一文读懂遗传算法及其运用 - 数学建模社区-数学中国

遗传算法（Genetic Algorithms）是基于生物进化理论的原理发展起来的一种广为应用的、高效的随机搜索与优化的方法。其主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息交换，搜索不依赖于梯度信息。它是20世纪70年代初期由美国密执根（Michigan）大学的霍兰（Holland）教授发展起来的。迄今为止，遗传算法是进化算法中最广为人知的算法。
遗传算法主要在复杂优化问题求解和工业工程领域应用，取得了一些令人信服的成果，所以引起了很多人的关注。遗传算法成功的应用包括：作业调度与排序、可靠性设计、车辆路径选择与调度、成组技术、设备布置与分配、交通问题，等等。1．遗传算法具有以下几方面的特点。遗传算法的处理对象不是参数本身，而是对参数集进行了编码的个体。此操作使得遗传算法可以直接对结构对象进行操作。许多传统搜索算法都是单点搜索算法，容易陷入局部的最优解。遗传算法同时处理群体中的多个个体，即对搜索空间中的多个解进行评估，减少了陷入局部最优解的风险，同时算法本身易于实现并行化。遗传算法基本上不用搜索空间的知识或其他辅助信息，而仅用适应度函数值来评估个体，在此基础上进行遗传操作。适应度函数不仅不受连续可微的限制，而且其定义域可以任意设定。这一特点使得遗传算法的应用范围大大扩展了。遗传算法不是采用确定性规则，而是采用概率的变迁规则来指导搜索的方向。具有自组织、自适应和自学习性。遗传算法利用进化过程获得的信息自行组织搜索，适应度大的个体具有较高的生存概率，并能获得更适应环境的基因结构。2．遗传算法中的基本概念群体（population）：又称种群、染色体群，是个体（individual）的集合，代表问题的解空间子集。串（string）及串空间：串是个体的表达形式，对应着遗传学中的染色体，对应实际问题的一个解。群体规模（population size）：染色体群中个体的数目称为群体的大小或群体规模。基因（gene）：是指染色体的一个片段，可以是一个数值、一组数或一串字符。交换（crossover）：指在一定条件下两条染色体上的一个或几个基因相互交换位置。交换概率：判断是否满足交换条件的一个小于1的阈值。变异（mutation）：指在一定条件下随机改变一条染色体上的一个或几个基因值。变异概率：判断是否满足变异条件的一个小于1的阈值。后代：染色体经过交换或变异后形成的新的个体。适应度（fittness）：用来度量种群中个体优劣（符合条件的程度）的指标值，它通常表现为数值形式。选择（selection）：根据染色体对应的适应值和问题的要求，筛选种群中的染色体，染色体的适应度越高，保存下来的概率越大，反之则越小，甚至被淘汰。3．遗传算法终止规则给定一个最大的遗传代数MAXGEN，算法迭代在达到MAXGEN时停止。当进化中两代最优个体小于要求的偏差x时，算法终止。所有个体或者指定比例以上个体趋同，此时停止计算。达到最大计算时间限制。例子：求解file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml8288\wps1.jpg的最小值，x取值范围0～100之间的整数：