解的寻找。
人工智能中的遗传算法与神经进化计算
人工智能中的遗传算法与神经进化计算人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指使机器能够模拟人类智能行为的学科。
近年来，人工智能在诸多领域取得了重大进展，其中遗传算法和神经进化计算是两个重要的研究方向。
遗传算法是一种通过模拟生物进化过程来解决优化问题的算法。
它的基本原理是从一个初始的个体群体中随机产生一组候选解，并利用选择、交叉、变异等操作进行迭代优化，逐渐找到更优的解。
遗传算法通过模拟自然选择、遗传交叉和基因突变等过程，将优良的个体逐代繁衍，从而得到最优解。
与遗传算法相比，神经进化计算是一种基于生物进化理论的学习方法，其中的神经网络的结构和参数也通过遗传算法进行优化。
神经进化计算的基本思想是将神经网络的结构和权重编码为个体的基因，通过选择、交叉和变异等操作进行迭代优化。
通过不断优化神经网络的结构和权重，提高网络的拟合能力和泛化能力，进而提高人工智能系统的性能。
遗传算法和神经进化计算在人工智能领域具有广泛的应用。
在机器学习和数据挖掘中，遗传算法可以用于寻找最优特征子集、参数优化等问题。
通过随机生成一组候选解并利用遗传算法进行优化，可以有效地减少搜索空间，提高学习效率。
同时，神经进化计算可用于优化神经网络结构和参数，提高模型的性能和可解释性。
通过结合遗传算法和神经进化计算，可以进一步提高人工智能系统的性能和鲁棒性。
除了在机器学习领域的应用，遗传算法和神经进化计算在智能优化、自动控制等领域也具有重要意义。
例如，在智能优化问题中，遗传算法可以用于求解复杂的函数极值、组合优化等问题。
通过模拟自然界的优化过程，遗传算法可以在搜索空间中找到合适的解。
而神经进化计算则可以应用于自动控制问题中，通过优化神经网络的结构和参数，实现系统的智能控制。
遗传算法和神经进化计算的结合还可以产生更强大的人工智能系统。
通过在进化过程中引入神经网络的结构和参数，可以使个体的表达能力增强，从而提高系统的适应性和泛化能力。
进化计算方法在问题求解中的应用探讨
进化计算方法在问题求解中的应用探讨进化计算是一种以生物进化过程为基础的一种计算方法，其应用范围广泛，能够用于解决各种实际问题。
本文将深入探讨进化计算在问题求解中的应用。
一、进化计算的基本理论进化计算方法主要包括遗传算法、进化策略、粒子群优化等。
这些方法的思想基础是生物进化过程，即通过种群中的个体之间的遗传和变异来获得更优的解决方案。
其中，遗传算法是最早得到广泛应用和研究的一种进化计算方法。
其主要思想是将问题转化为染色体编码问题，通过交叉、变异等方式对染色体进行操作，不断产生新的个体，最终找到满足要求的最优解。
二、进化计算在函数优化中的应用函数优化是进化计算最常见的应用领域之一。
对于复杂的函数，传统的优化方法有时会陷入局部最优解而无法找到全局最优解。
而进化计算则能够通过种群的随机性和不断的迭代来发掘更多的解空间，避免局部最优解的困扰。
例如，将函数的优化看做等效于找到一个合适的参数组合，通过遗传算法对参数组合进行优化，最终获得全局最优解。
三、进化计算在组合优化中的应用组合优化是求解组成部分之间共同作用的最优解问题，常见于物流、资源配置等领域。
这类问题规模较大、求解难度较高、对算法的鲁棒性及优化性能要求较高。
遗传算法在解决TSP等著名的组合优化问题中表现优异。
例如，在物流配送问题中，用遗传算法来实现要素的排列，最后可以得到更合理和更高效的物流方式，从而降低成本、提高效率。
四、进化计算在机器学习中的应用机器学习本质上是优化问题，其中的参数优化问题可以被看作是一类求解非线性函数最小值的问题。
近年来，随着深度学习和神经网络的不断发展，进化计算作为一种优化方法也得到了广泛的应用。
例如，在神经网络训练过程中，最优的参数组合可以由遗传算法确定。
五、进化计算在多目标优化中的应用多目标优化是一个复杂的问题，其核心是要找出一组解，同时考虑多个目标，即寻找一个解集，其关键点在于如何在多个目标中找到一个有效的权衡。
进化计算方法通过不断的迭代，在多个目标中找到一个平衡，在多个目标间进行权衡。
进化计算
这个变换函数给出了模型，说明表型的发展是通过基 因与环境的交互作用。
变换过程是高度非线性的。
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进化系统理论的形式模型
质量函数q给出了具体选择环境ESi下表型的质量， 其定义如下：
质量函数： q( p, ESi ,t) IR
质量定义适应度，用于达尔文选择。至今已有三种 具体范例的通用模型，即
门德尔遗传学 遗传生态学 进化配子
2019/10/17
史忠植 高级人工智能
15
门德尔遗传学
在门德尔遗传学中，基因型被详细模型化，而表型和 环境几乎被忽略。在遗传生态学中恰好相反。 进化配子论是从社会生物学导出的模型。
首先让我们讨论门德尔遗传学的选择模型。为了
简单起见，我们假设一个基因具有n 等位基因a1,…,an。
在遗传算法中，位字符串扮演染色体的作用，单 个位扮演了基因的作用，随机产生一个体字符串 的初始群体，每个个体给予一个数值评价，称为 适应度，取消低适应度的个体，选择高适应度的 个体参加操作。
常用的遗传算子有复制、杂交、变异和反转。
2019/10/17
史忠植 高级人工智能
26
遗传算法与传统优化算法的主要不同
其中，g 是基因型 p 是表型。 基因gi的可能值称为等位基因。
在门德尔(Mendel)遗传学中，假设每个基因
有有限数的等位基因。
2019/10/17
史忠植 高级人工智能
13
进化系统理论的形式模型
后生环境： EP {EP1,..., EPk } 变换函数：f：GS EP PS
p f (g, EP) 质量函数： q( p, ESi ,t) IR
变换过程是高度非线性的。
2019/10/17
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14
进化系统理论的形式模型
质量函数q给出了具体选择环境ESi下表型的质量， 其定义如下：
质量函数： q( p, ESi ,t) IR
质量定义适应度，用于达尔文选择。至今已有三种 具体范例的通用模型，即
门德尔遗传学 遗传生态学 进化配子
2019/10/17
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门德尔遗传学
在门德尔遗传学中，基因型被详细模型化，而表型和 环境几乎被忽略。在遗传生态学中恰好相反。 进化配子论是从社会生物学导出的模型。
首先让我们讨论门德尔遗传学的选择模型。为了
简单起见，我们假设一个基因具有n 等位基因a1,…,an。
在遗传算法中，位字符串扮演染色体的作用，单 个位扮演了基因的作用，随机产生一个体字符串 的初始群体，每个个体给予一个数值评价，称为 适应度，取消低适应度的个体，选择高适应度的 个体参加操作。
常用的遗传算子有复制、杂交、变异和反转。
2019/10/17
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26
遗传算法与传统优化算法的主要不同
其中，g 是基因型 p 是表型。 基因gi的可能值称为等位基因。
在门德尔(Mendel)遗传学中，假设每个基因
有有限数的等位基因。
2019/10/17
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进化系统理论的形式模型
后生环境： EP {EP1,..., EPk } 变换函数：f：GS EP PS
p f (g, EP) 质量函数： q( p, ESi ,t) IR
人工智能开发技术中的强化学习和进化算法方法
人工智能开发技术中的强化学习和进化算法方法人工智能是近年来备受关注的热门话题，各种智能应用层出不穷。
而在智能应用的背后，强化学习和进化算法作为重要的开发技术，正发挥着重要的作用。
本文将探讨人工智能开发中的强化学习和进化算法方法，并分析其应用和未来发展趋势。
强化学习是一种机器学习方法，通过智能体从环境中不断试错和收集奖励信号来学习最优的行为策略。
与传统的监督学习和无监督学习不同，强化学习更注重通过与环境的交互来优化智能体的行为。
这一方法的优势在于能够在没有标记样本或准确模型的情况下进行学习，从而适用于多种实践场景。
强化学习的核心是智能体与环境的交互过程。
智能体通过观察环境的状态，选择相应的动作，并获得环境的反馈奖励。
根据这一过程，智能体可以通过学习来优化自己的决策策略，从而最大化累积奖励。
这种学习过程可以采用价值函数或策略函数来表示，其中价值函数用来评估某个状态或行为的价值，策略函数则用来选择最优的行为。
近年来，强化学习在智能游戏、自动驾驶、机器人控制等领域取得了许多重要的突破。
例如，AlphaGo通过强化学习方法，击败了世界围棋冠军。
这一突破表明强化学习在解决复杂问题上具有巨大的潜力。
此外，强化学习还可以与其他技术相结合，如深度学习，以进一步提升性能。
进化算法是模拟生物进化过程的一种优化方法，通过模拟基因的自然选择和遗传变异来搜索最优解。
进化算法模拟了自然界的进化过程，通过种群的繁殖和变异来生成新的解，并根据适应度评估来选择优秀的个体。
通过不断重复这一过程，进化算法最终会找到一个适应度最高的解。
进化算法与强化学习有着相似之处，都是通过试错和评估来优化解决方案。
然而，进化算法更侧重于通过自然选择和遗传变异来搜索解空间，而不依赖于环境。
因此，进化算法更适用于问题空间未知或难以建模的场景。
在实际应用中，强化学习和进化算法经常结合使用，以充分发挥二者的优势。
强化学习可以通过实时交互与环境进行学习和优化，而进化算法则可以用于搜索解的空间，并结合强化学习来优化解决方案。
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– 旅行商问题是一个易于描述却难以处理的问题，在可计算理论中有重要的理论价值； – 旅行商问题是诸多领域内出现的多种复杂问题的集中概括和简化形式，有一定的实际应用价
值；
• 这个问题的求解可以划分为三个步骤：
– 编码 – 适应度函数 – 基于遗传算法求解
议编程码
议适应程度函数
• 适应度函数为回路长度的倒数
• 基于局部竞争机制的策略，群体中随机选择若干个个体（一般是两个）进 行比较，其中适应度最好的个体被确定为生成下一代的父体。
议适应程性度及选择函数
• 适应度函数用于判定群体中的个体是否满足条件，一般是一个实值函数对 个体进行评价，适应度函数值越大，越满足条件。适应度函数的输出值需 要是能够进行比较的非负结果。适应度评价是选择操作的依据，适应度函 数设计直接影响到遗传算法的性能。
议两程点交叉和多点交叉
• 两点交叉是指在个体编码中随机设置了两个交叉基因点，然后再进行部分 基因片段的交换，交换的部分就是所设定的两个交叉点之间的部分染色体。 将单点交叉和两点交叉的概念加以推广，扩展到多点交叉。就是在个体编 码串中随机设置多个交叉点，然后进行基因片段的交换。但在实际的遗传 算法中，一般不使用多点交叉算子。因为交叉点增多，个体结构被破坏的 可能性就更大，个体基因的稳定性就难以保持，从而可能会影响到遗传算 法的效率。
机器学习 第9章 进化计算
章节介绍
• 进化计算包括遗传算法、进化策略和基因编程。进化计算是受进化生物学 启发而发展起来的计算模型，其实现过程基于达尔文的生物进化原理，将 现实问题转化为基因染色体表示，通过染色体操作，逐步逼近最优解。本 章主要是介绍遗传算法的概念、实现方法等基础知识，结合实例对蚁群算 法和蜂群算法做出介绍。
议启程发因子
• 启发因子反映了启发式信息在指导蚁群搜索过程中的相对重要程度，给蚁 群算法起到初始的引导作用。如果启发过大，收敛速度会加快，但是也容 易陷入局部最优；反之，算法容易陷入随机搜索，找不到最优解。一般地， 当启发因子为[3,4.5]时，综合求解性能较好。
议信息程素挥发因子
• 信息素会随着时间推移不断挥发，而信息素挥发因子是表示信息素的消失 水平，它直接关系到蚁群算法的全局搜索能力和收敛速度。一般地，当信 息素挥发因子位于[0.2,0.5]时，综合性能较好。
议基于程遗传算法求解
• 如两个父个体 A:(1 2 3 4 5 6 7 8 9)和B:(4 1 2 8 7 6 9 3 5)，对两个父代矩阵中位 进行交叉运算（A中的4 1 3与B中的5 3 3交换），得一新矩阵，产生无矛盾 的部分序：
A 1 1 2 1 4 1 3 1 1 → 1 1 2 1 5 3 3 2 1 A’ B 5 1 5 5 5 3 3 2 1 → 5 1 5 5 4 1 3 1 1 B’
议信程息素常数
• 信息素常数的作用是利用有向图上的“信息素”，使算法在正反馈机制作 用下逐步演化，直到搜索到全局最优解。其值越大，表示蚂蚁在已遍历路 径上的信息素积累越快，有助于快速收敛。一般地，当值属于[10,1000]时， 综合性能较好。
议蚁群程算法的步骤
• 以TSP问题为例，算法的基本步骤如下：
• 在求解很多组合优化问题时，不需要对问题有非常深入的了解，在确定问 题的决策变量编码后，其计算过程是比较简单的，且可较快的得到一个满 意解。
• 与其他启发式算法有较好的兼容性，容易结合形成性能更优的问题求解方 法。
议遗传程算法应用案例
• 应用遗传算法解决的实际问题是旅行商问题。旅行商问题可以用于评价不 同的遗传操作以及选择机制的性能。这是因为：
– 第一只发现蜜源的蜜蜂以摇摆舞的方式发出信号； – 其他蜜蜂接受到信号，确定蜜源位置信息； – 选择前往蜜源或在附近寻找新的蜜源。
蜂群算法简介
• 人工蜂群算法中有三种蜜蜂：
– 采蜜蜂：与蜜源相关联，采蜜蜂对应其正在采蜜的蜜源，同时测量蜜源适应度，并通过摇摆 舞的方式将蜜源信息发布出去；采蜜蜂总能记住所经过的最佳采蜜点，并能够凭记忆在经过 的路径区域搜索；
– 观察蜂：检测采蜜蜂发出的信息，并根据这些信息判断蜜源的适应度，选择前往蜜源或继续 等待新的信息，适应度越大的蜜源被选择的可能性越高；
– 侦查蜂：随机搜索新的蜜源。
• 该算法会引入代表解空间中的可能解的蜜源，并初始化“适应度”来度量 蜜源，用于决定蜜蜂是否选择前往采蜜。在循环过程中，每个蜜源设定只 有一个采蜜蜂，整个蜂群中采蜜蜂和观察蜂的数量可以相等，当设定的蜜 源（适应度）被耗尽时，采蜜蜂将转变为侦查蜂，寻找新的食物源，三种 蜜蜂在不同的条件下可以相互转换。
议蜂群程算法的步骤
• 初始化蜜蜂种群； • 按照适应度对所有蜜源排序，适应度较高的蜜蜂作为采蜜蜂，较低的为观
察蜂； • 每只蜜蜂在蜜源采蜜的同时，搜索附近蜜源并计算其适应度，若新蜜源的
适应度高于原蜜源，则以新蜜源取代原蜜源； • 如果采蜜蜂、观察蜂对某一蜜源的搜索次数达到阈值，仍没有发现更高适
应度的蜜源，则放弃该蜜源并转化为侦查蜂，随机产生一个新的蜜源； • 记录所有蜜蜂找到的最优蜜源，返回第二步。若迭代次数达到上限，则输
• 选择函数用选择运算来实现对群体中的个体进行优胜劣汰，适应度高的个 体被遗传到下一代种群中的概率就大。选择算子是一种选择方法，从父代 中选择满足条件的个体遗传到下一代，常用的选择方法有轮盘赌选择法、 随机遍历抽样法、局部选择法、最佳个体保存方法、排序选择法、联赛选 择方法。
议变程异算子
• 变异算子能使个体按一定概率发生变异，产生新的遗传基因，有助于增加 种群多样性，是提高全局最优搜索能力的有效步骤，也是保持群体差异， 防止过早出现收敛的重要手段。遗传算法中交叉和变异的操作使算法具备 兼顾全局和局部的均衡搜索能力。
蚂蚁会在途中留下“信息素”作为标记，指导活动轨迹，蚂蚁会选择“信 息素”浓度高的路径，形成最短路径。 • 蚁群算法是对蚂蚁的行为进行抽象，“图”表示蚂蚁的活动范围，将蚂蚁 的行动轨迹抽象成图中的边，蚂蚁的移动过程则是按照一定概率从初始结 点到目标结点的转移。
议信息程素因子
• 信息素因子表示蚂蚁在移动过程中所积累的信息素浓度，类似于途中每一 条边的权值。其中，权值较大的路径被蚂蚁选择的几率也大，降低了探索 路径的随机性；权值过小使搜索过早陷入局部最优。一般地，信息素因子 选择[1,4]区间，性能较好。
议程 均匀交叉
• 均匀交叉可以看成是多点交叉的一种特殊形式。是指两个配对个体的每个 基因位上的基因都以相同的概率进行交换，组合成两个新的个体。具体的 运算可以设置一串规则来确定新个体每个位置的基因如何继承哪一个父类 基因位。
议程 算术交叉
• 算术交叉是指两个个体通过线性组合产生两个新的子代个体。采用这种交 叉方式的遗传算法通常采用浮点编码染色体。
章节结构
• 遗传算法的基础
– 基因重组与基因突变 – 遗传算法实现技术 – 遗传算法应用案例
• 蚁群算法
– 蚁群算法应用案例
• 蜂群算法简介
遗传算法的基础
• 遗传算法是进化计算的一个分支，是一种模拟自然界生物进化过程的随机 搜索算法。遗传算法首先对问题进行编码，然后随机初始化种群，每个个 体对应一个编码。通过适应度函数以及选择函数来进行对个体的淘汰，保 留优良个体基因，产生新的子代。
– 判断是否达到停止条件（迭代次数或最优条件），若否则进入步骤2；否则结束迭代。 – 输出全局最优结果。
蜂群算法简介
• 自然界中蜜蜂能够适应环境变化以极高的效率采集花蜜。尽管单一的蜜蜂 完成的工作简单，但蜜蜂群体能够通过一系列信息交流方式，如摇摆舞、 气味等，自然高效地完成采蜜授粉工作。蜜蜂采蜜过程大致如下：
议程 基因突变
• 基因突变是指染色体编码的某一位基因上的改变。基因突变使一个基因变 成了它的等位基因，并且通常会引起一些表现型上的变化。
• 二进制编码中，基因突变是指按照一定概率将基因串上的0、1取反。 • 浮点型编码中，基因突变指的是将原来的浮点数增加或者减少一个小随机
数。
议程遗传算法的步骤
• 随机产生一组初始个体构成初始种群，并评价每个个体的适应值； • 判断算法收敛准则是否满足，满足输出搜索结果，否则执行下面的步骤； • 根据适应值大小以一定方式进行选择操作； • 按交叉概率pc执行交叉操作 • 按变异概率pm执行变异操作 • 返回第二步进行循环
议选程择策略
• 选择函数用于选择优胜个体，淘汰不满足条件的个体。有以下三种策略：
• 基于适应值比例的策略，计算个体的相对适应度，用于评价个体的好坏。 以相对适应度为选择概率用轮盘赌选择种群。
• 基于排名的策略，根据个体适应度在群体中的排名来确定其选择概率，再 用第一种方法中的方法进行选择，可以避开非线性加速可能产生的早熟现 象。
– 单点交叉 – 两点交叉和多点交叉 – 均匀交叉 – 算术交叉 – 基因突变
议程 单点交叉
• 单点交叉也叫简单交叉，只在个体编码中随机设置一个交叉点，在该点互 换两个配对个体的部分染色体。在单点交叉情况下，个体两两配对，其中 每一对配对的个体都依照设定的交叉概率在交叉点处相互交换后续的染色 体编码串，从而产生两个新的个体。
议遗程传算法实现技术
• 遗传算法实现相关的技术有：
– 编码 – 群体的规模 – 选择策略 – 适应性度及选择函数 – 变异算子
议编程码
• 二进制编码，采用二进制0，1表示染色体的基因信息。 • 格雷码方法，是二进制编码的一种变形，是指连续两个整数所对应的编码
值之间只有一个码位是不同的。这一特点解决了二进制编码中的相邻数字 的距离较远的问题。 • 浮点编码法，对于一些多维、高精度要求的连续函数优化问题，使用二进 制编码会使编码冗长，不利于算法效率的提高。浮点数编码采用浮点数来 表示个体的每个基因值，这种编码法需要限制基因值始终在给定区间内。 • 符号编码法，符号编码是指染色体编码中的基因值可能涉及符号集的字符， 使用符号编码，便于编码有意义的基因值。这种编码方法需要认真设计交 叉、变异等遗传运算，以满足问题的各种约束，从而提高算法的搜索性能。
值；
• 这个问题的求解可以划分为三个步骤：
– 编码 – 适应度函数 – 基于遗传算法求解
议编程码
议适应程度函数
• 适应度函数为回路长度的倒数
• 基于局部竞争机制的策略，群体中随机选择若干个个体（一般是两个）进 行比较，其中适应度最好的个体被确定为生成下一代的父体。
议适应程性度及选择函数
• 适应度函数用于判定群体中的个体是否满足条件，一般是一个实值函数对 个体进行评价，适应度函数值越大，越满足条件。适应度函数的输出值需 要是能够进行比较的非负结果。适应度评价是选择操作的依据，适应度函 数设计直接影响到遗传算法的性能。
议两程点交叉和多点交叉
• 两点交叉是指在个体编码中随机设置了两个交叉基因点，然后再进行部分 基因片段的交换，交换的部分就是所设定的两个交叉点之间的部分染色体。 将单点交叉和两点交叉的概念加以推广，扩展到多点交叉。就是在个体编 码串中随机设置多个交叉点，然后进行基因片段的交换。但在实际的遗传 算法中，一般不使用多点交叉算子。因为交叉点增多，个体结构被破坏的 可能性就更大，个体基因的稳定性就难以保持，从而可能会影响到遗传算 法的效率。
机器学习 第9章 进化计算
章节介绍
• 进化计算包括遗传算法、进化策略和基因编程。进化计算是受进化生物学 启发而发展起来的计算模型，其实现过程基于达尔文的生物进化原理，将 现实问题转化为基因染色体表示，通过染色体操作，逐步逼近最优解。本 章主要是介绍遗传算法的概念、实现方法等基础知识，结合实例对蚁群算 法和蜂群算法做出介绍。
议启程发因子
• 启发因子反映了启发式信息在指导蚁群搜索过程中的相对重要程度，给蚁 群算法起到初始的引导作用。如果启发过大，收敛速度会加快，但是也容 易陷入局部最优；反之，算法容易陷入随机搜索，找不到最优解。一般地， 当启发因子为[3,4.5]时，综合求解性能较好。
议信息程素挥发因子
• 信息素会随着时间推移不断挥发，而信息素挥发因子是表示信息素的消失 水平，它直接关系到蚁群算法的全局搜索能力和收敛速度。一般地，当信 息素挥发因子位于[0.2,0.5]时，综合性能较好。
议基于程遗传算法求解
• 如两个父个体 A:(1 2 3 4 5 6 7 8 9)和B:(4 1 2 8 7 6 9 3 5)，对两个父代矩阵中位 进行交叉运算（A中的4 1 3与B中的5 3 3交换），得一新矩阵，产生无矛盾 的部分序：
A 1 1 2 1 4 1 3 1 1 → 1 1 2 1 5 3 3 2 1 A’ B 5 1 5 5 5 3 3 2 1 → 5 1 5 5 4 1 3 1 1 B’
议信程息素常数
• 信息素常数的作用是利用有向图上的“信息素”，使算法在正反馈机制作 用下逐步演化，直到搜索到全局最优解。其值越大，表示蚂蚁在已遍历路 径上的信息素积累越快，有助于快速收敛。一般地，当值属于[10,1000]时， 综合性能较好。
议蚁群程算法的步骤
• 以TSP问题为例，算法的基本步骤如下：
• 在求解很多组合优化问题时，不需要对问题有非常深入的了解，在确定问 题的决策变量编码后，其计算过程是比较简单的，且可较快的得到一个满 意解。
• 与其他启发式算法有较好的兼容性，容易结合形成性能更优的问题求解方 法。
议遗传程算法应用案例
• 应用遗传算法解决的实际问题是旅行商问题。旅行商问题可以用于评价不 同的遗传操作以及选择机制的性能。这是因为：
– 第一只发现蜜源的蜜蜂以摇摆舞的方式发出信号； – 其他蜜蜂接受到信号，确定蜜源位置信息； – 选择前往蜜源或在附近寻找新的蜜源。
蜂群算法简介
• 人工蜂群算法中有三种蜜蜂：
– 采蜜蜂：与蜜源相关联，采蜜蜂对应其正在采蜜的蜜源，同时测量蜜源适应度，并通过摇摆 舞的方式将蜜源信息发布出去；采蜜蜂总能记住所经过的最佳采蜜点，并能够凭记忆在经过 的路径区域搜索；
– 观察蜂：检测采蜜蜂发出的信息，并根据这些信息判断蜜源的适应度，选择前往蜜源或继续 等待新的信息，适应度越大的蜜源被选择的可能性越高；
– 侦查蜂：随机搜索新的蜜源。
• 该算法会引入代表解空间中的可能解的蜜源，并初始化“适应度”来度量 蜜源，用于决定蜜蜂是否选择前往采蜜。在循环过程中，每个蜜源设定只 有一个采蜜蜂，整个蜂群中采蜜蜂和观察蜂的数量可以相等，当设定的蜜 源（适应度）被耗尽时，采蜜蜂将转变为侦查蜂，寻找新的食物源，三种 蜜蜂在不同的条件下可以相互转换。
议蜂群程算法的步骤
• 初始化蜜蜂种群； • 按照适应度对所有蜜源排序，适应度较高的蜜蜂作为采蜜蜂，较低的为观
察蜂； • 每只蜜蜂在蜜源采蜜的同时，搜索附近蜜源并计算其适应度，若新蜜源的
适应度高于原蜜源，则以新蜜源取代原蜜源； • 如果采蜜蜂、观察蜂对某一蜜源的搜索次数达到阈值，仍没有发现更高适
应度的蜜源，则放弃该蜜源并转化为侦查蜂，随机产生一个新的蜜源； • 记录所有蜜蜂找到的最优蜜源，返回第二步。若迭代次数达到上限，则输
• 选择函数用选择运算来实现对群体中的个体进行优胜劣汰，适应度高的个 体被遗传到下一代种群中的概率就大。选择算子是一种选择方法，从父代 中选择满足条件的个体遗传到下一代，常用的选择方法有轮盘赌选择法、 随机遍历抽样法、局部选择法、最佳个体保存方法、排序选择法、联赛选 择方法。
议变程异算子
• 变异算子能使个体按一定概率发生变异，产生新的遗传基因，有助于增加 种群多样性，是提高全局最优搜索能力的有效步骤，也是保持群体差异， 防止过早出现收敛的重要手段。遗传算法中交叉和变异的操作使算法具备 兼顾全局和局部的均衡搜索能力。
蚂蚁会在途中留下“信息素”作为标记，指导活动轨迹，蚂蚁会选择“信 息素”浓度高的路径，形成最短路径。 • 蚁群算法是对蚂蚁的行为进行抽象，“图”表示蚂蚁的活动范围，将蚂蚁 的行动轨迹抽象成图中的边，蚂蚁的移动过程则是按照一定概率从初始结 点到目标结点的转移。
议信息程素因子
• 信息素因子表示蚂蚁在移动过程中所积累的信息素浓度，类似于途中每一 条边的权值。其中，权值较大的路径被蚂蚁选择的几率也大，降低了探索 路径的随机性；权值过小使搜索过早陷入局部最优。一般地，信息素因子 选择[1,4]区间，性能较好。
议程 均匀交叉
• 均匀交叉可以看成是多点交叉的一种特殊形式。是指两个配对个体的每个 基因位上的基因都以相同的概率进行交换，组合成两个新的个体。具体的 运算可以设置一串规则来确定新个体每个位置的基因如何继承哪一个父类 基因位。
议程 算术交叉
• 算术交叉是指两个个体通过线性组合产生两个新的子代个体。采用这种交 叉方式的遗传算法通常采用浮点编码染色体。
章节结构
• 遗传算法的基础
– 基因重组与基因突变 – 遗传算法实现技术 – 遗传算法应用案例
• 蚁群算法
– 蚁群算法应用案例
• 蜂群算法简介
遗传算法的基础
• 遗传算法是进化计算的一个分支，是一种模拟自然界生物进化过程的随机 搜索算法。遗传算法首先对问题进行编码，然后随机初始化种群，每个个 体对应一个编码。通过适应度函数以及选择函数来进行对个体的淘汰，保 留优良个体基因，产生新的子代。
– 判断是否达到停止条件（迭代次数或最优条件），若否则进入步骤2；否则结束迭代。 – 输出全局最优结果。
蜂群算法简介
• 自然界中蜜蜂能够适应环境变化以极高的效率采集花蜜。尽管单一的蜜蜂 完成的工作简单，但蜜蜂群体能够通过一系列信息交流方式，如摇摆舞、 气味等，自然高效地完成采蜜授粉工作。蜜蜂采蜜过程大致如下：
议程 基因突变
• 基因突变是指染色体编码的某一位基因上的改变。基因突变使一个基因变 成了它的等位基因，并且通常会引起一些表现型上的变化。
• 二进制编码中，基因突变是指按照一定概率将基因串上的0、1取反。 • 浮点型编码中，基因突变指的是将原来的浮点数增加或者减少一个小随机
数。
议程遗传算法的步骤
• 随机产生一组初始个体构成初始种群，并评价每个个体的适应值； • 判断算法收敛准则是否满足，满足输出搜索结果，否则执行下面的步骤； • 根据适应值大小以一定方式进行选择操作； • 按交叉概率pc执行交叉操作 • 按变异概率pm执行变异操作 • 返回第二步进行循环
议选程择策略
• 选择函数用于选择优胜个体，淘汰不满足条件的个体。有以下三种策略：
• 基于适应值比例的策略，计算个体的相对适应度，用于评价个体的好坏。 以相对适应度为选择概率用轮盘赌选择种群。
• 基于排名的策略，根据个体适应度在群体中的排名来确定其选择概率，再 用第一种方法中的方法进行选择，可以避开非线性加速可能产生的早熟现 象。
– 单点交叉 – 两点交叉和多点交叉 – 均匀交叉 – 算术交叉 – 基因突变
议程 单点交叉
• 单点交叉也叫简单交叉，只在个体编码中随机设置一个交叉点，在该点互 换两个配对个体的部分染色体。在单点交叉情况下，个体两两配对，其中 每一对配对的个体都依照设定的交叉概率在交叉点处相互交换后续的染色 体编码串，从而产生两个新的个体。
议遗程传算法实现技术
• 遗传算法实现相关的技术有：
– 编码 – 群体的规模 – 选择策略 – 适应性度及选择函数 – 变异算子
议编程码
• 二进制编码，采用二进制0，1表示染色体的基因信息。 • 格雷码方法，是二进制编码的一种变形，是指连续两个整数所对应的编码
值之间只有一个码位是不同的。这一特点解决了二进制编码中的相邻数字 的距离较远的问题。 • 浮点编码法，对于一些多维、高精度要求的连续函数优化问题，使用二进 制编码会使编码冗长，不利于算法效率的提高。浮点数编码采用浮点数来 表示个体的每个基因值，这种编码法需要限制基因值始终在给定区间内。 • 符号编码法，符号编码是指染色体编码中的基因值可能涉及符号集的字符， 使用符号编码，便于编码有意义的基因值。这种编码方法需要认真设计交 叉、变异等遗传运算，以满足问题的各种约束，从而提高算法的搜索性能。