автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Построение, исследование и применение конкурентного самоорганизующегося генетического алгоритма

.л кй. vi^j--

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Цель робот - создание метода построения самоорганизующегося генетического алгоритма, приспосабливающегося к услоЕдтм кодхрегной задача до каждом этапе оптгдддзацнн: разработка да основе этого метода алгоритма способного каходддд с высокой степенью вероятности глобальный оптимум целевой фгкташх о нолзвесшмм рельефом в результате своего единственного запуска; решение, на

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ*

теория еат правления, теории поисковой

i * , о , / _ процессов д генетических

с ~ о; , г < ^дооазло' операций л методе дгнш;охкг; средних,

х- г- д 1 пи современных

РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ,

ф

основанный на

жсла

алгоритмов

о

На основе ярсдяожеЕного метода дЕсхуроьневую структуру коысурехгшьлй генетический адгооитм, способный находит?

3,

4,

шчес.

Л i'l

тгт<еч.нси трсмонном интервале -у юн тестирования не ф^нкднтп r j ь v t г ; Расгоигяна, * i -1 г / ■ «

10

Ti i гв, учитывающая процессы

I , <■ ~ '^-i ' организацию взаимодействий.

: «.I " ~ ^ г разработанного алгоритма для

решения задачи: принятия решений и управления в самоорганизующейся системе с большим числом участников,

7. Разработано программное обеспечение, реализующее созданный алгоритм и моделирующее самоорганизуювдуюся систему управления большом числом активных средств.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ,

Предложенный о диссертационной работе метод построении

ГОНСТИЧбСКйХ. 31ЛГО'ВИ1МОВ Ж Вй.ЗрйООТ;Ш5[Ы51 НЭ. СТО ОСНОВ© ЙЛ1 оржтм

13

Механизмы исключения дубликатов я введения дополнительных

сходимостью к лекальным экстремумам}.

El -О V^iiLiZ: г " л 1

v w. MF T MIuI F Г К Of 11

L I

p ' !\V'?1 AN

рля оценки эффективнее as ^йраялекия., используется некоторый ХХА1ЭХХЫЙ. KIT! ТбОЛХ I от

у > • •

управляемых яереа-шкзых т:

,/ ^ J(x)

раясматухэастся похсх а яххощыа аехеаххеехохэ

-т;ЯУ/ Р-: .р.

; х ^ а.

сдоа-эааэь реааснхя paxaaiaixxaaeascx :хаахх. В Г'А для ххеа | ■ _ как праххля^ иа-яая^аухх ха~хах Бх~ялахх аагхафяьа.

/

подходящего додачей, т.ж т

И

образом:

1. Каждому ограддч соответствие число

Д 1=< Д, Д }

л in" слтедтед о

< v >—

-ИЛ;

д, если

'..■ < П

/

кв адр ат л ч б о р асте т,

даждоду огранкчеммю типа одденстлд (1J.4) отав д год сооюетсюод диоде Дд

Д. - « ((1.1 ^ ~ ' ■ : О _ ~ • тс число D. < '

дудку г случае отдтодеидд ьедич. дулд =аад д стодолу

..U 'СХЕМА СЕ-ЖКЩШ,

ОУедуйД-Д'У -уд

-ДДДД. ;..;*ДДДс -.'г'-.'"-

^ЧЙСДДДТСД ДДУ

Др У УДУУ-!

L'OJ ОПЕМЫ РЕНгОДУКЩ-Ш,

КОТОрйЛ

ксмб^на^ш? змшев^к ОТ'

етствак но на гфедь^дущем шаге ii.ii гор к < ks

чОУКХ .д

!, j,:

31

(1,2.2.2.11 - 1.2.2.2.12), --^ . - ^ . с - ,^ ^ ■ ; л- ' ■ : - :

это число родителей текущим эффективным. Ему cooti величины Jv;,srf и Ло,г;,<, В случае, если окажется, что > NiVCl или

А..,.,,.,> Л.....,, то для рекомбинации кли для кросемнговера,

соответственно, текущее эффективное число _ , устанавливается равным текущетму конкурирующему числу родителей.

числом родителей обеспечивает поиск

схемы мутации имеют

наблюдаемых в популяции генотипов особей и степени их

разнообразия., ■> j -- быть

привнесены их

Амчотедооателыомегем По.омтенкни таким образом потомок болот с

следующим о ода еом

;ООя.мм а не в

Следовательно, одновременное оркеммение многоточечной i t t f » « > г л т ' t

сделать дрдоро отгтон наиРооее ;мгдрентдгндд> о. данный момент схену

.о « - - - - . т т - т ~

1* f ~ „^ 1 • м - своих родителей) на претнждшга всего д д о л е С С О О a TH МО; з о л к и,

Для того, чтобм б нолдляцди закреддтдисг только до:м'мд;мелонме н- ^мненнд о мдонттолеЕТнае мутздлл д ин:м!рд0е:нрдюдч0д рен^мбинацид согмещаютет с слитной реномбммаддей, нрд

Дела кадцей ис схем г общем числе мтдадкй, тлгле;гшяем:ь:х на орлом пате робеть; алггрдгмо одредедлетс с о соенлемтмзи о ее зффектдоностно на нредмдгщел ртоотн алгоритма, аналогично

тому,, как это делаете а для репродукция; илтл мн о гот см е л оо и мхмнлм;

о.

мц нн

м о о о ел

годмчечнои: млтада д

(1.2.2.3,6)

2Л ... ^ ч Г ^ А'ЗАТЕЛЬСТВ©

С ' ^ " I " » 'А ' г

Сходимость ГА к глобальному оптимума будем оценивать в

few- Д У "J::;»; равной na^l'iX'-- "•

что

при

ладилосте алгоритма второго Помгомт пук доиаммаммллл:;

•дящаяея на месте о

мл на месте будем

Доказательство:

обмером оиррмодей рекомбинаций к много голеомой

вероятность того., что

будет заменена е д ь о к о г с- но:) с с и нг о в е о а

работы КС.Г

в

к"'u ынсч оно ангельской

• ящаяся на i """ месте з

работа К С Г'А,

Кеб А,

S. ' V t

мутаций на Г""'"' шаге работы

работы КС!'Л.

Тогда, вероятность того, что на б" находящаяся на К"""' месте в нопдттднн

Следегвйс доказано

45

2.2 ЛЛ Ф'¥ШЩЖ РАСТРМОША,

/ А) /7 ■ с - со А2ог / ,

точке х ~ (О, С,

ущ б ст в об а еле

t ' < ' _ J - f

2.2ЛЛЛ и 7.2.1.4.2.

иис. 2.2.1.5.!. 2,2.1.222

С" J/,

20.... • ■

15 -

"10 ■

40

jiimiK

щтштшик

-,

л

SSssSSf

щжряя

гЦШЩЦ!!ss^":

0

-20

20

-40 40 л*.

Рйс, 2.2,1,5.1 Двзшерная функция Экян, -ЗС<х, <30.

Рмс,

i'Siv, ..!,/,]

1

родителей U'КЗ),

4,

кроесое; отерев о ол'л-лальлеое чтете

wor ото течь ым

фуоод-л

дло лее ччее'о одочолоыт оооОел, eoovoe

тлеет

Г-.

\I

'ТС

результате своего единственного еадуска л, такие? обрддоад с леой

лредлаеиееюол алп:-рлтое;3 дно и уоратления в лрлцеплт

. > , -ольэ^ватн

ддеое-еннне '-олднн; мяогояг-^еоеорь^с:' лоиладпеоет нд --о 5'н;

VX.FA на

^■ае. оно, лен д.- : ооаа о.. -■

;НИ Й..

годины л был лел ел. oil где

а пар> д т '' ; в - ~ '

а =

общем ооьёме воошолевой - 0,2] 75.

V. .гРооод--члл 30 схеолз мно.ош

(ОЛЯ г»

6v

ii i 1 ! Я

можно )

\

i ;

-i o;

......!

0-U

>00 350 400

Piirc, 0.3.2 Зависwwiavib Бременч и&чк-ичя от чч<;пя прсцессоос

компьютйпоб тйлУх ка;>:

70

7

с

77

моделирования вычисли

I ч л: "t s

В КОТОр!

указ mi

/Д,,, - истока 'I . т - - , r^

приходящаяся ка одну единицу 1 стороны, и остающуюся в области

г i • ^ I ' . *

у - оредяео количество средств поражения, Накодяшахоя у

иуд'зт поражена.

пйчО ДЯШИХСЯ ' - Г '.ТЕЕЯ CTODOH О ШЧ8.Л& ИГСК

средства доважения^ сославлвст;

~ , - '-г ^ ' в обдавал

■Л Шг'МНМТРК PF'I'ilIKH ИМ; С - POMCM^^M'Ь кстл в >f С у С») Р F4 М М TF М МI fl F, И VM V М «Л гОк МЩ' J/I1Р 4 Ш Щ W, S Щ

'J Si H}Vffjn< -1

А ДЛЯ тюшег-ш*

Эффективность управления одешгваетея о помощью критерия

код кора:;кйниых дцддиц, :;длдлькьш :;лзгйллькг — >л косит-кьнле

■дп ритм.

.длдлд пдк'клдй'вкя кд1длкльбпг с "адддав'-'ко

при ограничениях:

1, Общее количество введелоых резервов не может превышать имеющегося количества резервов ( h'v,-> - У>др< О,,,,, - Ay,:,,}.

2. Количество резервов, введендмх в каждый момент может быть меньше нуля ( njj) >0, / -\..,п),

) b!l S Ь

положительного значения (для того, чтобы использование метода динамика средних было правомерным), 4. Общее число пораженных единяц первой стороны эденъше I' "XOti^.T . |ТД<5 ,, , о'Д-1 -- условие победы в

игре (л, < .60),

следующих параметрах. до ~ а/,70, /д, ----- л, -- g.25 „ ■ ■ таг, -- 4

д(2) --■ 11,(1} = 20 г д (4) --■ /т (4) -■ 20, д (6) ~ /г. О) - 20 ,. п, (8) -- ,у .0 -20

j 1 Di1 i > i

J i я > ' С ' "< 1 о

^ , -- т > V - I - J

■ < f j i . . ~>"дj дРазница в числе пораженных единил

г " , " г ,

Пои использовании разработанного КХ.ТА можно еше более

удень'цдть потери управляемой огороды н/илй сэкономить исподдодольш ресурсы путем решения задало (3.3,2),

FlIC, 3,3,1 Количество пораженных едмнщ первой и второй стороны до оптимизаций

г!кс, 3,3,2 Количество пораженных едини;.} первой и в/га рой стороны после оптимизации

пгл': к, - I, к-. -- I, А'- 5 .

L помощью КС ГА онтизгазировались количества ызодимых резервов во 2, 4, 6, В о 10 единицы времени при различных значениях коэффициентов Д, Д , к, г критерии оптимальнееси (3,3 П Во всех соттнаях полагается; ^80, ЛД,.,- жОО,

.. .( т.> 1 ' I.1.. i

Ha doc. 3.3,2 изображены средние численности пораженных единиц первой и второй стороны при к. = Д L = и к,. = :!о т.е. при некотором паритете важностей отне единиц и относительных затрат, ц{2) 59 , ?и(4Д:-- 4, П- (6) -- 3' , д (а) -----О , ,

I

Иг

стороны );':иеныпйлосн на 4.8 она 5,3%), а количество пораженных единиц второй стороны увеличилось на 5.6 (на 5,4%). При этом была сохранена одна единила в резерве.

большей значимости результаты: (2) = 14

пораженных е (на -4.7%), ; уменншилось

I. . t I

■им след

пораженных единиц после

Ы О; '

14,00 До

0.

ср колинееоно

своих потерь и

На рис. 3.3 единиц первой и

пораженных

= 3, т.е. при

большей значимости относительного количества пощаженных единиц.

Получены следующие результаты: д.ОмШШ /аО-ршр ч,(о/?дорШу «,(10)--6. Кагс видно, разница в числе пораженных единиц после онтнмнзацнн уве.личнласс с 13,2 до 49,0 (с 14.6% до 67%% количество Ш;раженных ееинид черной (унравллемо% стороны уменьшилось ос ! 5,4 (на %Л%% а количество поралсенных единиц ыюрой стороны Увеличилось на 21,3 20.7%"!. Таким обоадзм, привлечение

резервов позволяет потери противника,

получены одинаковые решения., что, з совокупности с результатами разделов 2%. ;уу и 2,5, показывает возможность успешного применения К СТА для решения задачи (3.34% в процессе Фуикцй0нир0ван.нч с истомы,

Таким образом, введение в игре с тнзоылвоположнымн интересамш числом зымы ников обмена информацией между одной стороны, организация вышмодейстсия на осноее

программное ; тактические

;я гнать

■йДЙЧ ЧО

1 ' I

Сотшано СснР%. Sysiem) %Пй

!

9Сг

80........

70L..........

80

50"

40-

........./■■

10-у

о

"о

я

......

у

■f"......

15

Ь'ИО. Количество пораженных единиц пергой второй стороны поело- огтт^д-г-.г.^м

rspi-i /р L к2 - - 3 , ^ 5

J?,

140 12С-10С-

80"

20-

/

/

/

5'iiC. Колчч-'Гт^о пораженную единиц леовой у; второй стороны посла орт^оокацио

В рамках щ>оведенныл исследований получены следующие результаты и сделаны выводы:

I. Предложен основанный на лепользопании конделдлд самоорганизации метод построения i екетилеских алгоритмов. Ирлнц^ллальньш отличием данного метода яоляетея: О узаммкал конкуренция между различными сломали репродукции л мутщииу благодаря оогороо становится щдеорителными та одела репродукции к та схеме мутации, ко горы с для данной релтнемой задачи л на данном этапе олтимлдацкк воспроизводят наиболее ушедших (превоолодтою \ своих родителе л) потомков л едлоогов оолгаететаенво;

Ф баомруюлшяся на долауренцйи настройка числа родителей в ллогородитедьс1шл слемад репродукции а течении влей работы

- 1 , Л ^ - < "И " ' , " f j f f <

репродукций,

j " . ' , , i, г-и отдилиам достигается допел;нот

i <, /' 1 - руемой функция.

Л f \ , f , t f ' ' , ^ ' > ! 1 > 1

1 t > — - М - « * ' - ,

структуру На первом удадне осуществляется исследование поискового нрослрсасзаа. Найденные с результате исследования особи образунд налдолгдо гднп''медли алгоритма агоргто уроонд что обесоедиаает сокраздеоде об?яего

Г л е • > '_Л "" l ~ И ,, 1 I- С , / >J г1 I г « ! г >

ре продубидл дреддаг адл да мкогородм теле стал рекомбикд ;и е

с ii

- -I

< ~ , % > > ' к гдооалъному

С В Op С я Т Н О от ь ю

<( < i t ( \ i ^ » ' L , " f ь 1 - 1 [f ' Ю h ( '

-i - ' ' ■ Т _ ' ' ' ■ ' '

i i ' • ~ t ' ! > M _ « < T > ■ > *

Разработанный алгоритм в 100% случаев успешно справился с решением всех тестовых задач, имеющих самые различные рельефы л

остальные, сравниваемые с КСТА, этом практически не требовалась I тая настройка параметров алгоритма, для решения

различных задач, что лозволило сделать заключенно о возможности t I ю' ' 1 г » »' < * 1 - ' Л 1 1 "* ■ '

функции с неизвестным рельефом з результате единственного лапу ска алгоритма,

5. Проведена оценка ускорения решения задали оптимизации о помощью КС Г А. в мвогопроцессорных системах по сравнению с зылислендямл на обычной однопроцессорной ЭВМ» показавшая до за счет тотального распараллелявання вычислений, . < i

процессе работы КСТА значительно уменьшается „ ^ т <

задачи оптнмнзацли.

1 S Т 1 "ТС L СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПЕРВОГО УРОВНЯ ШГА.

] пс^ск

^ > АААА.:

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВТОРОГО УРОВНЯ КС ГА,

1 О • Л

/

<

-И

V

А

А

......

!.....~Т~|

-......г-4

в

г

' "i о

гА

! / N L-A' 12

Ht':" \

А\

\ Д8

14

34

ААП

X

20

не-.- А А .у us, \

21

г

i-ar: У

г-А - > ! \ /

:

Г<

у

.. .........

i 13 L.....

! 7 '......А'"

Y

""Лй

У Ч

\

л 2

n - v......-

!

З-СЗ....................

| 25 I

X

36

......х.....

зАП

29

А

А

\

/ \

V \/

4*3 Аб

■vo

.141

36

АА.

4[

I

39

I

Г"'

А \

V

учет

Г

t

/3;4

ч

\

ч

41

43

l> t t I

4 е- "й равным текушему кеккурйруюшему

работы алгоритма9

Л орн регогюингцйг: ^ - км.

уфкрующе)"о числа родителей пут г лей разным текущему эффективное/

1 < v - ~Лк равным текущему конкурирующему

работы алгоритма'7

i 1 • синшвере ■■■■■ текущему

t л i числа ро,щ:ттлсй щт> и рекоттЗииешш в убщет.* чкетг

Л РОГ РА М М И ОЕ ОБECTIEЧ ГНМ Е ? РЕАЛШУШЩЕЕ &СУА.

Программное обеспечение написано на .языке .M4TLAB>>. [4, 26, 38., 39]

ОСНОВНАЯ ПРОГРАММА

v L > >

СПЯ.;

I A.j ■■ . i ■'■..■> ■■ '! ....................

■i ri- рори1(рад2;.л;2Су:'( ]Ad.;xi))..

d3G2ea(cb.sid);

m

С KMC С j> Ж л М Т Е FAT ¥ РЫ ,

1. Агеев В л-/:., ' — - » -аппаратов х w> ~ , , ~ ^

2. Андрианов (9 ПК, № 2, 1999,

3 ; 1 1" * - ' г " ЙЛГОРКТ ММ " - ' " ^ ? -т ^ -

.--я , -. .. . ■ .V 1- .■ . -/..-> ,• / v }

4. Бахвалов Н.(9, Жидкое ri.II, Кобельков Г.М. Чохлелвке методы. Москва. оИа-хао, t >'87.

5. Бухалев R.A. 41 , и управление в снетемах со

I б, 1998,

7 - - д ^ ~

Йетеллекгхалоное отгоавлекие аинамичесхймл оиотомамл. Москва,

аСозегсо 9 Вентцел!-197/,

ошео^льоо

леоела л оыа

3, Всроносскнй Т.К., В1ахоундо К.В, Веногнпескио алнориткжд искусственные нейронные сети и нроолемы вирсежсанои реальность, 'Харьков, \'у-)1.

~~r В с большим чнелота

ноеейжие достижение н

16.

? ж 1 7 7 ',.

Вт 'В-ж-- ! В.М., Бухалев В,Д. Анализ

^ - н "с — л . ж' iT- ,93.

В'г - ж и спнижеднсж;

под

2 В Вурейчнн Перспектины, 1999.

24. Минкин Ю.И. Разработка математик противоположными интересами и опть

1999.

25. Минкмн Ю.И, Учет обмена информацией з игре с противоположными интересами и большим числом участников. / Деп. в ВИНИТИ 28.03.00, Ж 815-ВОО.

26. Молчанов И.Н. Машинные методы решения прикладных задач.

28. Павлова Н.В., Сергейчик В.В. Выбор состава аппаратзфы

№ 8, 2000.

29. Петров А.И., Зубов А.Г. Оптимизация адаптивных систем со структорной неопределенностью. / Всесоюзное совещание по проблемам управления. Тезисы доклада.

30. Петров Л. И., Зубов А.Г. Синтез

>' 'л'«U

Петров Ail, Мйнкйи Ю.И. оамоорганизующегося тенеттческшо 7, JH 2, 7000. Петров А, И.,.

у прав ленто, Отчет, т-МАИ, 1999,

Разработка

•; 3 У? Mr^ IT']! )

тнфорвтцн ' ' i-'' 2000.

Петров Г. О.

стотаотйчес :

Т'ПАВ. Справочное о особое. Москва, «Диалог

т Ъ. -ТФ. 5

сютасточескхе состемт

177

/ j > f j T i J A , /

'и ( i , ^ ; 3, j i

72. Scheie! H.-P. Evolution and осЕтит ееекша. N.Y... WTlev 1995.

73. Thierens Ed, Goldberg D.F. Elitist recombination: an integrated selection recombination GA, / Proceedings of trie first IEEE conference oo evolutionary cooymtation, IEEE Press, 1994,

74. Xi! Z.B., Li G, The simiEated'-biologY-iike aigontnnrs for global optimization. / Clnneze journal of operations research, 14, 1995,

a t a a E ' - i - ~ ~ ' i j < genetic

analysis. / Science in Clima (Series IE),