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python 如何實(shí)現(xiàn)遺傳算法

 更新時(shí)間:2020年09月22日 10:21:12   作者:py3study  
這篇文章主要介紹了python 如何實(shí)現(xiàn)遺傳算法,幫助大家更好的利用python進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理,感興趣的朋友可以了解下

1、基本概念

遺傳算法(GA)是最早由美國(guó)Holland教授提出的一種基于自然界的“適者生存,優(yōu)勝劣汰”基本法則的智能搜索算法。該法則很好地詮釋了生物進(jìn)化的自然選擇過程。遺傳算法也是借鑒該基本法則,通過基于種群的思想,將問題的解通過編碼的方式轉(zhuǎn)化為種群中的個(gè)體,并讓這些個(gè)體不斷地通過選擇、交叉和變異算子模擬生物的進(jìn)化過程,然后利用“優(yōu)勝劣汰”法則選擇種群中適應(yīng)性較強(qiáng)的個(gè)體構(gòu)成子種群,然后讓子種群重復(fù)類似的進(jìn)化過程,直到找到問題的最優(yōu)解或者到達(dá)一定的進(jìn)化(運(yùn)算)時(shí)間。

基因:在GA算法中,基因代表了具體問題解的一個(gè)決策變量,問題解和染色體中基因的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下所示:

種群:多個(gè)個(gè)體即組成一個(gè)種群。GA算法中,一個(gè)問題的多組解即構(gòu)成了問題的解的種群。

2、主要步驟

GA算法的基本步驟如下:

Step 1. 種群初始化。選擇一種編碼方案然后在解空間內(nèi)通過隨機(jī)生成的方式初始化一定數(shù)量的個(gè)體構(gòu)成GA的種群。

Step 2. 評(píng)估種群。利用啟發(fā)式算法對(duì)種群中的個(gè)體(矩形件的排入順序)生成排樣圖并依此計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)函數(shù)值(利用率),然后保存當(dāng)前種群中的最優(yōu)個(gè)體作為搜索到的最優(yōu)解。

Step 3. 選擇操作。根據(jù)種群中個(gè)體的適應(yīng)度的大小,通過輪盤賭或者期望值方法,將適應(yīng)度高的個(gè)體從當(dāng)前種群中選擇出來(lái)。

Step 4. 交叉操作。將上一步驟選擇的個(gè)體,用一定的概率閥值Pc控制是否利用單點(diǎn)交叉、多點(diǎn)交叉或者其他交叉方式生成新的交叉?zhèn)€體。

Step 5. 變異操作。用一定的概率閥值Pm控制是否對(duì)個(gè)體的部分基因執(zhí)行單點(diǎn)變異或多點(diǎn)變異。

Step 6. 終止判斷。若滿足終止條件,則終止算法,否則返回Step 2。

流程圖如下所示:

3、主要操作介紹

3.1 種群初始化

種群的初始化和具體的問題有關(guān)。比如一個(gè)問題有n個(gè)決策變量{x1,x2,…,xn}。每個(gè)決策變量有取值范圍:下界{L1,L2,…,Ln}和上界{U1,U2,…,Un},則種群中個(gè)體的初始化即隨機(jī)地在決策變量的取值范圍內(nèi)生成各個(gè)決策變量的值:Xj={x1,x2,...,xn},其中xi屬于范圍(Li,Ui)內(nèi)。所有的個(gè)體即構(gòu)成種群。當(dāng)每個(gè)個(gè)體都初始化后,即種群完成初始化。

3.2 評(píng)價(jià)種群

種群的評(píng)價(jià)即計(jì)算種群中個(gè)體的適應(yīng)度值。假設(shè)種群population有popsize個(gè)個(gè)體。依次計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值及評(píng)價(jià)種群。

3.3 選擇操作

GA算法中常見的選擇操作有輪盤賭方式:種群中適應(yīng)度值更優(yōu)的個(gè)體被選擇的概率越大。假設(shè)popsize=4,按照如下表達(dá)式計(jì)算各個(gè)個(gè)體的被選擇概率的大小,然后用圓餅圖表示如下。

P(Xj) = fit(Xj)/(fit(X1)+fit(X2)+fit(X3)+fit(X4)),j=1,2,3,4

當(dāng)依據(jù)輪盤賭方式進(jìn)行選擇時(shí),則概率越大的越容易被選擇到。

3.4 交叉操作

交叉操作也有許多種:?jiǎn)吸c(diǎn)交叉,兩點(diǎn)交叉等。此處僅講解一下兩點(diǎn)交叉。首先利用選擇操作從種群中選擇兩個(gè)父輩個(gè)體parent1和parent2,然后隨機(jī)產(chǎn)生兩個(gè)位置pos1和pos2,將這兩個(gè)位置中間的基因位信息進(jìn)行交換,便得到下圖所示的off1和off2兩個(gè)個(gè)體,但是這兩個(gè)個(gè)體中一般會(huì)存在基因位信息沖突的現(xiàn)象(整數(shù)編碼時(shí)),此時(shí)需要對(duì)off1和off2個(gè)體進(jìn)行調(diào)整:off1中的沖突基因根據(jù)parent1中的基因調(diào)整為parent2中的相同位置處的基因。如off1中的“1”出現(xiàn)了兩次,則第二處的“1”需要調(diào)整為parent1中“1”對(duì)應(yīng)的parent2中的“4”,依次類推處理off1中的相沖突的基因。需要注意的是,調(diào)整off2,則需要參考parent2。

3.5 變異操作

變異操作的話,根據(jù)不同的編碼方式有不同的變異操作。

如果是浮點(diǎn)數(shù)編碼,則變異可以就染色體中間的某一個(gè)基因位的信息進(jìn)行變異(重新生成或者其他調(diào)整方案)。

如果是采用整數(shù)編碼方案,則一般有多種變異方法:位置變異和符號(hào)變異。

位置變異:

符號(hào)變異:

4、Python代碼

#-*- coding:utf-8 -*-

import random
import math
from operator import itemgetter

class Gene:
  '''
  This is a class to represent individual(Gene) in GA algorithom
  each object of this class have two attribute: data, size
  '''
  def __init__(self,**data):
    self.__dict__.update(data)    
    self.size = len(data['data'])#length of gene
                
    
class GA:
  '''
  This is a class of GA algorithm. 
  '''
  def __init__(self,parameter):
    '''
    Initialize the pop of GA algorithom and evaluate the pop by computing its' fitness value .
    The data structure of pop is composed of several individuals which has the form like that:
    
    {'Gene':a object of class Gene, 'fitness': 1.02(for example)}

    Representation of Gene is a list: [b s0 u0 sita0 s1 u1 sita1 s2 u2 sita2]
    
    '''
    #parameter = [CXPB, MUTPB, NGEN, popsize, low, up]
    self.parameter = parameter

    low = self.parameter[4]
    up = self.parameter[5]
    
    self.bound = []
    self.bound.append(low)
    self.bound.append(up)
    
    pop = []
    for i in range(self.parameter[3]):
      geneinfo = []
      for pos in range(len(low)):
        geneinfo.append(random.uniform(self.bound[0][pos], self.bound[1][pos]))#initialise popluation
        
      fitness = evaluate(geneinfo)#evaluate each chromosome
      pop.append({'Gene':Gene(data = geneinfo), 'fitness':fitness})#store the chromosome and its fitness
      
    self.pop = pop
    self.bestindividual = self.selectBest(self.pop)#store the best chromosome in the population
    
  def selectBest(self, pop):
    '''
    select the best individual from pop
    '''
    s_inds = sorted(pop, key = itemgetter("fitness"), reverse = False)
    return s_inds[0]
    
  def selection(self, individuals, k):
    '''
    select two individuals from pop
    '''
    s_inds = sorted(individuals, key = itemgetter("fitness"), reverse=True)#sort the pop by the reference of 1/fitness 
    sum_fits = sum(1/ind['fitness'] for ind in individuals) #sum up the 1/fitness of the whole pop
    
    chosen = []
    for i in xrange(k):
      u = random.random() * sum_fits#randomly produce a num in the range of [0, sum_fits]
      sum_ = 0
      for ind in s_inds:
        sum_ += 1/ind['fitness']#sum up the 1/fitness
        if sum_ > u:
          #when the sum of 1/fitness is bigger than u, choose the one, which means u is in the range of [sum(1,2,...,n-1),sum(1,2,...,n)] and is time to choose the one ,namely n-th individual in the pop
          chosen.append(ind)
          break
    
    return chosen  


  def crossoperate(self, offspring):
    '''
    cross operation
    '''
    dim = len(offspring[0]['Gene'].data)

    geninfo1 = offspring[0]['Gene'].data#Gene's data of first offspring chosen from the selected pop
    geninfo2 = offspring[1]['Gene'].data#Gene's data of second offspring chosen from the selected pop
    
    pos1 = random.randrange(1,dim)#select a position in the range from 0 to dim-1, 
    pos2 = random.randrange(1,dim)

    newoff = Gene(data = [])#offspring produced by cross operation
    temp = []
    for i in range(dim):
      if (i >= min(pos1,pos2) and i <= max(pos1,pos2)):
        temp.append(geninfo2[i])
        #the gene data of offspring produced by cross operation is from the second offspring in the range [min(pos1,pos2),max(pos1,pos2)]
      else:
        temp.append(geninfo1[i])
        #the gene data of offspring produced by cross operation is from the frist offspring in the range [min(pos1,pos2),max(pos1,pos2)]
    newoff.data = temp
    
    return newoff


  def mutation(self, crossoff, bound):
    '''
    mutation operation
    '''
    
    dim = len(crossoff.data)

    pos = random.randrange(1,dim)#chose a position in crossoff to perform mutation.

    crossoff.data[pos] = random.uniform(bound[0][pos],bound[1][pos])
    return crossoff
  
  def GA_main(self):
    '''
    main frame work of GA
    '''
    
    popsize = self.parameter[3]
    
    print("Start of evolution")
    
    # Begin the evolution
    for g in range(NGEN):
      
      print("-- Generation %i --" % g)   
           
      #Apply selection based on their converted fitness
      selectpop = self.selection(self.pop, popsize)  

      nextoff = []  
      while len(nextoff) != popsize:   
        # Apply crossover and mutation on the offspring      
                
        # Select two individuals
        offspring = [random.choice(selectpop) for i in xrange(2)]
        
        if random.random() < CXPB: # cross two individuals with probability CXPB
          crossoff = self.crossoperate(offspring)
          fit_crossoff = evaluate(self.xydata, crossoff.data)# Evaluate the individuals      
          
          if random.random() < MUTPB: # mutate an individual with probability MUTPB
            muteoff = self.mutation(crossoff,self.bound)
            fit_muteoff = evaluate(self.xydata, muteoff.data)# Evaluate the individuals
            nextoff.append({'Gene':muteoff,'fitness':fit_muteoff})
            
      # The population is entirely replaced by the offspring
      self.pop = nextoff
      
      # Gather all the fitnesses in one list and print the stats
      fits = [ind['fitness'] for ind in self.pop]
        
      length = len(self.pop)
      mean = sum(fits) / length
      sum2 = sum(x*x for x in fits)
      std = abs(sum2 / length - mean**2)**0.5
      best_ind = self.selectBest(self.pop)

      if best_ind['fitness'] < self.bestindividual['fitness']:
        self.bestindividual = best_ind

      print("Best individual found is %s, %s" % (self.bestindividual['Gene'].data,self.bestindividual['fitness']))
      print(" Min fitness of current pop: %s" % min(fits))
      print(" Max fitness of current pop: %s" % max(fits))
      print(" Avg fitness of current pop: %s" % mean)
      print(" Std of currrent pop: %s" % std)
    
    print("-- End of (successful) evolution --")  

if __name__ == "__main__":

  CXPB, MUTPB, NGEN, popsize = 0.8, 0.3, 50, 100#control parameters
  
  up = [64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64]#upper range for variables
  low = [-64, -64, -64, -64, -64, -64, -64, -64, -64, -64]#lower range for variables
  parameter = [CXPB, MUTPB, NGEN, popsize, low, up]
  
  run = GA(parameter)
  run.GA_main()

以上就是python 如何實(shí)現(xiàn)遺傳算法的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于python 遺傳算法的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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