CC BY
2УДК 004.023
Холодков Д.В.
магистрант кафедры вычислительной техники Пензенский государственный университет (г. Пенза, Россия)
АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ
Аннотация: автор статьи рассматривает тему генетических алгоритмов. Он отметает, что это - эвристические алгоритмы поиска, вдохновленные принципами естественного отбора. Они эффективно решают сложные задачи оптимизации и поиска в различных областях. Также автор указывает на то, что генетические алгоритмы по своей сути, являются имитацией эволюционного процесса, где популяция потенциальных решений подвергается отбору, скрещиванию и мутации для улучшения качества решений.
Ключевые слова: генетические алгоритмы, естественный отбор, оптимизация.
Значительная часть наиболее востребованных задач, решаемых средствами современных информационных технологий, характеризуются помимо требований существенных вычислительных мощностей такими особенностями как неполная определенность, большое число переменных/параметров, нечеткая формулировка, принципиальная неполнота данных. Таковы, например, задачи классификации реальных объектов, категоризации, принятия решений, выбора маршрута и т.п. Решение традиционными средствами ведет либо к необходимости полного перебора вариантов, что допустимо при ограничениях на размерность задачи, либо к существенному снижению качества результата. Поэтому достаточно давно в поле зрения оказались семейства алгоритмов, основанные на моделировании некоторых биологических механизмов поиска, выбора, получения оптимального результата в условиях конкретной среды при явной
минимальности затрат. К ним можно отнести, строго говоря, и искусственные нейронные сети, и квазибиологические методы типа методов пчелиных роев, муравьиных колоний, методы моделирования разнообразных типов эволюции, методы, основанные на применении генетических алгоритмов.
В настоящей работе рассмотрены некоторые аспекты генетических алгоритмов, делающих их привлекательными с точки зрения универсальности, формализуемости рабочего аппарата и умеренности требуемых ресурсов.
Впервые представленные еще в 1975 г., генетические алгоритмы (ГА) -это эвристические алгоритмы поиска, имитирующие механизмы естественного отбора над определенным множеством возможных решений, которое трактуется как текущее состояние эволюционирующей популяции. При переходе к следующему состоянию популяция преобразуется с помощью аналогов естественно - биологических преобразований над носителями ключевой (наследственной) информаций членов популяции, после чего в действие вступают опять механизмы естественного отбора и процесс повторяется до закрепления в популяции стабильного набора признаков, оптимальных в конкретном окружении.
ГА обладают несколькими преимуществами, которые делают их мощным инструментом для решения сложных задач:
— эффективность: ГА способны охватывать большие и сложные пространства поиска, даже если функция пригодности не является гладкой или непрерывной,
— глобальная оптимизация: ГА стремятся найти глобальный оптимум, а не локальные оптимумы, что делает их пригодными для задач, где локальные оптимумы могут быть проблематичными,
— параллелизм: ГА можно легко распараллелить, что позволяет им использовать преимущества многоядерных процессоров и распределенных вычислений,
— простота реализации: ГА относительно просты в реализации, что делает их доступными для широкого круга пользователей.
Однако у ГА есть и недостатки. Они могут быть вычислительно затратными и требовать большого объема вычислений для поиска оптимального решения. Также они могут быть неэффективными в случае задач с большим количеством ограничений или неявными функциями цели.
На сегодняшний день ГА были успешно применены в широком спектре областей, включая [2, с.77-78]:
— оптимизация функций, проектирование систем и распределение ресурсов,
— решение задач комбинаторной оптимизации. В качестве примера можно привести задачи о коммивояжере и о рюкзаке,
— оптимизация гиперпараметров моделей машинного обучения, таких как нейронные сети и деревья решений,
— анализ последовательностей ДНК, предсказание структуры белка и выявление генов (биоинформатика),
— моделирование финансовых рынков, оптимизация портфелей и прогнозирование спроса (экономика).
Реализация ГА включает в себя следующие шаги [1, с.40]:
1. Представление хромосом: определение способа представления возможных решений в виде хромосом.
2. Функция пригодности: разработка функции, которая измеряет качество каждой хромосомы.
3. Операторы отбора: выбор подходящих методов отбора, таких как рулетка или турнирный отбор.
4. Операторы скрещивания: определение методов скрещивания, таких как одноточечное скрещивание или равномерное скрещивание.
5. Способы мутации: выбор методов мутации, таких как битовая мутация или мутация вставки/удаления.
6. Критерии остановки: установление критериев для остановки алгоритма, таких как максимальное количество поколений или отсутствие улучшения.
Эффективность ГА может меняться за счет изменения их основных параметров, таких как [1, c.41]:
— размер популяции,
— число хромосом в популяции,
— условия использования генетико-эволюционных преобразований,
— вероятность скрещивания двух выбранных членов популяции,
— вероятность скрещивания двух выбранных хромосом,
— вероятность мутации гена в хромосоме,
— выбор подходящих методов отбора для данной задачи.
ГА часто комбинируются с другими алгоритмами для повышения их производительности. Например, гибридные ГА могут включать локальные методы поиска, такие как градиентный спуск, или методы машинного обучения, такие как нейронные сети.
Таким образом, генетические алгоритмы являются мощным инструментом для оптимизации и решения сложных задач. Их способность эффективно обрабатывать большие пространства поиска, находить глобальные оптимумы и легко распараллеливаться, делает их пригодными для широкого спектра применений. Понимание принципов работы ГА и их оптимизация могут значительно улучшить их производительность и сделать их еще более ценным инструментом для решения сложных проблем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Макарычев П. П., Слепцов Н. В. Формализация базовых преобразований моделей эволюционных вычислений // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2023. № 4. С. 40-41;
2. Родзин С. И., Скобцов Ю. А. Эль-Хатиб С. А. Биоэвристики: теория, алгоритмы и приложения : монография. Чебоксары: ИД «Среда», 2019. 224 с;
3. Zhai R. Solving the optimization of physical distribution routing problem with hybrid genetic algorithm. Journal of Physics: Conference Series. 2020,1550:1-6
Holodkov D.V.
Penza State University (Penza, Russia)
ANALYSIS OF FEATURES OF APPLICATION OF GENETIC ALGORITHMS
Abstract: author of the article considers the topic of genetic algorithms. He notes that these are heuristic search algorithms inspired by the principles of natural selection. They effectively solve complex optimization and search problems in various fields. The author also points out that genetic algorithms are inherently an imitation of an evolutionary process, where a population of potential solutions is subjected to selection, crossing and mutation to improve the quality of solutions.
Keywords: genetic algorithms, natural selection, optimization.
