Nghiên cứu giải thuật meta heuristic và ứng dụng để xác định thông số động học của enzyme FTS

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn đƣợc cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hƣớng dẫn Tiến sĩ Lƣ Nhật Vinh, khoa Công nghệ thông tin – Trƣờng Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM tận tình hƣớng dẫn tơi suốt thời gian thực luận văn Ngƣời muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc mẹ chồng đáng kính tơi từ Bắc vào Nam chăm sóc tơi suốt thời gian ni nhỏ để yên tâm học tập, nghiên cứu làm việc, cảm ơn lời động viên tinh thần từ nơi đảo xa chồng giúp vƣợt qua khó khăn, cảm ơn Phƣơng Nhƣ Phƣơng Chi mang lại niềm vui, nhiệt tình cho mẹ Tôi xin cảm ơn khoa Công nghệ thông tin – Trƣờng Đại học Cơng nghệ Tp Hồ Chí Minh, thầy Võ Đình Bảy góp ý, định hƣớng, động viên tinh thần thƣờng xuyên cho tập thể lớp Cao học 14SCT11 Xin cảm ơn bạn bè đồng nghiệp trƣờng Đại học Công nghiệp thực phẩm TP.HCM, anh chị, bạn lớp Cao học giúp đỡ chia sẻ với tơi q trình học tập thực luận văn Đinh Thị Mận iii TÓM TẮT Trong lĩnh vực khoa học thực phẩm cần xác định thông số động học enzym FTS cho dây chuyền phản ứng, nhƣng tốn nhiều thời gian tài nguyên khác cho trình thực thí nghiệm Để vƣợt qua khó khăn này, luận văn mô tả phƣơng pháp sử dụng giải thuật khoa học máy tính để giải toán Luận văn tiếp cận giải thuật Meta – Heuristic để chọn giải thuật phù hợp để xác định thơng số động học enzym FTS Vì vậy, nội dung luận văn phân tích giải thuật tìm kiếm nghiệm tối ƣu gồm ACO (Ant Colony Optimization), giải thuật SA (Simulated Annealing), TS (Tabu Search), GA (Genetic Algorithm) Trên sở phân tích giải thuật này, luận văn đề xuất cải tiến cho giải thuật GA nhằm áp dụng cho toán dự đốn thơng số động học enzym FTS Để minh họa cho đề xuất này, luận văn mô tả thực nghiệm so sánh kết với cơng trình liên quan Trƣớc hết, luận văn mơ tả cơng trình liên quan gần giải thuật Meta – Heuristic ứng dụng lĩnh vực khoa học máy tính cho lĩnh vực khoa học thực phẩm Đặc biệt, luận văn mô tả công trình sử dụng giải thuật Meta – Heuristic để dự đốn thơng số động học enzym FTS Kế tiếp, luận văn xác định đối tƣợng nghiên cứu để định hƣớng trình nghiên cứu Nội dung chƣơng luận văn tiếp cận thuật giải Meta – Heuristic nhằm phân tích phù hợp giải thuật GA cho tốn xác định thơng số động học enzym FTS Dựa phân tích chƣơng 2, luận văn đề xuất cải tiến cho giải thuật GA Các nội dung đề xuất đƣợc mô tả chi tiết chƣơng để từ làm sở xây dựng ứng dụng lĩnh vực khoa học thực phẩm Dựa ngôn ngữ Matlab, chƣơng luận văn mô tả hàm để thực thi giải thuật di truyền cho tốn xác định thơng số động học enzym FTS Trong chƣơng luận văn thực trình cài đặt giải thuật GA nhƣ xây dựng thực nghiệm đánh giá kết phƣơng pháp đề nghị với phƣơng pháp cơng trình đƣợc cơng bố tài liệu [3] [4] iv ABSTRACT The food science need to determine Kinematics parameters of enzym FTS in reactive chains, but this is time-consuming and others in the process of carry out experiments To overcome this difficulty, the content of thesis describe a method which uses algorithms of computer science to solve this problem The thesis approaches Meta – Heuristic algorithms to select a concordant algorithm which estimate Kinematics parameters of enzym FTS in food science Therefore, the content of thesis is going to analyse the optimum search algorithms including ACO (Ant Colony Optimization), SA (Simulated Annealing), TS (Tabu Search), GA (Genetic Algorithm) On the base of the analysis, the thesis proposes the improvements of GA to apply in this problem To illustrate this proposed method, the thesis describes and compares experiment results with the related works Firstly, the thesis presents the related works recently about Meta – Heuristic and the food science applications in computer science Specially, the thesis describes the related works which apply to estimate Kinematics parameters of enzym FTS Next, the thesis determine research subjects to orientate the process of research The content of Chapter approaches the Meta – Heuristic algorithms to find the concordance of GA of problem which estimate Kinematics parameters of enzym FTS On the bases of Chapter 2, the thesis proposes improvements of GA The proposed method is described in Chapter in order to build an application in food science On the bases of Matlab, the content of Chapter presents the functions of the GA to estimate Kinematics parameters of enzym FTS The Chapter presents the process of installation of GA as well as builds and assesses the experimental results between the this method and other methods in [3] and [4] v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN .ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH x MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Các Cơng trình liên quan 1.3 Phân tích cơng trình liên quan 1.4 Các vấn đề luận văn tập trung nghiên cứu .9 1.5 Tổng kết chƣơng 11 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Giới thiệu 12 2.2 Tổng quan giải thuật Meta - Heuristic .12 2.3 Giải thuật đàn kiến – ACO .14 2.3.1 Giới thiệu giải thuật ACO 14 2.3.2 Một số tính chất tự nhiên liên quan đến giải thuật ACO 15 2.3.3 Giải thuật ACO 16 2.3.4 Giải thuật ACS (Ant Colony System) .19 2.3.5 Đánh giá tổng quan giải thuật ACO 20 2.4 Giải thuật luyện kim - SA 21 2.4.1 Giới thiệu 21 2.4.2 Giải thuật SA 22 2.4.3 Đánh giá tổng quan giải thuật SA 23 vi 2.5 Giải thuật tìm kiếm Tabu - TS .24 2.5.1 Giới thiệu 24 2.5.2 Giải thuật TS 25 2.5.3 Đánh giá tổng quan giải thuật TS 26 2.6 Giải thuật di truyền - GA 28 2.6.1 Giới thiệu 28 2.6.2 Giải thuật GA 28 2.6.3 Đánh giá tổng quan giải thuật GA 31 2.7 Tổng kết chƣơng 33 CHƢƠNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 35 3.1 Giới thiệu 35 3.2 Phân tích tham số giải thuật di truyền 36 3.2.1 Biểu diễn liệu đầu vào 36 3.2.2 Khởi tạo quần thể .36 3.2.3 Hàm thích nghi 37 3.2.4 Các toán tử di truyền 37 3.3 Phân tích q trình thực thi giải thuật di truyền 38 3.3.1 Phân tích q trình thực thi 38 3.3.2 Ví dụ thực nghiệm 41 3.4 Mã hóa giải thuật di truyền 48 3.5 Tổng kết chƣơng 57 CHƢƠNG ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA ENZYME FTS 58 4.1 Giới thiệu 58 4.2 Mơ tả tốn 58 4.3 Mơ hình hóa tốn 60 4.3.1 Lƣu đồ tổng quát 60 4.3.2 Phân tích bƣớc tốn .61 4.4 Phân tích tốn dựa giải thuật di truyền .62 vii 4.4.1 Phân tích tham số đầu vào 62 4.4.2 Thuật tốn xác định thơng số động học enzyme FTS .71 4.5 Ví dụ thực nghiệm 72 4.6 Kết thực nghiệm .78 4.7 Kết luận 86 CHƢƠNG KẾT LUẬN 87 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Thuật ngữ tiếng Việt ACO Giải thuật đàn kiến (Ant Colony Optimization) ACS Ant Colony System AS Tập cho phép (Allowed Set) EC Tính tốn tiến hóa (Evolution Computation) ILS Giải thuật tìm kiếm cục (Iterated Local Search) F Fructose FTS Fructosyltransferase FOS Fructo-oligosaccharides G Glucose GA Giải thuật di truyền (Genetic algorithm) GF Saccharose GF2 1-kestose GF3 Nystose GF4 1F- Fructosylnystose GOS Galacto-oligosaccharides IMO Isomalto-oligosaccharides SA Giải thuật luyện kim (Simulated annealing) TS Giải thuật tìm kiếm Tabu (Tabu Search) FOS Fructooligosaccharides FTS Fructosyltransferase ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Bộ nghiệm theo lý thuyết 64 Bảng 4.2 Giá trị theo thực nghiệm phịng thí nghiệm 65 Bảng 4.3 Bảng giá trị nghiệm ứng với cá thể thứ 69 Bảng 4.4 Bảng giá trị nghiệm ứng với cá thể thứ hai: 70 Bảng 4.5 Quần thể ban đầu ví dụ thực nghiệm .73 Bảng 4.6 Quần thể sau thực lựa chọn ví dụ thực nghiệm 75 Bảng 4.7 Tập cá thể đƣợc lựa chọn quần thể ví dụ thực nghiệm 76 Bảng 4.8 Tập cá thể sau lai ghép đột biến ví dụ thực nghiệm 76 Bảng 4.9 Quần thể kết ví dụ thực nghiệm 77 Bảng 4.10 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến trình tổng hợp FOS enzyme FTS .78 Bảng 4.11 Bảng nồng độ đƣờng ứng với cá thể tốt 80 Bảng 4.12 Đánh giá Độ lệch cá thể quần thể 85 Bảng 4.13 So sánh giá trị sai số .85 x DANH MỤC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mơ tả định hƣớng đƣờng đàn kiến 15 Hình 2.2 Lƣu đồ thuật tốn ACO 19 Hình 2.3 Lƣu đồ thuật toán SA 23 Hình 2.4 Lƣu đồ thuật toán TS 26 Hình 2.5 Chu trình mơ tả giải thuật di truyền 29 Hình 2.6 Lƣu đồ giải thuật di truyền 31 Hình 3.1 Đồ thị mơ tả giá trị hàm mục tiêu 37 Hình 3.2 Đồ thị hàm mục tiêu 41 Hình 4.1 Sơ đồ tổng quát toán 60 Hình 4.1 Đánh giá thời gian thực thi 79 Hình 4.2 Đánh giá độ lệch quần thể 81 Hình 4.3 Đánh giá sai số cá thể tốt quần thể 81 Hình 4.4 Đánh giá sai số cá thể xấu quần thể 82 Hình 4.5 Đánh giá sai số trung bình quần thể 83 Hình 4.6 Đánh giá tổng sai số quần thể 83 Hình 4.7 Đánh giá tổng bình phƣơng sai số 84 Hình 4.8 Tỷ lệ sai số nồng độ đƣờng lý thuyết thí nghiệm 86 75 Tập quần thể sau thực theo xác xuất lựa chọn: Bảng 4.6 Quần thể sau thực lựa chọn ví dụ thực nghiệm K ms K mk K mn K igs Kigk Kign Vms Vmk Vmn K mhn Vmhn 1.5941062E+02 4.0882762E+02 8.0627826E+02 1.0152311E+01 2.9481788E+02 8.9152981E+01 5.3268231E+02 6.5810388E+01 3.5542526E+01 3.6096606E+02 2.7208350E+00 1.6651688E+02 5.8663123E+02 7.4145840E+02 1.1668934E+01 2.8005379E+02 6.1191681E+01 4.9179228E+02 8.7116253E+01 3.9981370E+01 2.0859018E+02 1.7669501E+00 1.7818940E+02 3.4025267E+02 7.2248121E+02 1.1869150E+01 2.6791394E+02 1.0163449E+02 5.1644283E+02 5.9708748E+01 3.1298719E+01 3.5695045E+02 2.5099074E+00 1.8277109E+02 5.7831536E+02 8.1752141E+02 1.1727977E+01 2.8202515E+02 7.1360069E+01 5.4232901E+02 8.3139481E+01 4.6320986E+01 2.0748949E+02 1.5255559E-01 2.9133064E+02 3.8938998E+02 8.4862642E+02 1.6607621E+01 2.8469173E+02 6.7477463E+01 6.1957643E+02 6.4415562E+01 5.3828893E+01 2.2549151E+02 1.1471335E+00 2.8939066E+02 4.4691078E+02 6.9132841E+02 1.4865582E+01 1.9532775E+02 8.5282383E+01 6.6415766E+02 7.6178518E+01 2.9752233E+01 2.9388439E+02 2.3362043E-01 1.9697444E+02 2.2250180E+02 7.7075207E+02 1.1973064E+01 2.8228021E+02 1.1925258E+02 5.5513059E+02 4.5689391E+01 3.0511201E+01 3.9627489E+02 2.6644329E+00 4.7303270E+02 6.3937419E+02 9.2954077E+02 2.9896421E+01 1.8159126E+02 9.9196008E+01 6.1241537E+02 1.1101785E+02 3.1759767E+01 2.0599328E+02 3.4069481E+00 3.0304726E+02 3.6897271E+02 5.8571943E+02 1.7303918E+01 2.9380052E+02 1.5923405E+02 6.0640220E+02 5.8493251E+01 1.2414192E+01 7.3026372E+01 3.3685414E-01 3.4837481E+02 4.9398342E+02 7.8690488E+02 2.0457612E+01 2.9834105E+02 6.2932727E+01 6.1274012E+02 7.6424748E+01 4.9427562E+01 2.1745016E+02 1.6908634E+00 2.0408862E+02 7.1141972E+02 9.4580869E+02 1.1263173E+01 2.5910691E+02 1.0069146E+02 6.0686375E+02 1.0247278E+02 3.7944973E+01 2.5806999E+02 1.0889830E+00 3.7578532E+02 5.9436535E+02 5.9438004E+02 1.9238459E+01 2.8616330E+02 9.2376477E+01 6.9597561E+02 8.8127790E+01 2.4536973E+01 1.6000034E+02 1.4671351E+00 5.0184760E+02 8.2662372E+02 9.3260386E+02 2.3835749E+01 3.1259556E+02 1.4819387E+02 7.5813267E+02 1.1343905E+02 3.9658797E+01 2.1013675E+02 5.1348982E-01 1.4766049E+02 5.9676636E+02 6.1817031E+02 1.2226018E+01 2.7506344E+02 9.7194817E+01 4.4218447E+02 8.9064446E+01 2.7403313E+01 1.8998826E+02 1.8557799E+00 2.3791283E+02 4.1101175E+02 7.3756994E+02 1.3479088E+01 2.9309741E+02 9.3371369E+01 5.9567978E+02 6.5906490E+01 3.2850798E+01 2.0573664E+02 2.8944660E+00 3.5956797E+02 4.4010053E+02 6.9719123E+02 1.8756421E+01 2.8086744E+02 5.2835288E+01 6.6934685E+02 6.9956986E+01 4.5739048E+01 2.8267334E+02 1.8000700E+00 2.7664022E+02 5.4730967E+02 6.3499908E+02 1.3972004E+01 2.7062154E+02 7.4266878E+01 6.7021337E+02 8.2849634E+01 3.1115353E+01 2.8632471E+02 2.7044162E+00 2.4436766E+02 4.0086628E+02 8.1187293E+02 1.2483409E+01 2.9558827E+02 5.9821145E+01 6.5351827E+02 6.5232575E+01 4.7959454E+01 4.0173283E+02 3.3543946E+00 2.6197512E+02 3.7221240E+02 4.2885611E+02 1.4565362E+01 2.6304101E+02 7.9066080E+01 6.1889311E+02 6.3951191E+01 1.9680258E+01 1.1584016E+02 1.9083599E+00 2.9693981E+02 5.2201643E+02 9.0736453E+02 1.4667533E+01 2.2311982E+02 8.0477062E+01 6.6219912E+02 8.3975972E+01 3.9605720E+01 2.5540173E+02 1.9437725E+00 76 Tập cá thể (gồm cá thể) chọn lựa quần thể dựa xác xuất: Bảng 4.7 Tập cá thể đƣợc lựa chọn quần thể ví dụ thực nghiệm K ms K mk K mn K igs Kigk Kign Vms Vmk Vmn K mhn Vmhn 1.9697444E+02 2.2250180E+02 7.7075207E+02 1.1973064E+01 2.8228021E+02 1.1925258E+02 5.5513059E+02 4.5689391E+01 3.0511201E+01 3.9627489E+02 2.6644329E+00 4.7303270E+02 6.3937419E+02 9.2954077E+02 2.9896421E+01 1.8159126E+02 9.9196008E+01 6.1241537E+02 1.1101785E+02 3.1759767E+01 2.0599328E+02 3.4069481E+00 2.3791283E+02 4.1101175E+02 7.3756994E+02 1.3479088E+01 2.9309741E+02 9.3371369E+01 5.9567978E+02 6.5906490E+01 3.2850798E+01 2.0573664E+02 2.8944660E+00 2.7664022E+02 5.4730967E+02 6.3499908E+02 1.3972004E+01 2.7062154E+02 7.4266878E+01 6.7021337E+02 8.2849634E+01 3.1115353E+01 2.8632471E+02 2.7044162E+00 2.4436766E+02 4.0086628E+02 8.1187293E+02 1.2483409E+01 2.9558827E+02 5.9821145E+01 6.5351827E+02 6.5232575E+01 4.7959454E+01 4.0173283E+02 3.3543946E+00 2.9133064E+02 3.8938998E+02 8.4862642E+02 1.6607621E+01 2.8469173E+02 6.7477463E+01 6.1957643E+02 6.4415562E+01 5.3828893E+01 2.2549151E+02 1.1471335E+00 Tập thể sau lai ghép, đột biến: Bảng 4.8 Tập cá thể sau lai ghép đột biến ví dụ thực nghiệm K ms K mk K mn K igs Kigk Kign Vms Vmk Vmn K mhn Vmhn 1.3586002E+02 2.2250159E+02 9.2521902E+02 2.5800927E+01 2.9837730E+02 3.5466075E+01 5.3976804E+02 3.8007534E+01 3.1305341E+01 2.7263738E+02 2.5056373E+02 4.7284302E+02 6.4039921E+02 9.2953338E+02 5.0626682E+02 1.5870654E+02 1.1924881E+02 6.1233192E+02 1.1869923E+02 2.7802015E+02 2.0599300E+02 4.9502806E+02 2.2244097E+02 4.2838584E+02 7.3757394E+02 1.8316180E+02 3.5488425E+02 9.3371371E+01 5.8795639E+02 6.7523595E+01 1.5642453E+02 2.2453552E+02 2.4810195E+02 2.7661257E+02 2.2125002E+01 6.9582027E+02 4.0015878E+02 2.6386360E+02 5.7050751E+02 9.1831109E+02 7.8456909E+01 3.5006271E+01 2.6649772E+02 2.5371493E+02 2.0526808E+02 3.9313092E+02 8.4573061E+02 2.0831330E+01 4.1984808E+02 5.5353328E+02 6.5351601E+02 6.3932852E+01 4.9959548E+01 1.2364024E+02 2.3877929E+00 2.9133262E+02 2.6501345E+02 8.4252452E+02 1.2483349E+01 4.2109276E+02 6.7537793E+01 6.1957397E+02 8.0683025E+01 3.2482575E+01 1.3286307E+02 5.0047450E+00 77 Quần thể kết sau cập nhật cá thể phát sinh: Bảng 4.9 Quần thể kết ví dụ thực nghiệm K ms K mk K mn K igs Kigk Kign Vms Vmk Vmn K mhn Vmhn 1.5941062E+02 4.0882762E+02 8.0627826E+02 1.0152311E+01 2.9481788E+02 8.9152981E+01 5.3268231E+02 6.5810388E+01 3.5542526E+01 3.6096606E+02 2.7208350E+00 1.7818940E+02 2.4436766E+02 3.5956797E+02 3.4025267E+02 4.0086628E+02 4.4010053E+02 7.2248121E+02 8.1187293E+02 6.9719123E+02 1.1869150E+01 1.2483409E+01 1.8756421E+01 2.6791394E+02 2.9558827E+02 2.8086744E+02 1.0163449E+02 5.9821145E+01 5.2835288E+01 5.1644283E+02 6.5351827E+02 6.6934685E+02 5.9708748E+01 6.5232575E+01 6.9956986E+01 3.1298719E+01 4.7959454E+01 4.5739048E+01 3.5695045E+02 4.0173283E+02 2.8267334E+02 2.5099074E+00 3.3543946E+00 1.8000700E+00 2.6197512E+02 3.7221240E+02 4.2885611E+02 1.4565362E+01 2.6304101E+02 7.9066080E+01 6.1889311E+02 6.3951191E+01 1.9680258E+01 1.1584016E+02 1.9083599E+00 1.9697444E+02 2.2250180E+02 7.7075207E+02 1.1973064E+01 2.8228021E+02 1.1925258E+02 5.5513059E+02 4.5689391E+01 3.0511201E+01 3.9627489E+02 2.6644329E+00 1.6651688E+02 5.8663123E+02 7.4145840E+02 1.1668934E+01 2.8005379E+02 6.1191681E+01 4.9179228E+02 8.7116253E+01 3.9981370E+01 2.0859018E+02 1.7669501E+00 3.4837481E+02 4.9398342E+02 7.8690488E+02 2.0457612E+01 2.9834105E+02 6.2932727E+01 6.1274012E+02 7.6424748E+01 4.9427562E+01 2.1745016E+02 1.6908634E+00 2.7664022E+02 5.4730967E+02 6.3499908E+02 1.3972004E+01 2.7062154E+02 7.4266878E+01 6.7021337E+02 8.2849634E+01 3.1115353E+01 2.8632471E+02 2.7044162E+00 2.9133064E+02 3.8938998E+02 8.4862642E+02 1.6607621E+01 2.8469173E+02 6.7477463E+01 6.1957643E+02 6.4415562E+01 5.3828893E+01 2.2549151E+02 1.1471335E+00 2.0408862E+02 7.1141972E+02 9.4580869E+02 1.1263173E+01 2.5910691E+02 1.0069146E+02 6.0686375E+02 1.0247278E+02 3.7944973E+01 2.5806999E+02 1.0889830E+00 1.4766049E+02 5.9676636E+02 6.1817031E+02 1.2226018E+01 2.7506344E+02 9.7194817E+01 4.4218447E+02 8.9064446E+01 2.7403313E+01 1.8998826E+02 1.8557799E+00 3.7578532E+02 5.9436535E+02 5.9438004E+02 1.9238459E+01 2.8616330E+02 9.2376477E+01 6.9597561E+02 8.8127790E+01 2.4536973E+01 1.6000034E+02 1.4671351E+00 1.8277109E+02 5.7831536E+02 8.1752141E+02 1.1727977E+01 2.8202515E+02 7.1360069E+01 5.4232901E+02 8.3139481E+01 4.6320986E+01 2.0748949E+02 1.5255559E-01 2.3791283E+02 4.1101175E+02 7.3756994E+02 1.3479088E+01 2.9309741E+02 9.3371369E+01 5.9567978E+02 6.5906490E+01 3.2850798E+01 2.0573664E+02 2.8944660E+00 2.8939066E+02 4.4691078E+02 6.9132841E+02 1.4865582E+01 1.9532775E+02 8.5282383E+01 6.6415766E+02 7.6178518E+01 2.9752233E+01 2.9388439E+02 2.3362043E-01 2.9693981E+02 5.0184760E+02 5.2201643E+02 8.2662372E+02 9.0736453E+02 9.3260386E+02 1.4667533E+01 2.3835749E+01 2.2311982E+02 3.1259556E+02 8.0477062E+01 1.4819387E+02 6.6219912E+02 7.5813267E+02 8.3975972E+01 1.1343905E+02 3.9605720E+01 3.9658797E+01 2.5540173E+02 2.1013675E+02 1.9437725E+00 5.1348982E-01 4.7303270E+02 6.3937419E+02 9.2954077E+02 2.9896421E+01 1.8159126E+02 9.9196008E+01 6.1241537E+02 1.1101785E+02 3.1759767E+01 2.0599328E+02 3.4069481E+00 3.0304726E+02 3.6897271E+02 5.8571943E+02 1.7303918E+01 2.9380052E+02 1.5923405E+02 6.0640220E+02 5.8493251E+01 1.2414192E+01 7.3026372E+01 3.3685414E-01 2.0526808E+02 2.9133262E+02 1.3586002E+02 4.7284302E+02 2.2244097E+02 2.7661257E+02 3.9313092E+02 2.6501345E+02 2.2250159E+02 6.4039921E+02 4.2838584E+02 2.2125002E+01 8.4573061E+02 8.4252452E+02 9.2521902E+02 9.2953338E+02 7.3757394E+02 6.9582027E+02 2.0831330E+01 1.2483349E+01 2.5800927E+01 5.0626682E+02 1.8316180E+02 4.0015878E+02 4.1984808E+02 4.2109276E+02 2.9837730E+02 1.5870654E+02 3.5488425E+02 2.6386360E+02 5.5353328E+02 6.7537793E+01 3.5466075E+01 1.1924881E+02 9.3371371E+01 5.7050751E+02 6.5351601E+02 6.1957397E+02 5.3976804E+02 6.1233192E+02 5.8795639E+02 9.1831109E+02 6.3932852E+01 8.0683025E+01 3.8007534E+01 1.1869923E+02 6.7523595E+01 7.8456909E+01 4.9959548E+01 3.2482575E+01 3.1305341E+01 2.7802015E+02 1.5642453E+02 3.5006271E+01 1.2364024E+02 1.3286307E+02 2.7263738E+02 2.0599300E+02 2.2453552E+02 2.6649772E+02 2.3877929E+00 5.0047450E+00 2.5056373E+02 4.9502806E+02 2.4810195E+02 2.5371493E+02 78 4.6 Kết thực nghiệm Quá trình thực nghiệm luận văn đƣợc thực tảng Matlab 2015, đƣợc xử lý máy tính đơn với xử lý core i7, RAM 8GB, hệ điều Window professional Bộ liệu thực nghiệm gồm liệu mẫu đƣợc tham khảo tài liệu [3] [4] bao gồm liệu quần thể ngẫu nhiên (theo phụ lục 1) liệu nồng độ đƣờng phịng thí nghiệm nhƣ sau (theo bảng 4.10): Bảng 4.10 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến trình tổng hợp FOS enzyme FTS [3] Nồng độ (g/L) GF G F GF2 GF3 GF4 FOS Hiệu suất tổng hợp FOS (%) 706,21 372,13 0,00 78,80 0,00 1,98 0,00 228,68 0,00 24,50 0,00 0,00 0,00 253,18 0,00 35,86 10 11 12 13 14 233,06 149,01 104,63 83,66 79,10 77,68 74,55 70,89 116,20 153,32 164,31 179,02 178,34 180,00 181,96 183,23 3,16 4,25 5,91 5,84 6,66 5,32 5,26 6,50 306,81 334,70 326,12 305,06 295,79 281,76 267,49 263,31 46,10 64,49 102,68 130,05 140,94 148,58 161,84 169,71 0,00 1,04 2,68 2,88 5,07 10,81 10,90 10,92 15 16 70,58 70,24 180,66 178,92 6,44 7,56 260,16 247,68 176,33 191,08 10,88 10,87 352,91 400,23 431,48 437,99 441,80 441,15 440,23 443,94 447,37 449,63 50,03 56,62 61,09 61,99 62,59 62,65 62,71 63,01 63,45 63,66 18 19 20 22 65,79 65,36 64,95 64,28 186,58 186,37 185,94 189,99 5,16 6,28 6,38 6,81 228,53 227,61 216,30 202,56 199,60 197,64 208,84 216,62 21,67 22,98 22,49 26,01 449,80 448,23 63,59 63,47 447,63 445,19 63,50 63,03 24 60,94 191,68 9,45 189,46 228,36 27,52 445,34 62,95 Thời gian (giờ) Sau thực nghiệm với số lần lặp lại 2625 lần tổng thời gian thực 13875.76 giây  3.854379 Thời gian thực thi trung bình cho lần lặp 5.286005 giây Tuy nhiên, trình chọn lựa xác suất chọn tập lai ghép, đột biến nhiều tập dãy xác suất tích lũy chọn lựa dựa xác 79 suất ngẫu nhiên bị rơi vào giá trị cục địa phƣơng… Do đó, xảy trƣờng hợp thời gian xử lý bị biến động (có thể tăng giảm) Theo nhƣ hình 4.1 cho thấy giá trị thời gian thông thƣờng dao động khoảng từ đến giây, nhiên có điểm bất thƣờng (có thể xem hình 4.1) Qua mô tả thời gian giải thuật cho thấy trình xử lý có độ thời gian chấp nhận đƣợc với kết tƣơng ứng (phụ lục 2) Hình 4.1 Đánh giá thời gian thực thi Dựa trình thực thi giải thuật di truyền để tìm kiếm thơng số động học enzyme FTS ta có quần thể kết (theo phụ lục 2) Dựa quần thể kết quả, ta có cá thể chọn lựa tốt là: 979.04809 956.5412 495.72488 47.235697 424.21529 120.48373 885.90514 122.87655 20.476274 962.16552 11.325599 Trên sở cá thể tốt nhất, giải hệ phƣơng trình vi phân để xác định nồng độ đƣờng tƣơng ứng, giá trị nồng độ đƣờng (giá trị nồng độ đƣờng theo thời gian): 80 Bảng 4.11 Thời gian (giờ) 10 11 12 13 14 15 16 18 19 20 22 24 Bảng nồng độ đƣờng ứng với cá thể tốt Nồng độ GF G F GF2 GF3 GF4 706.210000 0 0 361.6204931 93.21017714 0.045584245 232.9328201 18.1780445 0.227439363 233.8274381 130.8245759 0.240622503 294.6594563 45.65238171 1.029587675 165.4111575 153.0584775 0.597684738 311.3487893 73.49935917 2.354300286 124.3068105 168.0629338 1.103972264 308.9575348 99.76233575 4.126810114 97.97025739 179.0279157 1.741935793 297.5722818 123.7915807 6.280222176 88.30027242 183.5160266 2.104763355 290.1201439 134.8980084 7.481261714 80.28851143 187.5141143 2.494031113 282.0159159 145.3904691 8.756361312 73.59053323 191.1113014 2.907763363 273.5168922 155.2749076 10.09937858 67.93594305 194.3779577 3.344110464 264.8203068 164.5614234 11.50466966 63.12014223 197.3679268 3.801327884 256.0687867 173.265017 12.96693217 58.98150319 200.1242083 4.277783875 247.3699468 181.4030947 14.48124158 52.25560669 205.0657505 5.282412481 230.4252339 196.0612466 17.64799109 49.4885463 207.3008253 5.80783104 222.2781409 202.6232487 19.29219085 47.02891421 209.4043758 6.346969476 214.38979 208.7027279 20.97191958 42.83660046 213.274811 7.461861452 199.4576736 219.5007758 24.4244638 39.37712218 216.7699857 8.618748817 185.6986458 228.6264542 27.9809181 Dựa kết thực thi, hình 4.2 so sánh độ lệch trung bình giá trị nồng độ đƣờng tƣơng ứng với cá thể quần thể mục tiêu Theo hình 4.2 cho thấy độ lệch quần thể mục tiêu dựa phƣơng pháp đề xuất thấp so với quần thể ban đầu đồng thời tìm đƣợc nhiều cá thể có độ lệch thấp so với phƣơng pháp tài liệu [3] Tuy nhiên, quần thể mục tiêu xuất nhiều cá thể có độ lệch cao phƣơng pháp tài liệu [3] Nhƣng phƣơng pháp đề xuất tìm nhiều cá thể có độ lệch thấp phƣơng pháp tài liệu [3] công bố, nghĩa phƣơng pháp đề xuất tìm đƣợc nghiệm phù hợp 81 Hình 4.2 Hình 4.3 Đánh giá độ lệch cá thể quần thể Đánh giá sai số cá thể tốt quần thể Trên sở quần thể kết quả, hình 4.3 mơ tả biến thiên độ xác cá thể tốt nhât 2625 lần thực giải thuật Từ biểu đồ cho thấy giá trị cá thể tốt khó biến động hội tụ độ sai số là: 6.26415934737562 So với phƣơng pháp tài liệu [3], sai số thấp hơn, nghĩa phƣơng pháp đề xuất có độ xác cao phƣơng pháp tài liệu 82 [3] Điều khẳng định đƣợc phƣơng pháp đề xuất phù hợp cho toán xác định thông số động học enzym FTS Hơn nữa, phƣơng pháp đề xuất cho tập cá thể quần thể có độ sai lệch thấp bảng kết [3], tức bảng quần thể kết tài liệu [3] có sai lệch nhiều cá thể tốt cá thể xấu Do đó, phƣơng pháp đề xuất, việc cho kết tốt cho tập quần thể kết tốt Điều có ý nghĩa sử dụng tập quần thể kết để tiếp tục tiến hành trình tìm kiếm cho giải thuật cải tiến Trong hình 4.4 mơ tả độ sai số cá thể xấu quần thể Sai số giảm nhanh bƣớc lặp hội tụ bƣớc lặp thứ 2625, điều khẳng định thêm đắn phƣơng pháp đề xuất mặt lý thuyết nhƣ thực nghiệm Do đó, phƣơng pháp đề xuất minh chứng đƣợc phù hợp cho tốn xác định thơng số động học enzym FTS Hình 4.4 Đánh giá sai số cá thể xấu quần thể 83 Hình 4.5 Đánh giá sai số trung bình cá thể quần thể Trong hình 4.5 mơ tả đánh giá sai số trung bình cúa cá thể quân thể ban đầu quần thể kết Hơn nữa, hình so sánh sai số trung bình quần thể kết phƣơng pháp đề xuất phƣơng pháp [3] Kết cho thấy phƣơng pháp đề xuất tìm nhiều cá thể có giá trị sai số trung bình thấp cá thể phƣơng pháp theo tài liệu [3] Điều cho thấy phù hợp đề xuất cải tiến so với phƣơng pháp có Hình 4.6 Đánh giá tổng sai số cá thể quần thể 84 Hơn nữa, giá trị tổng sai số giá trị kết tìm kiếm giá trị thực nghiệm cho mơ tả hình 4.6 Kết bổ sung thêm tính hợp lý phƣơng pháp đề nghị phù hợp việc cải tiến so với phƣơng pháp theo tài liệu [3] Hình 4.7 Đánh giá tổng bình phƣơng sai số Trong hình 4.7 mơ tả tổng sai số bình phƣơng cá thể quần thể Dựa vào kết cho thấy phƣơng pháp đề xuất tìm đƣợc nhiều cá thể có độ sai số thấp phƣơng pháp đề xuất tài liệu [3] Qua việc đánh giá sai số phƣơng pháp đề xuất so với phƣơng pháp theo tài liệu [3] từ hình 4.2 đến 4.7 cho thấy phƣơng pháp giải giải thuật di truyền cho toán xác định thông số động học enzym FTS phƣơng pháp phù hợp Dựa vào kết cho thấy, phƣơng pháp đề xuất có hiệu đáng kể so với phƣơng pháp khác nhƣ so với phƣơng pháp tài liệu [3] Bên cạnh đó, kết đƣợc thống kê bảng 4.14, 4.15 Qua bảng so sánh cho thấy độ lệch cá thể tốt xấu phƣơng pháp đề xuất đề chấp nhận đƣợc, tức sử dụng cá thể xấu làm nghiệm cho tốn Ngồi ra, phƣơng pháp đề xuất có độ sai số thấp nhiều so với phƣơng pháp SA theo tài liệu [4] Về mặt thời gian, phƣơng pháp đề xuất có tốc độ hội tụ nhanh nhiều so với phƣơng pháp tài liệu [4] xấp xỉ với phƣơng pháp tài liệu [3] 85 Bảng 4.12 Đánh giá Độ lệch cá thể quần thể Độ lệch cá thể tốt [3] Độ lệch pp SA [4] Độ lệch cá thể tốt LV Độ lệch cá thể xấu [3] Độ lệch cá thể thứ 214 LV Độ lệch cá thể xấu LV Giá trị độ lệch Giá trị độ lệch Giá trị độ lệch Giá trị độ lệch Giá trị độ lệch Giá trị độ lệch Tổng độ lệch 21.38425300 23.04933300 5.20071170 22.23275000 11.15764000 5.42967960 88.45436730 176.0044641 33.38996731 5.348476375 148.3822748 73.37942129 46.55260112 483.05720494 21.56287782 25.08998575 4.80602774 23.35121067 9.67690531 4.02200891 88.50901619 23.82510881 23.41029356 5.313151685 26.61347931 10.70000406 6.375563123 96.23760055 24.25152565 23.24151429 5.508757534 24.65927936 11.55357635 4.915097371 94.12975055 21.37165371 23.99334639 4.783987984 24.93084828 11.6537631 8.532369056 95.26596852 Bảng 4.13 So sánh giá trị sai số Các tiêu chí so sánh Sai số tổng bình phƣơng Sai số trung bình giá trị Tổng sai số Tổng độ lệch Cá thể tốt Giá trị sai số theo Luận văn Cá thể thứ 214 Cá thể xấu Giá trị trung bình Giá trị sai số theo tài liệu [3] Cá thể tốt Cá thể xấu Giá trị trung bình 8745.667863 8663.353377 9273.733285 8894.251508 8342.66395 9795.649785 9069.156867 6.264159347 6.5511911 6.6608294 6.492059949 6.524871294 7.074836598 6.799853946 638.9442534 88.50901619 668.2214933 94.12975055 679.4043544 95.26596852 662.1900337 92.63491175 665.536872 88.4543673 721.633333 96.23760055 693.5851025 92.34598393 Các tiêu chí so sánh Sai số tổng bình phƣơng Sai số trung bình giá trị Tổng sai số Tổng độ lệch Sai số phƣơng pháp SA 221959.4503 28.9442401 2952.31249 483.0572049 86 Dựa vào bảng kết lý thuyết, hình 4.8 đánh giá độ sai lệch số theo lý thuyết thực nghiệm cho thấy giá trị thực nghiệm phù hợp với giá trị thí nghiệm ban đầu Do q trình giải tốn cho kết thơng số động học phù hợp với hệ số theo thí nghiệm tỷ lệ nồng độ đƣờng lý thuyết thí nghiệm có độ sai lệch thấp Hình 4.8 Tỷ lệ sai số nồng độ đƣờng lý thuyết thí nghiệm 4.7 Kết luận Trong chƣơng này, luận văn khảo sát toán xác định thông số động học enzyme FTS phân tích phù hợp giải thuật di truyền để áp dụng cho toán Dựa giải thuật di truyền, luận văn đề xuất mơ hình tốn để từ làm sở thực thi trình tìm kiếm nghiệm tối ƣu Trên sở đề xuất chƣơng 3, chƣơng thực chuẩn hóa liệu đầu vào cho cá thể quần thể nhằm áp dụng cho giải thuật di truyền Mặt khác, chƣơng thực phép toán chọn lọc, lai ghép, đột biến phƣơng pháp đề xuất chƣơng Từ đề xuất này, luận văn đề xuất giải thuật tìm kiếm thơng số động học ezyme FTS Nhằm minh họa rõ ràng giải thuật này, chƣơng đƣa ví dụ thực nghiệm minh họa bƣớc cụ thể thuật toán đề xuất Từ đó, luận văn xây dựng thực nghiệm đánh giá kết so với số kết cơng trình khác cơng bố Kết thực nghiệm cho thấy độ xác hàm mục tiêu chấp nhận đƣợc, phƣơng pháp đề xuất phƣơng pháp khả thi để giải toán xác định thông số động học 87 CHƢƠNG KẾT LUẬN Luận văn thực nghiệm quần thể mẫu có tài liệu [3] để từ làm sở đánh giá kết Quần thể mẫu đƣợc khởi tạo ngẫu nhiên bao gồm 214 cá thể mô tả thông số động học enzym FTS Từ đó, luận văn mơ tả q trình dự đốn thơng số động học giải thuật đƣợc đề xuất Trong lần thực thi gần nhất, giải thuật đề xuất hội tụ khoảng thời gian 13875.76 giây  3.854379 giờ, số lần lặp hội tụ 2625 lần, thời gian trung bình lần lặp giải thuật 5.286005 giây Sai số trung bình so với kết phịng thí nghiệm giải thuật hội tụ 6.264159347 Dựa sở thực nghiệm cho thấy giải thuật đề xuất luận văn có thời gian thực nhanh nhiều so với giải thuật [4] chậm 0,8 so với giải thuật tài liệu [3] Tuy nhiên, giải thuật đề xuất tìm tập cá thể, cá thể mô tả thông số động học enzyme FTS với độ xác cao Theo thực nghiệm cho thấy, độ xác trung bình cá thể tìm thấy tốt cá thể giải thuật [3] [4] Hơn nữa, độ lệch cá thể kết thấp nhiều so với độ lệch tài liệu [4] tƣơng đƣơng với kết tài liệu [3] Vì vậy, giải thuật GA giải thuật phù hợp cho tốn xác định thơng số động học enzyme FTS Hơn nữa, đề xuất cải tiến cho giải thuật GA luận văn cho kết tốt so với cơng trình liên quan đƣợc cơng bố Do đó, áp dụng giải thuật cho toán tƣơng tự lĩnh vực thực phẩm nhƣ lĩnh vực khác nhằm giảm chi phí thời gian, tài nguyên, kinh phí Tuy nhiên, thời gian hội tụ giải thuật cịn tƣơng đối chậm phép lai ghép đột biến chƣa tạo nhiều cá thể tốt Vì vậy, hƣớng phát triển luận văn cải tiến phƣơng pháp lại ghép đột biến để giảm thời gian hội tụ thuật tốn Bên cạnh đó, luận văn cải tiến trình chọn lọc cá thể quần thể để từ kết hội tụ tối ƣu hàm mục tiêu 88 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M E Abimbola, A Josiah (2011) „Food processing optimization using evolutionary algorithms‟ African Journal of Biotechnology, 19, 1612010127 [2] Ismail M Anwar, Khalid M Salama, Ashraf M Abdelbar (2015) „Instance Selection with Ant Colony Optimization‟ Procedia Computer Science, 53, 248-256 [3] Lê Thị Hồng Ánh (2013) Nghiên cứu chuyển hóa saccharose thành fructooligosaccharides (FOS) tinh FOS phương pháp lọc Nano Luận án tiến sĩ, Khoa Kỹ thuật hóa học, Đại học Bách khoa Tp HCM [4] Lê Thị Hồng Ánh, Lƣ Nhật Vinh (2013) „Xác định thông số động học Fructosyltransferase (FTS) phƣơng pháp mô luyện kim (SaSimulated Anneaning)‟ Khoa học Công nghệ, 6, 747-755 [5] Zalilah Abd Aziz (2015) „Ant Colony Hyper-heuristics for Travelling Salesman Problem‟ Procedia Computer Science, 76, 534-538 [6] Christian Blum, Andrea Roli (2003) „Metaheuristics in Combinatorial Optimization: Overview and Conceptual Comparison‟ ACM Computing Surveys, 35 (3), 268-308 [7] Stefka Fidanova (2013) Recent Advances in Computational Optimization Springer International Publishing Switzerland [8] Tülin İnkayaa, Sinan Kayalıgilb, Nur Evin Özdemirel (2015) „Ant Colony Optimization based Clustering Methodology‟ Applied Soft Computing, 28, 301-311 [9] Lee Jacobson, Burak Kanber (2015) Genetic Algorithms in Java Basics An Apress Advanced Book [10] Zhuohua Jiang, Mingchuan Zhou, Junhua Tong, Huanyu Jiang, Yefeng Yang, Aichen Wang, Zhaohong You (2015) „Comparing an ant colony algorithm with a genetic algorithm for replugging tour planning of seedling transplanter‟ Computers and Electronics in Agriculture, 113, 225-233, 89 [11] Miroslav Kubat (2015) An Introduction to Machine Learning Springer Cham Heidelberg New York Dordrecht London [12] J Li, A Wang (2014) „Production planning in virtual cell of reconfiguration manufacturing system using genetic algorithm‟ The International Journal of Advanced Manufacturing Technolog, 74 (1), 47-64 [13] B Chandra Mohan, R Baskaran (2012) „A survey: Ant Colony Optimization based recent research and implementation on several engineering domain‟ Expert Systems with Applications, 39, 4618-4627 [14] Pietro S Oliveto, Carsten Witt (2015) „Improved time complexity analysis of the Simple Genetic Algorithm‟ Theoretical Computer Science, 605, 21-41 [15] Fernando E.B Otero, Alex A Freitas, Colin G Johnson (2012) „Inducing decision trees with an ant colony optimization algorithm‟ Applied Soft Computing, 12, 3615-3626 [16] Hajer Ben Othman, Moncef Tagina (2015) „Guided genetic algorithm: a new template concept‟, Procedia Computer Science, 60, 1101-1108 [17] Anandkumar Prakasama, Nickolas Savarimuthu (2015) „Metaheuristic Algorithms and Polynomial Turing Reductions: A Case Study Based on Ant Colony Optimization‟ Procedia Computer Science, 46, 388-395 [18] Petra Snaselova, Frantisek Zboril (2015) „Genetic Algorithm using Theory of Chaos‟ Procedia Computer Science, 51, 316-325 [19] Sina Tabakhi, Parham Moradi, Fardin Akhlaghian (2014) „An unsupervised feature selection algorithm based on ant colony optimization‟ Engineering Applications of Artificial Intelligence, 32, 112–123 [20] Rene V V Vidal (1993) Applied Simulated Annealing Springer-Verlag Berlin Heidelberg ... việc nghiên cứu giải thuật Meta - Heuristic để ứng dụng xác định thông số động học enzyme FTS Mục tiêu nghiên cứu luận văn gồm:  Đề xuất mơ hình tốn xác định thơng số động học enzyme FTS để từ... cận nghiên cứu giải thuật Meta – Heuristic để từ áp dụng vào tốn xác định thơng số động học Do đó, luận văn tập trung nghiên cứu nội dung nhƣ sau:  Nghiên cứu giải thuật Meta – Heuristic để giải. .. xuất giải thuật tìm kiếm thơng số động học ezyme FTS sở giải thuật Meta – Heuristic  Nghiên cứu phân tích phù hợp giải thuật di truyền cho tốn xác định thơng số động học enzym FTS 2  Nghiên cứu