Tính toán tiến hóa và ứng dụng đối với mô hình tối ưu đa mục tiêu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LÊ NGỌC HÀ TÍNH TOÁN TIẾN HÓA VÀ ỨNG DỤNG ĐỐI VỚI MÔ HÌNH TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên – 2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LÊ NGỌC HÀ TÍNH TOÁN TIẾN HÓA VÀ ỨNG DỤNG ĐỐI VỚI MÔ HÌNH TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU Ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8 48 0101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Vũ Vinh Quang TS Bùi Thị Thanh Xuân Thái Nguyên - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Lê Ngọc Hà, học viên lớp cao học K20A-Khoa học máy tính – Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên Tôi xin cam đoan đề tài “Tính toán tiến hóa và ứng dụng đối với mô hình tối ưu đa mục tiêu” do Thầy Cô TS Vũ Vinh Quang và TS Bùi Thị Thanh Xuân hướng dẫn, là công trình nghiên cứu do bản than tôi thực hiện, dựa trên sự hướng dẫn của Thầy Cô hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình Thái Nguyên, ngày tháng 8 năm 2023 Học viên Lê Ngọc Hà 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu, tôi luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ của: Thầy Cô giáo hướng dẫn trực tiếp TS Vũ Vinh Quang và TS Bùi Thị Thanh Xuân, đã giúp đỡ tận tình về phương hướng và phương pháp nghiên cứu cũng như hoàn thiện luận văn Các thầy, cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái nguyên đã tạo điều kiện về thời gian, địa điểm nghiên cứu, phương tiện vật chất cho tác giả Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất cả những sự giúp đỡ quý báu đó Thái Nguyên, ngày tháng 8 năm 2023 Học viên Lê Ngọc Hà 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………….……….…… 2 LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………… ……3 MỤC LỤC………………………………………………………………………… …….4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT……………………………………………………….6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………………………….….…… 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ………………………………………………….…………7 Phần mở đầu………………………………………………………………………………8 Chương 1 MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ BÀI TOÁN TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU 9 1.1 Mô hình bài toán tối ưu 1 tiêu……………………………………………………… 9 1.2 Mô hình bài toán tối ưu đa mục tiêu……………………………………………… 13 1.3 Một số mô hình tối ưu đa mục tiêu trong thực tế……………………………….… 14 1.4 Một số phương pháp đưa về bài toán một mục tiêu…………… ………….……….18 Kết luận ……………………… ………………………….…………………….………24 Chương 2 CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ TÍNH TOÁN TIẾN HÓA……….….….…26 2.2 Đặt vấn đề……………………… ………………….……………………………….26 2.2 Các vấn đề cơ bản của giải thuật di truyền………………………………………… 27 2.3 Giải thuật di truyền kinh điển……………………………………………………… 31 2.4 Giải thuật di truyền mã hóa số thực RCGA………………… ………….………… 39 2.5 Một số mô hình tiến hóa……………………………….………….…………………44 2.6 Một số biến thể của GA……………………………………………….…………… 45 Kết luận…………………………………………….………………….…………………49 4 Chương 3 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN TỐI ƯU MÔ HÌNH BÀO CHẾ THUỐC VIÊN NÉN…………………………………………………………………….50 3.1 Tổng quan về bệnh đái tháo đường và một số loại thuốc………………… ……….50 3.2 Mô hình bào chế thuốc viên nén phóng thích kéo dài…………………………… 52 3.3 Đề xuất mô hình tối ưu hóa…………………………………………………………57 Kết luận…………………………………………………………………………………67 Tài liệu tham khảo……………………….……………………………….…………… 68 Phụ lục…………………………………………………………………….…………….69 5 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT TỪ VIẾT TẮT Ý NGHĨA Genetic Algorithm 1 GA Particle Swarm Optimization 2 PSO Giá trị lớn nhất Giá trị nhỏ nhất 3 MAX Nghiệm tối ưu Evolutionary Programming 4 MIN Evolutionary Strategies Genetic Programming 5 Xopt Classifier Systems Real Coded Genetic Algorithm 6 EP Center of Mass Crossover Multi-parent Feature-wise Crossover 7 ES Seed Crossover Minimal Generation Gap 8 GP Generalized Generation Gap Distance Dependent Alternation 9 CS Giải thuật mô phỏng tôi luyện Metformin hydroclorid 10 RCGA Công thức 11 CMX 12 MFX 13 SX 14 MGG 15 G3 16 DDA 17 SA 18 MH 10 CT 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Giá trị các tham số của bài toán……………………………………… …… 14 Bảng 2.1 Nghiệm tối ưu theo các lần chạy…………………………………… … … 36 Bảng 2.2: Nghiệm tối ưu theo các lần chạy…………………………………………….38 Bảng 3.1 Tiêu chuẩn quy định ……………………………………………… …….….52 Bảng 3.2 Tỉ lệ thành phần các nguyên liệu………………………………… ……… 53 Bảng 3.3: Thành phần công thức CT1-CT6 ……………………………… ………… 54 Bảng 3.4 Độ hòa tan CT1-CT6…………………………………………… ……….….54 Bảng 3.5: Thành phần công thức CT7-CT12……………………………………….… 55 Bảng 3.6 Độ hòa tan CT7-CT12……………………………………….……………….55 Bảng 3.7 Tiêu chuẩn tổng quát……………………………………………………… 56 Bảng 3.8 Tiêu chuẩn các nguyên liệu………………………………………………… 56 Bảng 3.9 Giá nguyên liệu và lượng lưu kho……………………………………… … 57 Bảng 3.10: Thành phần nguyên liệu……………………………………….………… 62 Bảng 3.11: Tiêu chuẩn theo quy định…………………………………….…………….62 Bảng 3.10 Giá thuốc và lượng sản phẩm tối ưu……………………………………… 63 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 3.1 So sánh thành phần nguyên liệu………………………………………… … 63 Hình 3.2 So sánh tiêu chuẩn các công thức……………… ………………………… 64 7 MỞ ĐẦU Lý thuyết về tối ưu hóa là một lĩnh vực có nhiều ứng dụng trong thực tế, trong đó mô hình bài toán tối ưu đa mục tiêu là một mô hình được các nhà nghiên cứu rất quan tâm do mô hình rất phù hợp và có tính ứng dụng cao trong các bài toán trong các lĩnh vực kinh doanh, sản xuất, tài chính và điều khiển kinh tế học Đã có rất nhiều công trình đề xuất các thuật toán giải quyết mô hình này như các phương pháp tối ưu toàn cục, tính toán tiến hóa, học máy…Một trong những hướng nghiên cứu quan trọng hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi là sử dụng các công cụ tính toán mềm giải quyết mô hình trong đó việc sử dụng giải thuật di truyền giải quyết mô hình tối ưu đa mục tiêu là một hướng nghiên cứu đang được quan tâm do tính hiệu quả, mềm dẻo của giải thuật Luận văn đề xuất việc tìm hiểu mô hình của bài toán tối ưu đa mục tiêu, các phương pháp cơ bản về toán học giải quyết mô hình Nghiên cứu cơ chế của các thuật toán tính toán tiến hóa giải quyết mô hình tối ưu và ứng dụng vào giải quyết một số bài toán sản xuất trong lĩnh vực dược liệu Các mô hình tối ưu và số liệu được tham khảo tại viện Hóa sinh biển thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Nội dung của luận văn dự kiến gồm có 3 chương, phần phụ lục được cấu trúc như sau: Chương 1 trình bày một số kiến thức cơ bản bao gồm mô hình tổng quát của bài toán tối ưu đa mục tiêu, một số mô hình tối ưu đa mục tiêu trong thực tế, một số phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu Chương 2: trình bày các kiến thức về tính toán mềm, các thuật toán cơ bản về giải thuật GA, PSO, ACO Một số ứng dụng Chương 3: Trình bày mô hình bài toán sản xuất dược liệu và lời giải bài toán dựa trên giải thuật di truyền Các kết quả thực nghiệm Phần phụ lục đưa ra một số chương trình nguồn trên môi trường Matlab 8 Chương 1 MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ BÀI TOÁN TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU Nội dung chính của chương 1 trình bày mô hình tổng quát của bài toán tối ưu hóa, phân loại bài toán Mô hình bài toán tối ưu đa mục tiêu và một số mô hình trong thực tế Một số phương pháp đưa bài toán đa mục tiêu về bài toán một mục tiêu Các kiến thức được tham khảo trong các tài liệu [1][2][3] 1.1Mô hình bài toán tối ưu 1 tiêu [1][2] Trong thực tế, chúng ta thường gặp các bài toán cần xác định một giá trị nào đó đạt cực đại hoặc cực tiếu trong đó các biến phụ thuộc vào một số các ràng buộc nào đó Các bài toán này thường xuất hiện trong các lĩnh vực kinh tế thương mại, lý thuyết hệ thống, công nghệ thông tin Các bài toán đó thường được gọi là các bài toán tối ưu Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu mô hình tổng quát của bài toán này 1.1.1 Mô hình tổng quát Ta xét biến số X = (x1, x2 , , xn ) và một hàm f = f ( X ) là ánh xạ từ không gian n chiều vào không gian 1 chiều Bài toán đặt ra là tìm giá trị X* để sao cho f ( X *) → max(min) (1.1) Trong đó X* cần thỏa mãn các điều kiện gi ( X ) = bi , i  J1 (1.2) g j (X )  bj, j  J2 (1.3) Lb  X  Ub (1.4) Khi đó bài toán được gọi là bài toán tối ưu, trong đó + Hàm f ( X ) được gọi là hàm mục tiêu của bài toán + Các điều kiện (1.2) được gọi là ràng buộc đẳng thức, điều kiện (1.3) được gọi là ràng buộc bất đẳng thức Các điều kiện (1.4) được gọi là ràng buộc về dấu 9