Giải thuật di truyền được đề xuất bởi Holland trong những năm 1970, là một kỹ thuật của khoa học máy tính nhằm tìm kiếm giải pháp thích hợp cho lớp bài toán tối ưu tổ hợp.. Nội dung của
BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BAN HÀ BẰNG BAN HÀ BẰNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ÁP DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN GIẢI BÀI TOÁN CỰC TIỂU HOÁ ĐỘ TRỄ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 2006-2008 Hà Nội 11/2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204944651000000 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined MỤC LỤC Danh mục hình vẽ Error! Bookmark not defined Danh mục bảng Error! Bookmark not defined Danh mục thuật ngữ Error! Bookmark not defined LỜI NÓI ĐẦU Error! Bookmark not defined CHƯƠNG GIỚI THIỆU BÀI TOÁN Error! Bookmark not defined 1.1 Phát biểu toán Error! Bookmark not defined 1.2 Mơ hình đồ thị toán Error! Bookmark not defined 1.3 Các giải thuật giải toán Error! Bookmark not defined 1.4 Đề xuất hướng áp dụng giải thuật di truyền Error! Bookmark not defined 1.5 Nhiệm vụ luận văn Error! Bookmark not defined CHƯƠNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN Error! Bookmark not defined 2.1 Một số khái niệm sinh học Error! Bookmark not defined 2.1.1 Di truyền học Error! Bookmark not defined 2.1.2 Thuyết chọn lọc tự nhiên Error! Bookmark not defined 2.1.3 Độ thích nghi khung cảnh thích nghi Error! Bookmark not defined 2.2 Các vấn đề giải thuật di truyền Error! Bookmark not defined 2.2.1 Cấu trúc giải thuật di truyền Error! Bookmark not defined 2.2.3 Các kỹ thuật biểu diễn Error! Bookmark not defined 2.2.4 Phép toán di truyền Error! Bookmark not defined 2.2.5 Các tham số giải thuật di truyền Error! Bookmark not defined 2.2.6 Phương pháp lựa chọn Error! Bookmark not defined 2.3 Cơ sở lý thuyết giải thuật di truyền Error! Bookmark not defined 2.3.1 Thuộc tính lược đồ Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phép toán di truyền Error! Bookmark not defined 2.3.5 Điều kiện dừng giải thuật Error! Bookmark not defined 2.3.6 Sự hội tụ giải thuật Error! Bookmark not defined 2.4 Giải thuật di truyền kết hợp Error! Bookmark not defined 2.4.1 Giải thuật tìm kiếm địa phương Error! Bookmark not defined 2.4.1.1 Giải thuật 2-opt Error! Bookmark not defined 2.4.1.2 Giải thuật 3-opt Error! Bookmark not defined 2.4.1.3 Giải thuật luyện kim Error! Bookmark not defined 2.4.2 Kết hợp hai giải thuật Error! Bookmark not defined CHƯƠNG THIẾT KẾ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN Error! Bookmark not defined CHO BÀI TOÁN CỰC TIỂU HOÁ ĐỘ TRỄ Error! Bookmark not defined 3.1 Kỹ thuật biểu diễn Error! Bookmark not defined 3.1.1 Kỹ thuật biểu diễn nhị phân Error! Bookmark not defined 3.1.2 Kỹ thuật biểu diễn liền kề Error! Bookmark not defined 3.1.3 Kỹ thuật biểu diễn thứ tự Error! Bookmark not defined 3.1.4 Kỹ thuật biểu diễn đường Error! Bookmark not defined 3.2 Phép toán di truyền Error! Bookmark not defined 3.2.1 Phép toán lai ghép Error! Bookmark not defined 3.2.2 Phép toán đột biến Error! Bookmark not defined 3.3 Phương pháp lựa chọn Error! Bookmark not defined 3.4 Các tham số Error! Bookmark not defined 3.5 Điều kiện dừng giải thuật Error! Bookmark not defined 3.6 Giải thuật di truyền kết hợp Error! Bookmark not defined 3.7 Một số đánh giá ban đầu Error! Bookmark not defined 3.7.1 Xác suất lai ghép Error! Bookmark not defined 3.7.2 Xác suất đột biến Error! Bookmark not defined 3.7.3 Toán tử di truyền Error! Bookmark not defined 3.7.4 Kích thước nhóm Error! Bookmark not defined 3.7.5 Kích thước quần thể Error! Bookmark not defined 3.7.6 Giải thuật di truyền kết hợp Error! Bookmark not defined CHƯƠNG TÍNH TỐN THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 4.1 Mục đích thực nghiệm Error! Bookmark not defined 4.1.1 Giải thuật GA Error! Bookmark not defined 4.1.2 Giải thuật LS Error! Bookmark not defined 4.1.3 Giải thuật GAH Error! Bookmark not defined 4.2 Thiết kế xây dựng chương trình Error! Bookmark not defined 4.2.1 Thiết kế chương trình Error! Bookmark not defined 4.2.2 Xây dựng chương trình Error! Bookmark not defined 4.3 Hướng dẫn sử dụng Error! Bookmark not defined 4.4 Mô tả liệu thực nghiệm Error! Bookmark not defined 4.5 Kết thực nghiệm Error! Bookmark not defined 4.5.1 Thực nghiệm lựa chọn tham số Error! Bookmark not defined 4.5.2 Thực nghiệm với liệu TSPLIB95 Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined Phụ lục 1: Các bảng thực nghiệm Error! Bookmark not defined Phụ lục 2: Mô tả nội dung đĩa CD kèm theo Error! Bookmark not defined -1- LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận Văn Tốt nghiệp Cao Học giai đoạn 2006-2008, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đức Nghĩa trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ em trình nghiên cứu Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô Khoa Công Nghệ Thông Tin, thầy cô trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội truyền thụ kiến thức bổ ích q trình em học tập nghiên cứu trường Em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè giúp đỡ động viên em trình học tập hoàn thành Luận Văn Tốt nghiệp lần Mặc dù có nhiều cố gắng thời thời gian kiến thức hạn chế nên luận văn cịn có nhiều thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp q báu từ thầy, bạn Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2008 Học viên thực hiện: Ban Hà Bằng -2- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cao học kết nghiên cứu suốt năm qua, không chép nguyên si từ cơng trình nghiên cứu Những kiến thức tham khảo để hồn thành luận văn, tơi thích cẩn thận mục tài liệu tham khảo -3- MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC Danh mục hình vẽ .6 Danh mục bảng Danh mục thuật ngữ 12 LỜI NÓI ĐẦU 13 CHƯƠNG GIỚI THIỆU BÀI TOÁN 15 1.1 Phát biểu toán 15 1.2 Mơ hình đồ thị toán .16 1.3 Các giải thuật giải toán 18 1.4 Đề xuất hướng áp dụng giải thuật di truyền 19 1.5 Nhiệm vụ luận văn 21 CHƯƠNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 23 2.1 Một số khái niệm sinh học 23 2.1.1 Di truyền học 23 2.1.2 Thuyết chọn lọc tự nhiên 24 2.1.3 Độ thích nghi khung cảnh thích nghi .25 2.2 Các vấn đề giải thuật di truyền .27 2.2.1 Cấu trúc giải thuật di truyền .27 2.2.3 Các kỹ thuật biểu diễn .28 2.2.4 Phép toán di truyền 30 2.2.5 Các tham số giải thuật di truyền 32 2.2.6 Phương pháp lựa chọn 32 2.3 Cơ sở lý thuyết giải thuật di truyền .34 2.3.1 Thuộc tính lược đồ 34 2.3.2 Phép toán di truyền 35 2.3.5 Điều kiện dừng giải thuật 38 2.3.6 Sự hội tụ giải thuật 39 2.4 Giải thuật di truyền kết hợp .39 2.4.1 Giải thuật tìm kiếm địa phương 39 2.4.1.1 Giải thuật 2-opt 41 -42.4.1.2 Giải thuật 3-opt 41 2.4.1.3 Giải thuật luyện kim 42 2.4.2 Kết hợp hai giải thuật 45 CHƯƠNG THIẾT KẾ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 48 CHO BÀI TOÁN CỰC TIỂU HOÁ ĐỘ TRỄ 48 3.1 Kỹ thuật biểu diễn 48 3.1.1 Kỹ thuật biểu diễn nhị phân 48 3.1.2 Kỹ thuật biểu diễn liền kề 49 3.1.3 Kỹ thuật biểu diễn thứ tự 50 3.1.4 Kỹ thuật biểu diễn đường .51 3.2 Phép toán di truyền 52 3.2.1 Phép toán lai ghép .52 3.2.2 Phép toán đột biến .58 3.3 Phương pháp lựa chọn 60 3.4 Các tham số 61 3.5 Điều kiện dừng giải thuật 62 3.6 Giải thuật di truyền kết hợp .62 3.7 Một số đánh giá ban đầu 63 3.7.1 Xác suất lai ghép 63 3.7.2 Xác suất đột biến .64 3.7.3 Toán tử di truyền 64 3.7.4 Kích thước nhóm .65 3.7.5 Kích thước quần thể 65 3.7.6 Giải thuật di truyền kết hợp 65 CHƯƠNG TÍNH TỐN THỰC NGHIỆM 68 4.1 Mục đích thực nghiệm .68 4.1.1 Giải thuật GA 68 4.1.2 Giải thuật LS 75 4.1.3 Giải thuật GAH 78 4.2 Thiết kế xây dựng chương trình 80 4.2.1 Thiết kế chương trình .80 4.2.2 Xây dựng chương trình 82 4.3 Hướng dẫn sử dụng 84 4.4 Mô tả liệu thực nghiệm .91 -54.5 Kết thực nghiệm 95 4.5.1 Thực nghiệm lựa chọn tham số 95 4.5.2 Thực nghiệm với liệu TSPLIB95 112 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO .119 Phụ lục 1: Các bảng thực nghiệm .121 Phụ lục 2: Mô tả nội dung đĩa CD kèm theo 139 -6- Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Đường tối ưu MLP file liệu Berlin 52 17 Hình 1.2 Đường tối ưu TSP file liệu Berlin 52 17 Hình 2.1 Cấu trúc nhiễm sắc thể 24 Hình 2.2 Khung cảnh thích nghi quần 26 Hình 2.3 Q trình tiến hố độ thích nghi quần thể 26 Hình 2.4 Các bước giải thuật di truyền 28 Hình 2.5 Mô tả kỹ thuật biểu diễn 30 Hình 2.6 Minh hoạ phép toán di truyền 31 Hình 2.7 Hình vẽ mô tả hội tụ giải thuật di truyền 39 Hình 2.8 Hình minh hoạ bước giải thuật tìm kiếm địa phương 40 Hình 2.9 Mơ tả cách thức tìm kiếm giải thuật tìm kiếm địa phương 40 Hình 2.10 Giải thuật tìm kiếm địa phương 2-opt 41 Hình 2.11 Giải thuật tìm kiếm địa phương 3-opt 42 Hình 2.12 Hình mơ tả giải thuật kết hợp 45 Hình 3.1 Mơ tả phép tốn PMX 53 Hình 3.2 Mơ tả phép tốn CX 54 Hình 3.3 Mơ tả phép tốn CX 56 Hình 3.4 Mơ tả phép toán DM 58 Hình 3.4 Mơ tả phép toán ISM 59 Hình 3.5 Mơ tả phép toán SIM 59 Hình 3.7 Mơ tả phép tốn SM 60 Hình 4.1 Lược đồ mơ tả bước giải thuật GA 69 Hình 4.2 Lược đồ mơ tả bước xây dựng quần thể ban đầu 70 Hình 4.3 Lược đồ mơ tả bước lựa chọn tournament 71 Hình 4.4 Lược đồ mơ tả bước thực tốn tử OX2 72 Hình 4.5 Lược đồ mơ tả bước thực tốn tử POS 73 Hình 4.6 Lược đồ mơ tả bước thực tốn tử đột biến DM 74 Hình 4.7 Lược đồ mô tả bước thay cá thể có tổng độ trễ cao 74 Hình 4.8 Lược đồ mơ tả bước tạo lời giải ban đầu S 75