遗传算法-交叉算法

遗传算法系列 (3) 交叉算法
基因交叉,或者基因重组,就是把两个父体部分结构加以替换,生成新的个体的操作,习惯上对实数编码的操作叫做重组(Recombination),对二进制编码的操作称为交叉(crossover)。

比较常用的一些算法介绍如下:

1. 
重组算法
(Recombination)

 实值重组产生子个体一般是用下边这个算法:

 子个体=父个体1 + a × ( 父个体2 – 父个体1 )

这里a是一个比例因子,可以由[ -d, 1+d] 上边服从均匀分布的随机数产生。

不同的重组算法,a的取值是不同的,一般来讲,d=0.25是一个比较好的选择。

下边一段c++代码片断,实现一个中值重组算法,其中d取值为0。

 1 
/*


 2 
Gene Crossover Algorithm 

 3 
Linear Recombination Xover Algorithm

 4 


 5 
A crossover operator that linearly combines two parent

 6 
chromosome vectors to produce two new offspring a

 7 
ccording to the following equations:

 8 


 9 
Offspring1 = a * Parent1 + (1- a) * Parent2

10 
Offspring2 = (1 – a) * Parent1 + a * Parent2

11 


12 


13 
where a is a random weighting factor (chosen before each

14 
crossover operation).

15 


16 
Consider the following 2 parents (each consisting of 4

17 
float genes) which have been selected for crossover:

18 


19 
Parent 1: (0.3)(1.4)(0.2)(7.4)

20 
Parent 2: (0.5)(4.5)(0.1)(5.6)

21 


22 
If a = 0.7, the following two offspring would be produced:

23 


24 
Offspring1: (0.36)(2.33)(0.17)(6.86)

25 
Offspring2: (0.402)(2.981)(0.149)(6.842)

26 

*/


27 
template
<
 
class
 GENE 
>


28 

class
 Intermediate_Recombination_Gene_Crossover_Algorithm

29 
{

30 
    
public
:

31 
            
void
 
operator
()( GENE
&
 g1, GENE
&
 g2 )
const


32 
            {

33 
                assert( g1.Upper 
==
 g2.Upper );

34 
                assert( g1.Lower 
==
 g2.Lower );

35 


36 
                
const
 
long
 
double
 Ran 
=
 ran();

37 
                
const
 
long
 
double
 sum 
=
 g1.Value 
+
 g2.Value;

38 


39 
                
if
 ( sum 
<
 g1.Upper )

40 
                {

41 
                    g1.Value 
=
 Ran 
*
 sum;

42 
                    g2.Value 
=
 sum 

 g1.Value;

43 
                }

44 
                
else


45 
                {

46 
                    
const
 
long
 
double
 sub 
=
 
2
.
0L
 
*
 g1.Upper 

 sum;

47 
                    g1.Value 
=
 g1.Upper 

 sub 
*
 Ran;

48 
                    g2.Value 
=
 g1.Upper 

 sub 
+
 sub 
*
 Ran;

49 
                }

50 
            }

51 
};

2.  交叉算法
如上文遗传算法中的数据结构中所讲,基因的二进制编码有直接编码(Normal)和Gray编码之分,以下所说算法,均适用于这两种算法。

假设基因的二进制编码长度为N,那么这些编码之间有N-1个空隙,可供交叉使用。
二进制交叉算法就是
如何选择空隙,选择多少个空隙。
以下将各走极端的选择一个空隙交叉的单点交叉算法,和选择N-1个空隙进行交叉的洗牌交叉算法大致说一下。


(1) 单点交叉
在二进制编码中,随机选择一个点,以这个点为界限,相互交换变量。
如 
父个体1      011111110000000000 
父个体2      000000001111111111
如粗体前边位置为所选择的交叉点,那么生成的子个体为:
子个体1      011111111111111111
子个体2      000000000000000000
以下为c++实现,采用Gray编码,直接编码的类似。

 1 
/*


 2 
Gene crossover algorithm

 3 
One Point Crossover using Gray binary encoding

 4 


 5 
A crossover operator that randomly selects a crossover point

 6 
within a chromosome then interchanges the two parent chromosomes

 7 
at this point to produce two new offspring.

 8 


 9 
Consider the following 2 parents which have been selected for

10 
crossover. The “|” symbol indicates the randomly chosen

11 
crossover point.

12 


13 
Parent 1: 11001|010

14 
Parent 2: 00100|111

15 


16 
After interchanging the parent chromosomes at the crossover

17 
point, the following offspring are produced:

18 


19 
Offspring1: 11001|111

20 
Offspring2: 00100|010

21 

*/

22 template< 
class GENE >

23 
class Gray_Binary_Single_Point_Xover_Gene_Crossover_Algorithm

24 {

25     
public:

26             
void 
operator()( GENE& g1, GENE& g2 )
const

27             {

28                 encoding( g1 );

29                 encoding( g2 );

30                 assert( g1.Binary_Array.size() == g2.Binary_Array.size() );

31 

32                 normal2gray( g1 );

33                 normal2gray( g2 );

34 

35                 
const unsigned 
int Pos = static_cast<unsigned 
int>

36                                 ( g1.Binary_Array.size() * ran() );

37 

38                 
for ( unsigned 
int i = 0; i < Pos; ++i )

39                 {

40                     
if ( g1.Binary_Array[i] xor g2.Binary_Array[i] )

41                     {

42                         
if ( g1.Binary_Array[i] )

43                             {

44                                 g1.Binary_Array[i] = 0;

45                                 g2.Binary_Array[i] = 1;

46                             }

47                             
else

48                             {

49                                 g1.Binary_Array[i] = 1;

50                                 g2.Binary_Array[i] = 0;

51                             }

52                     }

53                 }

54 

55                 gray2normal( g1 );

56                 gray2normal( g1 );

57                 decoding( g1 );

58                 decoding( g2 );

59             }

60 };

61 

62 

63 

(2)洗牌交叉

洗牌交叉就是,将一个父基因取一半,再上来自另外一个父基因的一半,构成一个新的子基因。

算法代码如下:

 1 template< 
class GENE >

 2 
class Gray_Binary_Shuffle_Xover_Gene_Crossover_Algorithm

 3 {

 4     
public:

 5             
void 
operator()( GENE& g1, GENE& g2 )
const

 6             {

 7                 encoding( g1 );

 8                 encoding( g2 );

 9                 assert( g1.Binary_Array.size() == g2.Binary_Array.size() );

10 

11                 normal2gray( g1 );

12                 normal2gray( g2 );

13 

14                 
const unsigned 
int Size = g1.Binary_Array.size();

15 

16                 
for ( unsigned 
int i = 0; i < Size; ++i )

17                 {

18                     
if ( ( i & 1) &&

19                          ( g1.Binary_Array[i] xor g2.Binary_Array[i] )

20                         )

21                     {

22                         
if ( g1.Binary_Array[i] )

23                             {

24                                 g1.Binary_Array[i] = 0;

25                                 g2.Binary_Array[i] = 1;

26                             }

27                             
else

28                             {

29                                 g1.Binary_Array[i] = 1;

30                                 g2.Binary_Array[i] = 0;

31                             }

32                     }

33                 }

34 

35                 gray2normal( g1 );

36                 gray2normal( g1 );

37                 decoding( g1 );

38                 decoding( g2 );

39             }

40 };

41 

42 

3.  
另外的一些代码 

(1)群体中的交叉算法

将经过选择考验的个体放入一个群体,当放入的个体数量达到要求后,对里边的个体进行两两交叉。

 1 
//
Population Crossover Algorithm

 2 

//
1. get the number of Chromosomes in the Population

 3 

//
2. get the number of Gens in a Chromosome

 4 

//
3. generate a random number

 5 

//
4. if the random number is bigger than the probability, skip

 6 

//
5. if the selected two genes are of the same value, skip

 7 

//
6. crossover the two genes using the selected Gene crossover algorithm


 8 
template< 
class POPULATION, 
class GENE_CROSSOVER_ALGORITHM >

 9 
class Population_Crossover_Algorithm

10 {

11     
public:

12         
void 
operator()( POPULATION& population ) 
const

13         {

14             
//
1


15 
            
const unsigned 
int C_Size = population.Chromosome_Array.size();

16             assert( C_Size > 1 );

17 

18             
//
2


19 
            
const unsigned 
int G_Size = population.Chromosome_Array[0].Gene_Array.size();

20 

21             
for ( unsigned 
int i = 0; i < C_Size / 2; ++i )

22             {

23                 
for( unsigned 
int j = 0; j < G_Size; ++j )

24                 {

25                     
//
3


26 
                    
const 
long 
double Ran = ran();

27                     
//
4


28 
                    
if ( Ran > population.Crossover_Probability )

29                         
continue ;

30                     
//
5


31 
                    
if ( population.Chromosome_Array[i].Gene_Array[j].Value ==

32                          population.Chromosome_Array[C_Size-i-1].Gene_Array[j].Value

33                         )

34                         
continue;

35                     
//
6


36 
                    crossover(

37                             population.Chromosome_Array[i].Gene_Array[j],

38                             population.Chromosome_Array[C_Size-i-1].Gene_Array[j],

39                             GENE_CROSSOVER_ALGORITHM()

40                                 );

41                 }

42             }

43         }

44 };

(2) 交叉函数定义

种群的交叉只涉及一个交叉主体,而基因/个体的交叉涉及两个交叉主体,定义如下:

 1 
//
Population crossover only


 2 

template
<
class
 POPULATION, 
class
 ALGORITHM
>


 3 

void
 crossover( POPULATION
&
 p,          
//
the Population to perform crossover


 4 

                
const
 ALGORITHM
&
 a )    
//
the Algorithm used for the crossover


 5 

{

 6 
    assert( p.Chromosome_Array.size() 
>
 
1
 );

 7 
    a( p );

 8 
}

 9 


10 


11 

//
gene crossover algorithm


12 

template
<
class
 GENE, 
class
 ALGORITHM
>


13 

static
 
void
 crossover(  GENE 
&
g1,               
//
Gene1 to perform crossvoer


14 

                        GENE 
&
g2,               
//
Gene2 to perform crossvoer


15 

                        
const
 ALGORITHM
&
 a )    
//
the Algorithm employed


16 

{

17 
    a( g1, g2 );

18 
}

19 

    原文作者:遗传算法
    原文地址: https://blog.csdn.net/u011001084/article/details/49449981
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