遗传算法解 TSP2-遗传算子

智能计算, 算法

引言

上一章讲解了遗传算法的基本思想与工作流程，构建了物种类Species及评价物种优劣的适应度函数。本章叙述如何利用求得的物种适应度去进行优胜劣汰的“选择算子”、物种间繁衍配对的“交叉算子”以及单个物种基因突变的“变异算子”。

选择算子

1 选择概率

物种\({s_i}(i = 1,2,…,n)\)的适应度\(f({s_i})\)已然得到，接下来就要利用\(f({s_i})\)，求得它在整个种群中被选择（即遗传到下一代）的概率。这个概率表示为：\[p({s_i}) = \frac{{f({s_i})}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {f({s_i})} }}\]产生了概率以后，我们便需要进行选择。

2 轮盘赌选择法

采用“轮盘赌选择法”，形象点说，就像我们经常见到的抽奖转转盘一样：

67c17d1chcd97266db535&690

即每次筛选就相当于转动轮盘，概率大的面积就越大，自然就更容易被选上。那么“转”多少次呢？这里就涉及种群容量的约定了，我们如果选得过小，那么物种的多样性不够，很难有机会产生更优秀的物种（就像如果地球上其他生物都灭绝了，只剩人类，那么物种改变的机会，即路线更短的概率相对就越小了），而如果过大，那么算法的效率会降低，随机性更大，最后很不容易收敛。而根据一些文章和经验，每一轮我们就维持上一轮的种群容量大小即可，保持种群总量不变，即由初始种群的大小决定。那初始种群大小又选多大呢？这个参数就需要根据具体问题的规模来进行调整了，如果城市数很少，可以适当小一些，如果很多，就调大点。

3 选择过程

下面举一个实际例子来说明具体怎么选择。假设我们初始化了这样一个种群，也计算了他们的适应度、选择概率，得到如下的表：

物种编号基因序列路线长度适应度选择概率轮赌命中次数
1125367498360.02821.54%1
2325974681150.06751.54%2
3984723615450.02216.92%0
4974613528790.01310.00%1
总和––0.13100%4

从上表很容易看出：物种2因为路线较短所以适应度高，进而经过4次轮赌直接被选中了2次，而较次的物种1被选中了1次，物种3虽然适应度比物种4高，但由于算法的随机性并没有被选上，而是物种4“侥幸”被选上了。所以新的种群应该是这样的：一个物种1、两个物种2和一个物种4，即种群基因为：125367498、325974681、325974681和974613528。

4 精英保留策略

这里我们不难发现一个问题：倘若物种2的选中概率没有51.54%那么高，而是稍低一些（保证仍是种群中适应度最高的物种），那么这时它参与轮赌被选中的次数就难说有2次了，而很可能多多地让那些资质现在并非很好的物种1、3、4遗传到了下一代。但物种2仍是适应度最高的精英物种啊！让它怀才不遇，最后落得个沧海遗珠之憾，的确有失公平。

所以这时，我们加入一个“精英保留策略”，即并非所有物种均参与赌轮，而是在轮赌之前，先选出适应度最高的那个物种，复制若干个后提前进入下一代，接着再让剩余的物种参与赌轮进入下一代，最终两部分合成一个新种群。这样避免了因为概率原因，使得优秀物种沧海遗珠的情况发生，但这样做也容易陷入局部最优，所以多少个精英这个参数就需要不断地调整了，据一些研究经验来看，一般复制1/4效果是比较好的。

下面是整个选择算子的实现代码：

//选择优秀物种（轮盘赌）
void select(List<SpeciesNode> speciesList)
{			
    //计算选择概率
    calRate(speciesList);
    
    //找出最大适应度物种
    float talentFitness=Float.MAX_VALUE;
    SpeciesNode talentSpecies=null;
    for(SpeciesNode species : speciesList)
    {
        if(species.fitness < talentFitness)
        {
            talentFitness = species.fitness;
            talentSpecies = species;
        }
    }

    //将最大适应度物种复制talentNum个
    List<SpeciesNode> newSpeciesList=new ArrayList<SpeciesNode>();
    int talentNum = (int)(speciesList.size() * tp); //tp:复制比重
    for(int i=1;i<=talentNum;i++)
    {
        //复制物种至新表
        SpeciesNode newSpecies=talentSpecies.clone();
        newSpeciesList.add(newSpecies);
    }

    //轮盘赌speciesList.speciesNum-talentNum次
    int roundNum=speciesList.size()-talentNum;
    for(int i=1;i<=roundNum;i++)
    {
        //产生0-1的概率
        float rate=(float)Math.random();
        for(SpeciesNode species : speciesList)
        {
            if(species == talentSpecies || rate > species.rate) //精英物种或未选中，跳过
                rate=rate-species.rate;
            else //该物种在本次轮赌中选中
            {
                SpeciesNode newSpecies=species.clone();
                newSpeciesList.add(newSpecies);		
                break;
            }
        }		
    }

    speciesList = newSpeciesList;
}

交叉算子

交叉是对种群内两物种的基因序列进行裁剪组合的操作，一般以一定概率执行，而不是每次都执行。物种的配对选取最好随机，而不要1和2配对，3和4配对（因为在使用精英保留策略时很可能是连续追加进种群的，这样相当于近亲繁殖，很难擦出火花即产生路线长度比双亲都短的后代基因）。那么双亲的基因序列之间具体怎么交叉呢？

由于物种基因的编码形式是以“城市编号”为元素的，在实现交叉操作时首先任选一个位置作为起点，交换两个物种的后半段基因。但需注意的是，交叉后的后半段基因可能与物种的前半段基因重复，故而还需进行基因冲突处理，即把物种1所有重复的基因与物种2所有重复的基因对应交换。交叉操作具体如下图所示：

物种编号基因序列配对对象交叉点位置交叉结果(未去重)交叉结果(去重)
1125 | 36749823125 | 974681325 | 974681
2325 | 97468113325 | 367498125 | 367498
397461 | 35284597461 | 468197325 | 4681
432597 | 46813532597 | 352846197 | 3528

具体实现代码如下：

//交叉操作
void crossover(List<SpeciesNode> speciesList)
{
    for(int n=0;n<speciesList.size();n+=2) //两两配对
    {
        if(n+1 >= speciesList.size()) //已无可配对的母物种（种群容量为奇数）
            break; //结束
        
        SpeciesNode fatherSpecies = speciesList.get(n); //父物种
        SpeciesNode motherSpecies = speciesList.get(n+1); //母物种
        
        //交叉概率 pcl < rate < pch
        float rate=(float)Math.random();
        if(rate > Constant.pcl && rate < Constant.pch) 
        {			
            int crossPosition=rand.nextInt(Constant.CITY_NUM); //随机生成交叉点
            List<Integer> fatherDuplicateGenesList = new ArrayList<Integer>(); // 存储父物种前半段所有重复基因的位置
            List<Integer> motherDuplicateGenesList = new ArrayList<Integer>(); // 存储母物种前半段所有重复基因的位置
            
            //后半段基因挨个位置进行互换
            for(int i=crossPosition;i<Constant.CITY_NUM;i++)
            {
                //基因互换
                int gene;
                gene=fatherSpecies.genes[i];
                fatherSpecies.genes[i]=motherSpecies.genes[i];
                motherSpecies.genes[i]=gene;
                
                //检测fatherSpecies.genes[i]是否与父物种前半段某位置基因重复，若是则记录
                for(int j=0;j<crossPosition;j++)
                    if(fatherSpecies.genes[i] == fatherSpecies.genes[j])
                        fatherDuplicateGenesList.add(j);
                
                //母物种同理
                for(int j=0;j<crossPosition;j++)
                    if(motherSpecies.genes[i] == motherSpecies.genes[j])
                        motherDuplicateGenesList.add(j);
            }
            
            //去重
            for(int k=0;k<fatherDuplicateGenesList.size();k++)
            {
                //父、母物种前半段重复的基因对应交换
                int fatherGenePosition = fatherDuplicateGenesList.get(k);
                int motherGenePosition = motherDuplicateGenesList.get(k);
                
                int gene;
                gene=fatherSpecies.genes[fatherGenePosition];
                fatherSpecies.genes[fatherGenePosition]=motherSpecies.genes[motherGenePosition];
                motherSpecies.genes[i]=gene;
            }
        }
    }
}

变异算子

“变异”是跳出局部最优解的一个重要法宝，是对基因序列进行若干变换的一种操作，一般按非常小的概率执行。本文采用的是一种学界普遍认为效果较好的一种变异方式，即随机选取基因序列的两个位置k和m，逆转其k~m间的城市编号，即若现有物种：\[{s_i} = ({n_1},{n_2}, \cdots ,{n_k},{n_{k + 1}}, \cdots ,{n_{m – 1}},{n_m}, \cdots ,{n_n})\]随机产生1和n之间的两相异整数k和m，若k<m，执行逆转变换，得到新的基因序列：\[{s_j} = ({n_1},{n_2}, \cdots ,{n_m},{n_{m – 1}}, \cdots {n_{k + 1}},{n_k}, \cdots ,{n_n})\]

下面是代码：

//变异操作
void mutate(List<SpeciesNode> speciesList)
{	
    //每一物种均有变异的机会,以概率pm进行
    for(SpeciesNode species : speciesList)
    {		
        float rate=(float)Math.random();
        if(rate < Constant.pm)
        {
            //寻找逆转的左右端点
            Random rand=new Random();
            int left=rand.nextInt(Constant.CITY_NUM);
            int right=rand.nextInt(Constant.CITY_NUM);
            if(left > right)
            {
                int tmp;
                tmp=left;
                left=right;
                right=tmp;
            }
            
            //逆转left-right下标元素
            while(left < right)
            {
                int tmp;
                tmp=species.genes[left];
                species.genes[left]=species.genes[right];
                species.genes[right]=tmp;

                left++;
                right--;
            }
        }
    }
}

结语

啊~累死了，遗传算法求解TSP的基本思想差不多就是这些啦。下一章将给出GeneticAlgorithm类的一个总控调用流程、遗传算法的一些常量参数定义及算法的实际运行效果。