FOLIA POMERANAE UNIVERSITATIS TECHNOLOGIAE STETINENSIS Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin. 2009, Oeconomica 275 (57), 53 58

Podobne dokumenty
FOLIA POMERANAE UNIVERSITATIS TECHNOLOGIAE STETINENSIS Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin. 2011, Oeconomica 285 (62), 45 50

FOLIA POMERANAE UNIVERSITATIS TECHNOLOGIAE STETINENSIS Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin. 2010, Oeconomica 282 (60), 71 76

FOLIA POMERANAE UNIVERSITATIS TECHNOLOGIAE STETINENSIS Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin., Oeconomica 2017, 337(88)3, 5 12

Algorytm genetyczny (genetic algorithm)-

Algorytmy genetyczne. Materiały do laboratorium PSI. Studia stacjonarne i niestacjonarne

Algorytmy genetyczne. Materiały do laboratorium PSI. Studia niestacjonarne

Algorytmy genetyczne

6. Klasyczny algorytm genetyczny. 1

Algorytm Genetyczny. zastosowanie do procesów rozmieszczenia stacji raportujących w sieciach komórkowych

SCHEMAT ROZWIĄZANIA ZADANIA OPTYMALIZACJI PRZY POMOCY ALGORYTMU GENETYCZNEGO

Algorytmy genetyczne

ALGORYTMY GENETYCZNE ćwiczenia

Algorytmy ewolucyjne NAZEWNICTWO

FOLIA POMERANAE UNIVERSITATIS TECHNOLOGIAE STETINENSIS Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin. 2010, Oeconomica 280 (59), 53 58

Algorytmy ewolucyjne - algorytmy genetyczne. I. Karcz-Dulęba

Zadanie 5 - Algorytmy genetyczne (optymalizacja)

Algorytmy ewolucyjne. Łukasz Przybyłek Studenckie Koło Naukowe BRAINS

Katedra Informatyki Stosowanej. Algorytmy ewolucyjne. Inteligencja obliczeniowa

PLAN WYKŁADU OPTYMALIZACJA GLOBALNA OPERATOR KRZYŻOWANIA ETAPY KRZYŻOWANIA

Algorytmy genetyczne. Dariusz Banasiak. Katedra Informatyki Technicznej Wydział Elektroniki

Rozwiązanie problemu komiwojażera przy użyciu algorytmu genetycznego 2

LABORATORIUM 4: Algorytmy ewolucyjne cz. 2 wpływ operatorów krzyżowania i mutacji na skuteczność poszukiwań AE

Algorytm hybrydowy dla alokacji portfela inwestycyjnego przy ograniczonych zasobach

Algorytmy genetyczne. Paweł Cieśla. 8 stycznia 2009

Generowanie i optymalizacja harmonogramu za pomoca

Odkrywanie algorytmów kwantowych za pomocą programowania genetycznego

Gospodarcze zastosowania algorytmów genetycznych

ZASTOSOWANIE ALGORYTMU KOEWOLUCYJNEGO DO STEROWANIA PALNIKIEM ENERGETYCZNYM CONTROLLING POWER BURNER USING COEVOLUTIONARY ALGORITHM

Obliczenia ewolucyjne - plan wykładu

Dobór parametrów algorytmu ewolucyjnego

Algorytmy stochastyczne, wykład 01 Podstawowy algorytm genetyczny

ALGORYTMY EWOLUCYJNE W OPTYMALIZACJI JEDNOKRYTERIALNEJ

Zadania laboratoryjne i projektowe - wersja β

Optymalizacja optymalizacji

Strefa pokrycia radiowego wokół stacji bazowych. Zasięg stacji bazowych Zazębianie się komórek

Strategie ewolucyjne. Gnypowicz Damian Staniszczak Łukasz Woźniak Marek

Podejście memetyczne do problemu DCVRP - wstępne wyniki. Adam Żychowski

Strategie ewolucyjne (ang. evolu4on strategies)

Metody Rozmyte i Algorytmy Ewolucyjne

ALGORYTM HYBRYDOWY W PROJEKTOWANIU FILTRÓW CYFROWYCH

PLAN WYKŁADU OPTYMALIZACJA GLOBALNA HISTORIA NA CZYM BAZUJĄ AG

IMPLIKACJE ZASTOSOWANIA KODOWANIA OPARTEGO NA LICZBACH CAŁKOWITYCH W ALGORYTMIE GENETYCZNYM

Modyfikacje i ulepszenia standardowego algorytmu genetycznego

Ewolucja Różnicowa Differential Evolution

Inspiracje soft computing. Soft computing. Terminy genetyczne i ich odpowiedniki w algorytmach genetycznych. Elementarny algorytm genetyczny

INTELIGENCJA OBLICZENIOWA. dr Katarzyna Grzesiak-Kopeć

KARTA MODUŁU KSZTAŁCENIA

METODY SZTUCZNEJ INTELIGENCJI algorytmy ewolucyjne

ALGORYTMY GENETYCZNE (wykład + ćwiczenia)

Algorytmy genetyczne w optymalizacji

TRANSCOMP XV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Przykład optymalizacji struktury sztucznej sieci neuronowej metodą algorytmów genetycznych

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Algorytmy ewolucyjne 1

Schemat programowania dynamicznego (ang. dynamic programming)

FORECASTING THE DISTRIBUTION OF AMOUNT OF UNEMPLOYED BY THE REGIONS

WAE Jarosław Arabas Pełny schemat algorytmu ewolucyjnego

LABORATORIUM 2: Wpływ wielkości populacji i liczby pokoleń na skuteczność poszukiwań AE. opracował: dr inż. Witold Beluch

LABORATORIUM 3: Wpływ operatorów krzyżowania na skuteczność poszukiwań AE

Metody przeszukiwania

Wstęp do Sztucznej Inteligencji

SZTUCZNA INTELIGENCJA

DOBÓR ŚRODKÓW TRANSPORTOWYCH DLA GOSPODARSTWA PRZY POMOCY PROGRAMU AGREGAT - 2

Co to jest algorytm? przepis prowadzący do rozwiązania zadania, problemu,

Wybrane podstawowe rodzaje algorytmów

Algorytmy memetyczne (hybrydowe algorytmy ewolucyjne)

BIOCYBERNETYKA ALGORYTMY GENETYCZNE I METODY EWOLUCYJNE. Adrian Horzyk. Akademia Górniczo-Hutnicza

Wyznaczanie optymalnej trasy problem komiwojażera

Systemy Inteligentnego Przetwarzania wykład 4: algorytmy genetyczne, logika rozmyta

OPTYMALIZACJA KSZTAŁTU WYKRESU WÖHLERA Z WYKORZYSTANIEM ALGORYTMÓW EWOLUCYJNYCH W UJĘCIU DIAGNOSTYCZNYM

Zastosowanie algorytmów genetycznych w prognozowaniu popytu

Standardowy algorytm genetyczny

ZASTOSOWANIE ALGORYTMÓW GENETYCZNYCH DO AUTOMATYCZNEGO GENEROWANIA PLANU ZAJĘĆ 10

Automatyczny dobór parametrów algorytmu genetycznego

Algorytmy ewolucyjne `

Program "FLiNN-GA" wersja 2.10.β

Programowanie genetyczne, gra SNAKE

FOLIA POMERANAE UNIVERSITATIS TECHNOLOGIAE STETINENSIS Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin. 2009, Oeconomica 273 (56), 83 90

Algorytmy stochastyczne, wykład 02 Algorytmy genetyczne

ZASTOSOWANIE ALGORYTMU GENETYCZNEGO DO WYZNACZANIA OPTYMALNYCH DECYZJI STERUJĄCYCH

Zadanie transportowe i problem komiwojażera. Tadeusz Trzaskalik

WSPÓŁCZYNNIK GOTOWOŚCI SYSTEMU LOKOMOTYW SPALINOWYCH SERII SM48

FOLIA POMERANAE UNIVERSITATIS TECHNOLOGIAE STETINENSIS Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin. 2009, Oeconomica 273 (56),

LABORATORIUM 7: Problem komiwojażera (TSP) cz. 2

Algorytmy ewolucyjne. wprowadzenie

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

6. Projektowanie składu chemicznego stali szybkotn cych o wymaganej twardo ci i odporno ci na p kanie

Równoważność algorytmów optymalizacji

Algorytmy ewolucyjne Część II

Algorytmy genetyczne

Metody Rozmyte i Algorytmy Ewolucyjne

Z-ZIP2-303z Zagadnienia optymalizacji Problems of optimization

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

SZTUCZNA INTELIGENCJA

Algorytmy genetyczne Michał Bereta Paweł Jarosz (część teoretyczna)

HARMONOGRAMOWANIE ROBÓT BUDOWLANYCH Z MINIMALIZACJĄ ŚREDNIEGO POZIOMU ZATRUDNIENIA

WYKORZYSTANIE SIECI NEURONOWEJ DO BADANIA WPŁYWU WYDOBYCIA NA SEJSMICZNOŚĆ W KOPALNIACH WĘGLA KAMIENNEGO. Stanisław Kowalik (Poland, Gliwice)

Techniki optymalizacji

Zaawansowane programowanie

ZASTOSOWANIE ALGORYTMU EWOLUCYJNEGO W REKONFIGURACJI SIECI DYSTRYBUCYJNEJ

Transkrypt:

FOLIA POMERANAE UNIVERSITATIS TECHNOLOGIAE STETINENSIS Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin. 2009, Oeconomica 275 (57), 53 58 Anna LANDOWSKA ROZWIĄZANIE PROBLEMU OPTYMALNEGO PRZYDZIAŁU ZA POMOCĄ KLASYCZNEGO ALGORYTMU GENETYCZNEGO SOLUTION OF THE OPTIMAL ALLOTMENT PROBLEM USING CLASSICAL GENETIC ALGORITHM Katedra Zastosowań Matematyki w Ekonomii, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie ul. K. Janickiego 31, 71-270 Szczecin Abstract. The article presents classical genetic algorithm applied to solving optimal allotment problem. It is shown, on the base of presented example, that genetic algorithm finds optimal solution very quickly. To obtain optimal solution for a given problem with the least number of iteration, it is very important problem in numerical calculation. Słowa kluczowe: algorytm genetyczny, metody optymalizacyjne, problem optymalnego przydziału. Key words: genetic algorithm, optimal allotment problem, optimization methods. WSTĘP Problem znalezienia optymalnego rozwiązania jest zagadnieniem, które ludzie od wielu lat rozwiązują, uzyskując róŝne wyniki. Istnieje wiele metod i technik znajdowania najlepszego rozwiązania. Metody te moŝemy podzielić na: metody analityczne, przeglądowe i losowe. Artykuł ten przedstawia zastosowanie metody losowej, która pozwala znaleźć rozwiązanie problemu optymalnego przydziału. Algorytmy ewolucyjne są metodą, w której losowy wybór rozwiązania wspomaga przeszukanie całej przestrzeni rozwiązań. Podkreślmy jednak, Ŝe metody losowe zaczynają być doceniane w momencie, gdy jest trudne lub gdy jest niemoŝliwe znalezienie rozwiązania za pomocą metod analitycznych lub przeglądowych. Algorytmy genetyczne nie dają stuprocentowej pewności znalezienia rozwiązania optymalnego. Artykuł przedstawia rozwiązanie problemu optymalnego przydziału za pomocą klasycznego algorytmu genetycznego. W pierwszej części przedstawiono etapy podstawowego algorytmu genetycznego, następnie rozwiązano problem optymalnego przydziału i sformułowano wnioski końcowe. KLASYCZNY ALGORYTM GENETYCZNY Algorytmy ewolucyjne polegają na naśladowaniu natury. W świecie rzeczywistym organizmy charakteryzują się określonymi cechami oraz specyficznym materiałem genetycznym, który podczas reprodukcji zostaje przekazywany nowym pokoleniom. Materiał ten w trakcie przekazywania cech podlega krzyŝowaniu z materiałem innego osobnika, jak równieŝ moŝe podlegać mutacji, chociaŝ mutacja w przyrodzie występuje bardzo rzadko.

54 A. Landowska W celu znalezienia optymalnego rozwiązania za pomocą algorytmów genetycznych wybierano populację początkową chromosomów. Liczba osobników w populacji początkowej jest bardzo waŝna zbyt mała moŝe powodować zatrzymanie się algorytmu w pewnym minimum lokalnym, natomiast zbyt duŝa moŝe powodować spowolnienie działania metody. Wylosowana populacja początkowa podlega ocenie przystosowania (obliczenie wartości funkcji celu). Następnie dokonywana jest selekcja, co oznacza, Ŝe z otrzymanej populacji wybierane są osobniki o najlepszej wartości funkcji przystosowania. Istnieje wiele metod selekcji, np. koło ruletki, ranking liniowy, turniej. Wyselekcjonowana populacja podlega działaniu operatorów genetycznych, krzyŝowaniu i mutacji w zaleŝności od załoŝonego prawdopodobieństwa. W kaŝdej iteracji wybierany jest najlepiej przystosowany osobnik, czyli rozwiązanie, które ma minimalną wartość funkcji przystosowania. W taki sposób przeszukiwana jest przestrzeń rozwiązań problemu i zapamiętywane jest najlepsze rozwiązanie. Na podstawowy algorytm genetyczny składają się następujące kroki (rys. 1): inicjacja; ocena przystosowania chromosomów w populacji, wyznaczenie wartości funkcji celu (funkcji przystosowania) dla danej populacji początkowej; sprawdzenie warunku zatrzymania; selekcja chromosomów; zastosowanie operatorów genetycznych (np. krzyŝowania i mutacji); utworzenie nowej populacji; zapamiętanie najlepszego chromosomu. Start Inicjacja wybór początkowej populacji chromosomów Ocena przystosowania chromosomów w populacji Nie Warunek zatrzymania Tak Selekcja chromosomów Zastosowanie operatorów genetycznych (krzyŝowania, mutacji) Wyprowadzenie najlepszego chromosomu Stop Utworzenie nowej populacji Rys. 1. Schemat blokowy algorytmu genetycznego Źródło: Rutkowski (2005).

PROBLEM OPTYMALEGO PRZYDZIAŁU Rozwiązanie problemu optymalnego... 55 Problem optymalnego przydziału (Optimal Allotment Problem) polega na podjęciu decyzji, w jaki sposób dostarczyć daną ilość surowca przy jak najniŝszym koszcie do odbiorców. W dalszej części artykułu zostanie przedstawiony problem optymalnego przydziału w postaci wyboru przewoźników pewnego surowca. Usługa przewozu jest obarczona kosztem, natomiast koszt jest uzaleŝniony od tonaŝu surowca (przewoźnicy oferują róŝne ceny). Kopalnia chce dostarczyć 15 t surowca do fabryki. Obecnie na rynku znajduje się trzech przewoźników. KaŜdy z nich proponuje koszt przewozu uzaleŝniony od tonaŝu surowca (tab. 1). Na przykład przewoźnik 1 przewiezie 3 t towaru za kwotę 1400 zł, przewoźnik 2 przewiezie 3 t surowca za cenę 1500 zł itd. Kopalnia moŝe złoŝyć tylko po jednym zamówieniu u kaŝdego z przewoźników. Koszt przewozu towaru przez kaŝdego przewoźnika uzaleŝniony jest od wagi towaru. Problem polega na takim wyborze zamówienia, aby koszt przewozu był minimalny. Tabela 1. Problem transportowy Przewoźnik Waga towaru [t] 1 0 1 2 3 4 5 7 2 0 1 2 3 8 3 0 5 7 8 Koszt przewozu [zł] 000 0900 1400 1900 2400 2900 3300 0500 0800 1500 3000 3800 2500 2700 3000 3400 Prawidłowe rozwiązanie zadanego problemu to przewóz 5 t surowca przez przewoźnika 1, 2 t surowca przez przewoźnika 2 oraz 8 t surowca przez przewoźnika 3. Koszt tak zorganizowanego transportu jest najniŝszy wynosi 00 zł. MATERIAŁ I METODY Opisany w poprzednim rozdziale problem optymalnego przydziału zostanie rozwiązany za pomocą metody heurystycznej klasycznego algorytmu genetycznego. Przyjmijmy następujące załoŝenia dla klasycznego algorytmu genetycznego. Do populacji startowej losowo wybrano 20 chromosomów, czyli 20 losowych kombinacji przewozu towaru przez trzech przewoźników, równieŝ te, które nie dają w sumie wagi surowca równej 15 t (tab. 2).

5 A. Landowska Tabela 2. Wybrana w sposób losowy przykładowa populacja startowa Lp. Przewoźnik 1 [t] Przewoźnik 2 [t] Przewoźnik 3 [t] 01 5 1 3 02 4 1 5 03 5 2 2 04 1 1 05 3 0 5 3 2 07 1 1 08 8 5 4 09 1 4 10 2 4 3 11 7 5 5 12 3 3 1 13 1 4 14 5 2 5 15 8 3 4 1 4 1 3 17 2 4 18 3 5 19 7 3 20 4 1 3 Źródło: dane otrzymane przez autora w trakcie eksperymentu. W celu znalezienia optymalnego rozwiązania uŝyto metody selekcji turniejowej dla rozmiaru podgrup równej 5. Zatem wybrano losowo grupy po 5 osobników (kombinacje przewozu towaru) tylko osobnik o najlepszej funkcji przystosowania bierze udział w kolejnych etapach algorytmu. Zastosowano krzyŝowanie jednopunktowe, testując metodę przy róŝnej wartości prawdopodobieństwa krzyŝowania: 0,5, 0,8 i 0,95. Dla dwóch chromosomów, które mają zostać poddane krzyŝowaniu, losowany jest gen, który został wymieniony. W związku z tym, Ŝe mutacja występuje w przyrodzie rzadko, przyjęto następujące prawdopodobieństwa mutacji 0, 0,1 i 0,2. Operację tę wykonano poprzez zwiększenie wartości genu o 1. W taki sposób powstanie nowa populacja chromosomów, która będzie brała udział w kolejnej iteracji algorytmu. ZauwaŜmy, Ŝe populacja ta została utworzona z najlepiej przystosowanych osobników populacji startowej. Populacja potomków pochodzi od osobników o najlepszych genach, czyli tych, które są najbliŝsze rozwiązania optymalnego. Kolejne iteracje algorytmu genetycznego będą przebiegały przy tych samych załoŝeniach jak iteracja opisana wyŝej. Algorytm będzie wykonywał kolejne pętle tak długo, aŝ zostanie spełniony warunek zatrzymania. Określenie warunku zatrzymania algorytmu genetycznego zaleŝy od konkretnego zastosowania tego algorytmu. Jako warunek zatrzymania przyjęto ilość iteracji, po których wykonaniu mają zostać zakończone obliczenia. Po spełnieniu warunku zatrzymania następuje ostatni krok, czyli wyprowadzenie najlepszego chromosomu. WYNIKI W celu sprawdzenia przedstawionej metody wykonano w kaŝdym przypadku po 10 testów, przyjmując w kaŝdym z nich jako maksymalną liczbę iteracji 1000 (tab. 3).

Rozwiązanie problemu optymalnego... 57 Tabela 3. Wyniki testów algorytmu genetycznego, w zaleŝności od wartości prawdopodobieństwa wystąpienia krzyŝowania i mutacji, dla określonego zadania optymalizacji Lp. Prawdopodobieństwo krzyŝowania Prawdopodobieństwo mutacji Średnia liczba iteracji dla prawidłowych rozwiązań Procent prawidłowych rozwiązań 1 0,50 0,1 198 040 2 0,80 0,1 134 080 3 0,95 0,1 188 090 4 0,95 0,0 055 030 5 0,95 0,2 020 100 Źródło: dane otrzymane z przeprowadzonych przez autora, w trakcie badania metody, eksperymentów. Z otrzymanych testów wynika, Ŝe algorytm genetyczny daje poprawne rozwiązanie problemu dotyczącego optymalizacji. Widzimy równieŝ, Ŝe im większa jest wartość prawdopodobieństwa zastosowania operatorów genetycznych, tym większe jest prawdopodobieństwo otrzymania poprawnego wyniku w jak najmniejszej liczbie iteracji. Wynika to z tego, Ŝe podczas działania algorytmu chromosomy są częściej ze sobą krzyŝowane i mutowane, co powoduje szybsze przeszukiwanie przestrzeni moŝliwych rozwiązań. PODSUMOWANIE Artykuł przedstawia zastosowanie algorytmu genetycznego do rozwiązania problemu optymalnego przydziału. Metoda ta daje poprawne wyniki. Szybkość znalezienia i dokładność rozwiązania zaleŝy od przyjętej wartości prawdopodobieństwa zastosowania operatorów genetycznych (krzyŝowania, mutacji). PIŚMIENNICTWO Goldberg D.E. 1998. Algorytmy genetyczne i ich zastosowania. Warszawa, Wyd. Naukowo- -Techniczne. Rutkowska D., Piliński M., Rutkowski L. 1997. Sieci neuronowe, algorytmy genetyczne i systemy rozmyte. Warszawa, Wyd. Naukowe PWN. Michalewicz Z. 199. Algorytmy genetyczne + struktury danych = programy ewolucyjne. Warszawa, Wyd. Naukowo-Techniczne. Rutkowski L. 2005. Metody i techniki sztucznej inteligencji. Warszawa, Wyd. Naukowe PWN. Findeisen W., Szymanowski J., Wierzbicki A. 1972. Teoria i metody obliczeniowe optymalizacji. Warszawa, PWN. Kowalik S. 2004. Nowoczesne metody optymalizacyjne w zastosowaniach górniczych i ekonomicznych. Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Lew A., Mauch H. 2007. Dynamic Programming. Berlin Heidelberg, Springer Verlag.