遺傳演算法十進制編碼

① 遺傳演算法

遺傳演算法是從代表問題可能潛在解集的一個種群開始的，而一個種群則由經過基因編碼的一定數目的個體組成。每個個體實際上是染色體帶有特徵的實體。染色體作為遺傳物質的主要載體，即多個基因的集合，其內部表現（即基因型）是某種基因的組合，它決定了個體形狀的外部表現，如黑頭發的特徵是由染色體中控制這一特徵的某種基因組合決定的。因此，在一開始需要實現從表現型到基因型的映射即編碼工作。由於仿照基因編碼的工作很復雜，我們往往進行簡化，如二進制編碼。初始種群產生之後，按照適者生存和優勝劣汰的原理，逐代（generation）演化產生出越來越好的近似解。在每一代，根據問題域中個體的適應度（fitness）大小挑選（selection）個體，並藉助於自然遺傳學的遺傳運算元（genetic operators）進行組合交叉（crossover）和變異（mutation），產生出代表新的解集的種群。這個過程將導致種群自然進化一樣的後生代種群比前代更加適應環境，末代種群中的最優個體經過編碼（decoding），可以作為問題近似最優解。

5.4.1 非線性優化與模型編碼

假定有一組未知參量

x_i（i=1，2，…，M）

構成模型向量m，它的非線性目標函數為Φ（m）。根據先驗知識，對每個未知量都有上下界α_i及b_i，即α_i≤x≤b_i，同時可用間隔d_i把它離散化，使

d_i=（b_i-α_i）/N （5.4.1）

於是，所有允許的模型m將被限制在集

x_i=α_i+jd_i（j=0，1，…，N） （5.4.2）

之內。

通常目標泛函（如經濟學中的成本函數）表示觀測函數與某種期望模型的失擬，因此非線性優化問題即為在上述限制的模型中求使Φ（m）極小的模型。對少數要求擬合最佳的問題，求目標函數的極大與失擬函數求極小是一致的。對於地球物理問題，通常要進行殺重離散化。首先，地球模型一般用連續函數表示，反演時要離散化為參數集才能用於計算。有時，也將未知函數展開成已知基函數的集，用其系數作為離散化的參數集x_i，第二次離散化的需要是因為每一個未知參數在其變化范圍內再次被離散化，以使離散模型空間最終包含著有限個非線性優化可選擇的模型，其個數為

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其中M為未知參數x_i的個數。由此式可見，K決定於每個參數離散化的間隔d_i及其變化范圍（α_i，b_i），在大多數情況下它們只能靠先驗知識來選擇。

一般而言，優化問題非線性化的程度越高，逐次線性化的方法越不穩定，而對蒙特卡洛法卻沒有影響，因為此法從有限模型空間中隨機地挑選新模型並計算其目標函數 Φ（m）。遺傳演算法與此不同的是同時計算一組模型（開始時是隨機地選擇的），然後把它進行二進制編碼，並通過繁殖、雜交和變異產生一組新模型進一步有限的模型空間搜索。編碼的方法可有多種，下面舉最簡單的例說明之，對於有符號的地球物理參數反演時的編碼方式一般要更復雜些。

假設地球為有三個水平層的層次模型，含層底界面深度h_j（j=1，2，3）及層速度v_j（j=1，2，3）這兩組參數。如某個模型的參數值為（十進制）：

h₁=6，h₂=18，h₃=28，單位為10m

v₁=6，v₂=18，v₃=28，單位為 hm/s

按正常的二進制編碼法它們可分別用以下字元串表示為：

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為了減少位元組，這種編碼方式改變了慣用的單位制，只是按精度要求（深度為10m，波速為hm/s）來規定參數的碼值，同時也意味著模型空間離散化間距d_i都規格化為一個單位（即10m，或hm/s）。當然，在此編碼的基礎上，還可以寫出多種新的編碼字元串。例如，三參數值的對應位元組順序重排，就可組成以下新的二進制碼串：

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模型參數的二進制編碼是一種數學上的抽象，通過編碼把具體的非線性問題和生物演化過程聯系了起來，因為這時形成的編碼字元串就相當於一組遺傳基因的密碼。不僅是二進制編碼，十進制編碼也可直接用於遺傳演算法。根據生物系統傳代過程的規律，這些基因信息將在繁殖中傳到下一帶，而下一代將按照「適者生存」的原則決定種屬的發展和消亡，而優化准則或目標函數就起到了決定「適者生存」的作用，即保留失擬較小的新模型，而放棄失擬大的模型。在傳帶過程中用編碼表示的基因部分地交合和變異，即字元串中的一些子串被保留，有的改變，以使傳代的過程向優化的目標演化。總的來說，遺傳演算法可分為三步：繁殖、雜交和變異。其具體實現過程見圖5.8。

圖5.8 遺傳演算法實現過程

5.4.2 遺傳演算法在地震反演中的應用

以地震走時反演為例，根據最小二乘准則使合成記錄與實測數據的擬合差取極小，目標函數可取為

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式中：T_i，0為觀測資料中提取出的地震走時；T_i，s為合成地震或射線追蹤算出的地震走時；ΔT為所有合成地震走時的平均值；N_A為合成地震數據的個數，它可以少於實測T_i，0的個數，因為在射線追蹤時有陰影區存在，不一定能算出合成數據T_j，0。利用射線追蹤計算走時的方法很多，參見上一章。對於少數幾個波速為常數的水平層，走時反演的參數編碼方法可參照上一節介紹的分別對深度和速度編碼方法，二進制碼的字元串位數1不會太大。要注意的是由深度定出的字元串符合數值由淺到深增大的規律，這一約束條件不應在雜交和傳代過程中破壞。這種不等式的約束（h₁＜h₂＜h₃…）在遺傳演算法中是容易實現的。

對於波場反演，較方便的做法是將地球介質作等間距的劃分。例如，將水平層狀介質細分為100個等厚度的水平層。在上地殼可假定波速小於6400 m/s（相當於解空間的硬約束），而波速空間距為100m/s，則可將波速用100m/s為單位，每層用6位二進制字元串表示波速，地層模型總共用600位二進制字元串表示（l=600）。初始模型可隨機地選取24～192個，然後通過繁殖雜交與變異。雜交概率在0.5～1.0之間，變異概率小於0.01。目標函數（即失擬方程）在頻率域可表示為

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式中：P₀（ω_k，v_j）為實測地震道的頻譜；ω_k為角頻率；v_j為第j層的波速；P_s（ω_k，v_j）為相應的合成地震道；A（ω_k）為地震儀及檢波器的頻率濾波器，例如，可取

A（ω）=sinC⁴（ω/ω_N） （5.4.6）

式中ω_N為Nyquist頻率，即ω_N=π/Δt，Δt為時間采樣率。參數C為振幅擬合因子，它起到合成與觀測記錄之間幅度上匹配的作用。C的計算常用地震道的包絡函數的平均比值。例如，設E［］為波動信號的包絡函數，可令

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式中：t_max為包絡極大值的對應時間；J為總層數。包絡函數可通過復數道的模擬取得。

用遺傳演算法作波速反演時失擬最小的模型將一直保存到迭代停止。什麼時候停止傳代還沒有理論上可計算的好辦法，一般要顯示解空間的搜索范圍及局部密度，以此來判斷是否可以停止傳代。值得指出的是，由（5.4.4）和（5.4.5）式給出的目標函數對於有誤差的數據是有問題的，反演的目標不是追求對有誤差數據的完美擬合，而是要求出准確而且解析度最高的解估計。

遺傳演算法在執行中可能出現兩類問題。其一稱為「早熟」問題，即在傳代之初就隨機地選中了比較好的模型，它在傳代中起主導作用，而使其後的計算因散不開而白白浪費。通常，增加Q值可以改善這種情況。另一類問題正相反，即傳相當多代後仍然找不到一個特別好的解估計，即可能有幾百個算出的目標函數值都大同小異。這時，最好修改目標函數的比例因子（即（5.4.5）式的分母），以使繁殖概率P_s的變化范圍加大。

對於高維地震模型的反演，由於參數太多，相應的模型字元串太長，目前用遺傳演算法作反演的計算成本還嫌太高。實際上，為了加快計算，不僅要改進反演技巧和傳代的控制技術，而且還要大幅度提高正演計算的速度，避免對遺傳演算法大量的計算花費在正演合成上。

② 遺傳演算法的基本原理

遺傳演算法的基本原理和方法

一、編碼

編碼：把一個問題的可行解從其解空間轉換到遺傳演算法的搜索空間的轉換方法。

解碼（解碼）：遺傳演算法解空間向問題空間的轉換。

二進制編碼的缺點是漢明懸崖（Hamming Cliff），就是在某些相鄰整數的二進制代碼之間有很大的漢明距離，使得遺傳演算法的交叉和突變都難以跨越。

格雷碼（Gray Code）：在相鄰整數之間漢明距離都為1。

（較好）有意義的積木塊編碼規則：所定編碼應當易於生成與所求問題相關的短距和低階的積木塊；最小字元集編碼規則，所定編碼應採用最小字元集以使問題得到自然的表示或描述。

二進制編碼比十進制編碼搜索能力強，但不能保持群體穩定性。

動態參數編碼（Dynamic Paremeter Coding）：為了得到很高的精度，讓遺傳演算法從很粗糙的精度開始收斂，當遺傳演算法找到一個區域後，就將搜索現在在這個區域，重新編碼，重新啟動，重復這一過程，直到達到要求的精度為止。

編碼方法：

1、 二進制編碼方法

缺點：存在著連續函數離散化時的映射誤差。不能直接反映出所求問題的本身結構特徵，不便於開發針對問題的專門知識的遺傳運算運算元，很難滿足積木塊編碼原則

2、 格雷碼編碼滾如：連續的兩個整數所對應的編碼之間僅僅只有一個碼位是不同的，其餘碼位都相同。

3、 浮點數編碼方法：個體的每個基因值用某一范圍內的某個浮點數來表示，個體的編碼長度等於其決策變數的位數。

4、 各參數級聯編碼：對含有多個變數的個體進行編碼的方法。通常將各個參數分別以某種編碼方法進行編碼，然後再將他們的編碼按照一定順序連接在一起就組成了表示全部參數的個體編碼。

5、 多參數交叉編碼：將各個參數中起主要作用的碼位集中在一起，這樣它們就不易於被遺傳運算元破壞掉。

評估編碼的三個規范：完備性、健全性、非冗餘性。

二、選擇

遺傳演算法中的選擇操作就是用來確定如何從父代群體中按某種方法選取那些個體遺傳到下一代群體中的一種遺傳運算，用來確定重組或交叉個體，以及被選個體將產生多少個子代個體。

常用的選擇運算元：

1、 輪盤賭選擇（Roulette Wheel Selection）：是一種回放式隨機采樣方法。每個個體進入下一代的概率等於它的適應度值與整個種群中個體適應度值和的比例。選擇誤差較大。

2、 隨機競爭選擇（Stochastic Tournament）：每次按輪盤賭選擇一對個體，然後讓這兩個個體進行競爭，適應度高的被選中，如此反復，直到選滿為止。

3、 最佳保留選擇：首先按輪盤賭選擇方法執行遺傳演算法的選擇操作，然後將當前群體中適應度最高的大宏啟個體結構完整地復制到下一代群體中。

4、 無回放隨機選擇（也叫期望值選擇Excepted Value Selection）：根據每個個體在下一代群體中的生存期望來進行隨機選擇運算。方法如下

（1） 計算群體中每個個體在下一代群體中的生存期望數目N。

（2） 若某一個體被選中參與交叉運算，則它在下一代中的生存期望數目減去0.5，若某一個體未被選中參與交叉運算，則它絕配在下一代中的生存期望數目減去1.0。

（3） 隨著選擇過程的進行，若某一個體的生存期望數目小於0時，則該個體就不再有機會被選中。

5、 確定式選擇：按照一種確定的方式來進行選擇操作。具體操作過程如下：

（1） 計算群體中各個個體在下一代群體中的期望生存數目N。

（2） 用N的整數部分確定各個對應個體在下一代群體中的生存數目。

（3） 用N的小數部分對個體進行降序排列，順序取前M個個體加入到下一代群體中。至此可完全確定出下一代群體中M個個體。

6、無回放余數隨機選擇：可確保適應度比平均適應度大的一些個體能夠被遺傳到下一代群體中，因而選擇誤差比較小。

7、均勻排序：對群體中的所有個體按期適應度大小進行排序，基於這個排序來分配各個個體被選中的概率。

8、最佳保存策略：當前群體中適應度最高的個體不參與交叉運算和變異運算，而是用它來代替掉本代群體中經過交叉、變異等操作後所產生的適應度最低的個體。

9、隨機聯賽選擇：每次選取幾個個體中適應度最高的一個個體遺傳到下一代群體中。

10、排擠選擇：新生成的子代將代替或排擠相似的舊父代個體，提高群體的多樣性。

三、交叉

遺傳演算法的交叉操作，是指對兩個相互配對的染色體按某種方式相互交換其部分基因，從而形成兩個新的個體。

適用於二進制編碼個體或浮點數編碼個體的交叉運算元：

1、單點交叉（One－pointCrossover）：指在個體編碼串中只隨機設置一個交叉點，然後再該點相互交換兩個配對個體的部分染色體。

2、兩點交叉與多點交叉：

（1） 兩點交叉（Two－pointCrossover）：在個體編碼串中隨機設置了兩個交叉點，然後再進行部分基因交換。

（2） 多點交叉（Multi－pointCrossover）

3、均勻交叉（也稱一致交叉，UniformCrossover）：兩個配對個體的每個基因座上的基因都以相同的交叉概率進行交換，從而形成兩個新個體。

4、算術交叉（ArithmeticCrossover）：由兩個個體的線性組合而產生出兩個新的個體。該操作對象一般是由浮點數編碼表示的個體。

四、變異

遺傳演算法中的變異運算，是指將個體染色體編碼串中的某些基因座上的基因值用該基因座上的其它等位基因來替換，從而形成以給新的個體。

以下變異運算元適用於二進制編碼和浮點數編碼的個體：

1、基本位變異（SimpleMutation）：對個體編碼串中以變異概率、隨機指定的某一位或某幾位僅因座上的值做變異運算。

2、均勻變異（UniformMutation）：分別用符合某一范圍內均勻分布的隨機數，以某一較小的概率來替換個體編碼串中各個基因座上的原有基因值。（特別適用於在演算法的初級運行階段）

3、邊界變異（BoundaryMutation）：隨機的取基因座上的兩個對應邊界基因值之一去替代原有基因值。特別適用於最優點位於或接近於可行解的邊界時的一類問題。

4、非均勻變異：對原有的基因值做一隨機擾動，以擾動後的結果作為變異後的新基因值。對每個基因座都以相同的概率進行變異運算之後，相當於整個解向量在解空間中作了一次輕微的變動。

5、高斯近似變異：進行變異操作時用符號均值為P的平均值，方差為P2的正態分布的一個隨機數來替換原有的基因值。

③ 遺傳演算法的迭代次數是怎麼確定的，與什麼有關

1. 遺傳演算法簡介

遺傳演算法是用於解決最優化問題的一種搜索演算法，演算法的整體思路是建立在達爾文生物進化論「優勝劣汰」規律的基礎上。它將生物學中的基因編碼、染色體交叉、基因變異以及自然選擇等概念引入最優化問題的求解過程中，通過不斷的「種群進化」，最終得到問題的最優解。

2. 遺傳演算法實現步驟

在講下面幾個基於生物學提出的概念之前，首先我們需要理解為什麼需要在最優化問題的求解中引入生物學中的各種概念。

假設我們需要求一個函數的最大值，但這個函數異常復雜以至於無法套用一般化的公式，那麼就會想到：如果可以將所有可能的解代入方程，那麼函數最大值所對應的那個解就是問題的最優解。但是，對於較復雜的函數來說，其可能的解的個數的數量級是我們所無法想像的。因此，我們只好退而求其次，只代入部分解並在其中找到最優解。那麼這樣做的核心就在於如何設定演算法確定部分解並去逼近函數的最優解或者較好的局部最優解。

遺傳演算法就是為了解決上述問題而誕生的。假設函數值所對應的所有解是一個容量超級大的種群，而種群中的個體就是一個個解，接下去遺傳演算法的工作就是讓這個種群中的部分個體去不斷繁衍，在繁衍的過程中一方面會發生染色體交叉而產生新的個體。另一方面，基因變異也會有概率會發生並產生新的個體。接下去，只需要通過自然選擇的方式，淘汰質量差的個體，保留質量好的個體，並且讓這個繁衍的過程持續下去，那麼最後就有可能進化出最優或者較優的個體。這么看來原來最優化問題居然和遺傳變異是相通的，而且大自然早已掌握了這樣的機制，這著實令人興奮。為了將這種機制引入最優化問題並利用計算機求解，我們需要將上述提到的生物學概念轉化為計算機能夠理解的演算法機制。

下面介紹在計算機中這種遺傳變異的機制是如何實現的：

基因編碼與解碼：

在生物學中，交叉與變異能夠實現是得益於染色體上的基因，可以想像每個個體都是一串超級長的基因編碼，當兩個個體發生交叉時，兩條基因編碼就會發生交換，產生的新基因同時包含父親和母親的基因編碼。在交叉過程中或者完成後，某些基因點位又會因為各種因素發生突變，由此產生新的基因編碼。當然，發生交叉和變異之後的個體並不一定優於原個體，但這給了進化（產生更加優秀的個體）發生的可能。

因此，為了在計算機里實現交叉和變異，就需要對十進制的解進行編碼。對於計算機來說其最底層的語言是由二進制0、1構成的，而0、1就能夠被用來表示每個基因點位，大量的0、1就能夠表示一串基因編碼，因此我們可以用二進制對十進制數進行編碼，即將十進制的數映射到二進制上。但是我們並不關心如何將十進制轉換為二進制的數，因為計算機可以隨機生成大量的二進制串，我們只需要將辦法將二進制轉化為十進制就可以了。

二進制轉換為十進制實現方式：

假設，我們需要將二進制映射到以下范圍：

首先，將二進制串展開並通過計算式轉化為[0,1]范圍內的數字：

將[0,1]范圍內的數字映射到我們所需要的區間內：

交叉與變異：

在能夠用二進制串表示十進制數的基礎上，我們需要將交叉與變異引入演算法中。假設我們已經獲得兩條二進制串（基因編碼），一條作為父親，一條作為母親，那麼交叉指的就是用父方一半的二進制編碼與母方一半的二進制編碼組合成為一條新的二進制串（即新的基因）。變異則指的是在交叉完成產生子代的過程中，二進制串上某個數字發生了變異，由此產生新的二進制串。當然，交叉與變異並不是必然發生的，其需要滿足一定的概率條件。一般來說，交叉發生的概率較大，變異發生的概率較小。交叉是為了讓演算法朝著收斂的方向發展，而變異則是為了讓演算法有幾率跳出某種局部最優解。

自然選擇：

在成功將基因編碼和解碼以及交叉與變異引入演算法後，我們已經實現了讓演算法自動產生部分解並優化的機制。接下去，我們需要解決如何在演算法中實現自然選擇並將優秀的個體保留下來進而進化出更優秀的個體。

首先我們需要確定個體是否優秀，考慮先將其二進制串轉化為十進制數並代入最初定義的目標函數中，將函數值定義為適應度。在這里，假設我們要求的是最大值，則定義函數值越大，則其適應度越大。那是否在每一輪迭代過程中只需要按照適應度對個體進行排序並選出更加優秀的個體就可以了呢？事實上，自然選擇的過程中存在一個現象，並沒有說優秀的個體一定會被保留，而差勁的個體就一定被會被淘汰。自然選擇是一個概率事件，越適應環境則生存下去的概率越高，反之越低。為了遵循這樣的思想，我們可以根據之前定義的適應度的大小給定每個個體一定的生存概率，其適應度越高，則在篩選時被保留下來的概率也越高，反之越低。

那麼問題就來了，如何定義這種生存概率，一般來說，我們可以將個體適應度與全部個體適應度之和的比率作為生存概率。但我們在定義適應度時使用函數值進行定義的，但函數值是有可能為負的，但概率不能為負。因此，我們需要對函數值進行正數化處理，其處理方式如下：

定義適應度函數：

定義生存概率函數：

註：最後一項之所以加上0.0001是因為不能讓某個個體的生存概率變為0，這不符合自然選擇中包含的概率思想。

3. 遺傳算例

在這里以一個比較簡單的函數為例，可以直接判斷出函數的最小值為0，最優解為(0，0)

若利用遺傳演算法進行求解,設定交叉概率為0.8，變異概率為0.005，種群內個體數為2000，十進制數基因編碼長度為24，迭代次數為500次。

從遺傳演算法收斂的動態圖中可以發現，遺傳演算法現實生成了大量的解，並對這些解進行試錯，最終收斂到最大值，可以發現遺傳演算法的結果大致上與最優解無異，結果圖如下：

4. 遺傳演算法優缺點

優點：

1、 通過變異機制避免演算法陷入局部最優，搜索能力強

2、 引入自然選擇中的概率思想，個體的選擇具有隨機性

3、 可拓展性強，易於與其他演算法進行結合使用

缺點：

1、 遺傳演算法編程較為復雜，涉及到基因編碼與解碼

2、 演算法內包含的交叉率、變異率等參數的設定需要依靠經驗確定

3、 對於初始種群的優劣依賴性較強

④ 遺傳演算法^[1，]

遺傳演算法，又稱基因演算法(Genetic Algorithm，簡稱GA)，也是一種啟發式蒙特卡洛優化演算法。遺傳演算法最早是由Holland(1975)提出，它模擬了生物適者生存、優勝劣汰的進化過程，具有不依賴於初始模型的選擇、不容易陷入局部極小、在反演過程中不用計算偏導數矩陣等優點。遺傳演算法最早由Stoffa和Sen(1991)用於地震波的一維反演，之後在地球物理資料的非線性反演中得到廣泛的應用。GA演算法對模型群體進行追蹤、搜索，即模型狀態通過模型群體傳送，具有比模擬退火法更大、更復雜的「記憶」，潛力更大。

遺傳演算法在反演中的基本思路和過程是:

(1)將生物體看成模型，模型參數看成染色體，有多少個模型的參數就有多少個染色體。對每個模型的參數(染色體)用二進制進行編碼，這個編碼就是基因。

(2)隨機生成一個模型群體(相當於生物的種群)，然後在模型群體中進行繁殖，通過母本的選擇、交換和變異等遺傳操作產生下一代，然後保留較好基因，淘汰較差基因。

(3)通過一代一代的繁殖優勝劣汰的進化過程，最後所剩下的種群基本上都是最優的基因，種群趨於一致。所謂群體「一致」，即群體目標函數的方差或標准差很小，或者群體目標函數的均值接近於極值(可能是極大值或極小值)，從而獲得非線性反演問題所對應的最優解或近似最優解。

下面以一個實例來簡述遺傳演算法的基本過程。

[例1]設m是正整數，且0≤m≤127，求方程φ(m)=m²的極大值。

這個例子極為簡單，只有一個模型參數，因此只有一條染色體，目標函數的極值是極大值(此例子來自阮百堯課件)。遺傳演算法通過以下7個步驟來實現:

(1)模型參數二進制編碼。

每個模型參數就是一條染色體，把十進制的模型參數表示為二進制，這就是基因。首先確定二進制碼的長度(基因的長度):

2^N=[m_max(i)-m_min(i)]/Δm(i) (8.20)

其中:N為第i條染色體基因的長度(也就是第i個模型參數的二進制碼位數);[m_min(i)，m_max(i)]為第i個模型參數的取值范圍;Δm(i)為第i個模型參數的解析度。這樣就把模型參數離散化了，它只能按Δm(i)的整數倍變化。基因的長度按下式計算:

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其中:c為實數;N為基因長度，是整數;int[ ]為取整函數。上式表示如果c不是整數，那麼基因長度N就是對c取整後加1，這樣保證最小解析度。

基因的編碼按下式進行:

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其中:式(8.22)是編碼公式;k為基因編碼的十進制數，是整數;int[ ]為取整函數。把k轉化為二進制就是基因的編碼。解碼是按照式(8.23)進行的。首先把一個基因的二進制編碼轉化為十進制數k，然後按式(8.23)可以計算出第i個模型參數m(i)的十進制值。

例如:電阻率參數ρ(1)，它的變化范圍為10~5000Ω·m，解析度為2Ω·m，設當前參數ρ(1)=133Ω·m，按式(8.21)計算得

c=11.28482，N=12

所以二進制基因長度為13位。

利用式(8.22)計算基因編碼k的十進制數:

k=int[(133-10)/2]=61

把它轉化為二進制數為:000000111101。所以ρ(1)=133 的二進制基因編碼為:000000111101。

解碼過程就是把二進制基因編碼變為十進制數k後用式(8.23)計算:

ρ(1)=10+61×2=132(Ω·m)

注意:基因編碼並不是直接把電阻率值變為二進制。此外，133這個值在基因里不會出現，因為解析度是2，所以表示為最接近的132。

對於[例1]問題來說，選解析度為1，0~127用二進制編碼需7位。

(2)產生初始模型種群。

生物繁殖進化需要一定數量的生物體種群，因此遺傳演算法開始時需要一定數量的初始模型。為保證基因的多樣性，隨機產生大量的初始模型作為初始種群，按照上面的編碼方式進行編碼。個體在模型空間中應分布均勻，最好是模型空間各代表區域均有成員。初始模型群體大，有利於搜索，但太大會增加計算量。

為保證演算法收斂，在初始模型群體中，有時候應增加各位都為0和都為1的成員。遺傳演算法就是在這個初始模型種群的基礎上進行繁殖，進化求解的。

對於[例1]問題來說，模型空間是0~127個數字，這樣初始種群最多具有128個個體。為了簡單，隨機選擇4個個體作為初始種群。初始種群的編碼、目標函數值見表8.1。

表8.1 初始種群編碼表

(3)模型選擇。

為了生成新一代模型，需要選擇較優的個體進行配對。生物進化按照自然選擇、優勝劣汰的准則進行。對應地，遺傳演算法按照一定的准則來選擇母本(兩個)，然後進行配對繁殖下一代模型，這個選擇稱為模型選擇。模型配對最基本的方法是隨機采樣，用各模型的目標函數值對所有模型目標函數的平均值的比值定義繁殖概率，即

地球物理反演教程

其中:p(m_i)為繁殖概率;φ(m_i)為第i個模型的目標函數;φ_AVG為目標函數的平均值。對於極小化問題來說，規定目標函數值高於平均值的不傳代;對於極大化問題來說，反之即可。

就[例1]來說，要求目標函數取極大值，所以規定目標函數小於平均值的模型不傳代，大於它的可以傳代。對第一代，為了防止基因丟失，可先不捨去繁殖概率小的模型，讓它與概率大的模型配對。如:本例中70與56配對，101與15配對產生子代，見表8.2。

表8.2 基因交換表

(4)基因交換。

將配對的兩個親本模型的部分染色體相互交換，其中交換點可隨機選擇，形成兩個新的子代(見表8.2)。兩個染色體遺傳基因的交換過程是遺傳演算法的「繁殖」過程，是母本的重組過程。

為了使染色體的基因交換比較徹底，Stoffa等人提出了一個交換概率p_x來控制選擇操作的效果。如果p_x的值較小，那麼交換點的位置就比較靠低位，這時的交換操作基本是低位交換，交換前後模型的染色體變化不是太大。如果p_x的值較大，那麼交換點的位置就比較靠高位，此時的交換操作可以在較大的染色體空間進行，交換前後模型數值變化可以很大。

在[例1]中:15、101和56、70作為母本通過交換繁殖出子代5、6、111、120。所選擇的基因交換位置見表8.2。有下劃線的，是要交換的基因位置。

(5)更新。

母本模型和子本模型如何選擇保留一定數量作為新的母本，就是模型更新。不同的策略會導致不同的結果。一般而言，若產生的新一代模型較好，則選擇新一代模型而淘汰上一代模型。否則，則必須根據一定的更新概率p_u來選擇上一代模型來取代新一代中某些較劣的模型。

經過更新以後，繁殖時對子代再進行優勝劣汰的選擇。對於極大值問題，大於目標函數平均值的子代可以繁殖，小於目標函數平均值的子代不能繁殖。由於新的種群能繁殖的個體數量減小了，所以要多繁殖幾次，維持種群個體的數量保持平衡。

在[例1]中，子代較好，所以完全淘汰上一代模型，完全用子代作為新的母本。選擇子代目標函數最大的兩個模型進行繁殖，分別是111、120。

(6)基因變異。

在新的配對好的母本中，按一定比例隨機選擇模型進行變異，變異操作就是模擬自然界中的環境因素，就是按比較小的變異概率p_m將染色體某位或某幾位的基因發生突變(即將0變為1或將1變為0)。

變異操作的作用是使原來的模型發生某些變化，從而成為新的個體。這樣可使群體增加多樣性。變異操作在遺傳演算法中也起著至關重要的作用。實際上，由於搜索空間的性質和初始模型群體的優劣，遺傳演算法搜索過程中往往會出現所謂的「早熟收斂」現象，即在進化過程中早期陷入局部解而中止進化。採用合適的變異策略可提高群體中個體的多樣性，從而防止這種現象的出現，有助於模型跳出局部極值。表8.3為[例1]的基因變異繁殖表。

表8.3 基因變異繁殖表

在[例1]中，用111、120分別繁殖兩次，形成4個子代，維持種群數量平衡。隨機選擇120進行變異，變異的位數也是隨機的。這里把它的第2位進行變異，即從1變為0，繁殖後形成子代為:70、110、121、127。可以看出新的子代比初始種群要好得多，其中甚至已經出現了最優解。如果對於地球物理的極小值問題，我們可以預先設置一個擬合精度，只要在種群中出現一個達到擬合精度的模型就可以終止反演了。

(7)收斂。

重復(3)~(6)的步驟，模型群體經多次選擇、交換、更新、變異後，種群個體數量大小不變，模型目標函數平均值趨於穩定，最後聚集在模型空間中一個小范圍內，則找到了全局極值對應的解，使目標函數最大或最小的模型就是全局最優模型。

對於具有多解性的地球物理反演問題來說，通過這一步有可能找到滿足擬合精度的多個模型，對於實際反演解釋、推斷具有較高的指導意義。

遺傳演算法中的各種概率包括交換概率px、變異概率p_m以及更新概率p_u，這些參數的選擇與設定目前尚無統一的理論指導，多數都視具體問題而定。Stoffa等(1991)的研究表明，適中的交換概率(p_x≈0.6)、較小的變異概率(p_m≈0.01)和較大的更新概率(p_u≈0.9)，遺傳演算法的性能較優。

與模擬退火反演演算法相同，遺傳演算法與傳統的線性反演方法相比，該方法具有:不依賴初始模型的選擇、能尋找全局最小點而不陷入局部極小、在反演過程中不用計算雅克比偏導數矩陣等優點。另外，遺傳演算法具有並行性，隨著並行計算和集群式計算機技術的發展，該演算法將會得到越來越廣泛的研究與應用。

但是遺傳演算法作為類蒙特卡洛演算法同樣需要進行大量的正演計算，種群個體數量越大，繁衍代數越多，則計算量越大。所以和前面的最小二乘法相比，速度不是它的優勢。

⑤ 遺傳演算法 交叉的個數怎麼確定

遺傳演算法中的選擇、交叉和變異都是隨機操作，而不是確定的精確規則。這說明遺傳演算法是採用隨機方法進行最優解搜索，選擇體現了向最優解迫近，交叉體現了最優解的產生，變異體現了全局最優解的復蓋。

⑥ 十進制遺傳演算法簡介

8.2.1 反演優化問題

用遺傳演算法反演水文地質參數^{［38，61］}，首先要構造優化問題。設區域有m個觀測值，則構造誤差函數為：

含水層參數識別方法

其中：為實測值，h_i （p₁，p₂，…，p_n）為計算值。和h_i 具有相同的時間和坐標點，p₁，p₂，…，p_n 為參數，為書寫方便記 P=[p₁，p₂，…，p_n]。

模型選定之後，通過改變參數使誤差函數達到最小值。那麼本問題就轉化為約束條件下的優化問題（8-2）。

含水層參數識別方法

8.2.2 遺傳演算法步驟

可用遺傳演算法求解優化問題（8-2），具體步驟如下。

1）解的表示結構。用十進制浮點向量，表示優化問題的解。每個染色體由一個浮點向量表示，其長度和解向量相同。這里用（p₁，p₂，…，p_n）表示最優化問題（8-2）的解。相應的染色體為V=（p₁，p₂，…，p_n）。

2）初始化過程。定義整數Pop-Size作為染色體的個數，並且隨機產生Pop-Size個初始染色體。從優化問題的約束條件可以看出，（p₁，p₂，…，p_n）的可行域是一個長方形，我們用隨機的方法可以得到Pop-Size個初始可行的染色體。

檢驗（p₁，p₂，…，p_n）是否為可行染色體，如果是，就保留。如果不是就再產生一組可行染色體。直到產生Pop-Size個初始可行的染色體V₁，V₂，…，V_Pop-Size。

3）評價函數。評價函數（用eval（V）表示）用來對種群中的每個染色體V設定一個概率，以使該染色體被選擇的可能性與其種群中其他染色體的適應性成比例。通過輪盤賭，適應性強的染色體被選擇產生後代的機會大。在實際應用中我們採取如下方法確定評價函數。

設目前該代中的染色體為V₁，V₂，…，V_Pop-Size，可以根據染色體的序進行再分配，無論採用何種數學規劃均可以將染色體由好到壞進行重排，就是說，一個染色體越好，其序號越小。設參數α∈（0，1）給定，定義於序的評價函數為：

含水層參數識別方法

i=1意味著染色體是最好的，i=Pop-Size說明是最差的。

4）選擇過程。選擇過程是以旋轉賭輪Pop-Size次為基礎的。每次旋轉都為新的種群選擇一個染色體。賭輪是按每個染色體的適應度進行選擇染色體的。其過程如下。

A.對每個染色體V_i，計算累積概率q_i

含水層參數識別方法

B.從區間（0，q_Pop-Size）中產生一個隨機數r。

C.若q_i-1＜r≤q_i，則選擇第i個染色體V_i（1≤i≤Pop-Size）。

D.重復步驟②和步驟③共Pop-Size次，這樣可以得到Pop-Size個復制的染色體。上述過程並沒有要求滿足條件q_Pop-Size=1。實際上，可以用q_Pop-Size除以所有的q_i，使q_Pop-Size=1，新得到的概率同樣與適應度成比例。

5）交叉操作。設P_c為交叉操作的概率，這個概率說明種群中有期望值為P_c·Pop

-Size個染色體進行交叉操作。為確定交叉操作的父代，從i=1到Pop-Size重復以下過程：從［0，1］中產生隨機數r，如果r＜P_c，則選擇V_i作為一個父代。

用V′₁，V′₂，V′₃，…表示上面選擇的父代，並把他們隨機分為交叉對。

（V′₁，V′₂），（V′₃，V′₄），（V′₅，V′₆），…

現僅以第一對為例說明交叉操作的過程，從（0，1）區間產生一個隨機數c，然後按下式進行交叉操作，並產生兩個後代X和Y

X=cV′₁+（1-c）V′₂，Y=（1-c）V′₁+cV′₂

檢驗新產生的後代是否為可行解，如果可行，用它們代替父代；否則，保留其中可行的。然後，產生新的隨機數c，重新進行交叉操作，直到得到兩個可行的後代為止。

6）變異操作。設參數P_m為遺傳操作中的變異概率，為確定變異操作的父代，從i=1到Pop-Size重復以下過程：從［0，1］中產生隨機數r，如果r＜P_m，則選擇V_i作為一個變異父代。先選擇一個變異方向D，M為一個隨機數，則可以用下式：

X=V+M·D

為新後代，檢驗X是否為可行解。如不可行，改變隨機數M或變異方向D直到X為可行解為止。

另一種產生變異的操作是在可行域中另外產生一個染色體，或染色體中的一個元素。

7）遺傳演算法的一般過程。遺傳演算法的一般過程可歸納如下：

輸入參數Pop-Size，P_c，P_m；

通過初始化過程產生Pop-Size個染色體；

重復

根據某抽樣機制選擇染色體；

對染色體進行交叉和變異操作；

計算所有染色體的評價函數；

滿足終止條件時終止，否則重復以上三個過程。

⑦ 遺傳演算法

參考文獻： 知乎    遺傳演算法     編碼解碼知識

實現遺傳演算法的第一步就是明確對求解問題的編碼和解碼方式。對於函數優化問題，一般有兩種編碼方式，各具優缺點

實數編碼：直接用實數表示基因，容易理解且不需要解碼過程，但容易過早收斂，從而陷入局部最優

二進制編碼：穩定性高，種群多樣性大，但需要的存儲空間大，需要解碼且難以理解

對於求解函數最大值問題，我選擇的是二進制編碼。

以我們的目標函數 f(x) = x + 10sin(5x) + 7cos(4x), x∈[0,9] 為例。

假如設定求解的精度為小數點後4位，可以將x的解空間劃分為 (9-0)×(1e+4)=90000個等分。

2^16<90000<2^17，需要17位二進制數來表示這些解。換句話說，一個解的編碼就是一個17位的二進制串。

一開始，這些二進制串是隨機生成的。

一個這樣的二進制串代表一條染色體串，這里染色體串的長度為17。

對於任何一條這樣的染色體chromosome，如何將它復原(解碼)到[0,9]這個區間中的數值呢？

對於本問題，我們可以採用以下公式來解碼：

decimal( ): 將二進制數轉化為十進制數

一般化解碼公式：

lower_bound: 函數定義域的下限

upper_bound: 函數定義域的上限

chromosome_size: 染色體的長度

通過上述公式，我們就可以成功地將二進制染色體串解碼成[0,9]區間中的十進制實數解。

染色體，就是指由 DNA 組成的聚合體，DNA 上的每個基因都編碼了一個獨特的性狀，比如，頭發或者眼睛的顏色

可以將他看作是一個優化問題，它可以嘗試找出某些輸入，憑借這些輸入我們便可以得到最佳的輸出值或者是結果

遺傳演算法要點：

1.初始化

初始化候選全體，隨機初始化

2.查找適應函數

3.選擇：物競天擇，適者生存

先選擇能量強的個體，然後再進行隨機選擇，選出適應度雖然小，但是倖存下來的個體

4.交叉：

5.變異：根據需要進行選擇

⑧ 你好，遺傳演算法裡面要實現均勻交叉，應該怎麼做啊，能不能給段matlab程序

設X為交叉前的種群，X_new是交叉後的種群，採用十進制編碼。
交叉策略是把種群分成4份，前2個1/4個體對應交叉，後兩個1/4對應交叉。
function X_new=crossover(X)
globaldef;%用另外m文件定義的一些全局變數包括種群規模等
X_new=X;%初始化大小
col=zeros(1,N);
col(4)=1;col(10)=1;%2點均勻交叉,位置在第4、第10個變數
for i=1:popsize/4
if rand<pc%是否滿足交叉概率
%ser=find(round(rand(1,N))==1);%隨機多點交叉用這個
ser=find(col==1);%均勻交叉用這個，交叉點數在前面設置
temp=rand;%隨機數
X_new(i,ser)=X(i,ser)*temp+X(i+popsize/4,ser)*(1-temp);%交叉策略
X_new(i+popsize/4,ser)=X(i,ser)*(1-temp)+X(i+popsize/4,ser)*temp;
end
end
for i=2*popsize/4:3*popsize/4
if rand<pc%是否滿足交叉概率
%ser=find(round(rand(1,N))==1);%隨機多點交叉用這個
ser=find(col==1);%均勻交叉用這個，交叉點數在前面設置
temp=rand;
X_new(i,ser)=X(i,ser)*temp+X(i+popsize/4,ser)*(1-temp);%交叉策略
X_new(i+popsize/4,ser)=X(i,ser)*(1-temp)+X(i+popsize/4,ser)*temp;
end
end

交叉策略的公式見地址
http://..com/question/1669552733103791747.html?fr=iks&word=%D2%C5%B4%AB%CB%E3%B7%A8+%B9%AB%CA%BD+%C1%F5%D1%F4%C9%FD&ie=gbk