Вс. Мар 3rd, 2024

Эволюционное моделирование можно определить как вос­произведение процесса естественной эволюции с помощью спе­циальных компьютерных программ.

Термин эволюция в ограни­ченном смысле, касающемся только смены поколений организ­мов, начал широко использоваться в XVII в. С появлением в 1859 г. учения Дарвина этот термин приобрел современное толко­вание: «Биологическая эволюция — историческое развитие орга­низмов». Необходимые и достаточные условия, определяющие главные факторы эволюции, были сформулированы в XX в. на основе созданной популяционно-генетической теории. К факто­рам, определяющим неизбежность эволюции, относятся:

  • наследственная изменчивость как предпосылка эволюции, ее материал;
  • борьба за существование как контролирующий и направля­ющий фактор;
  • естественный отбор как преобразующий фактор.

На рис. 1.1 приведена конкретизация факторов эволюции, учитывающая многообразие форм их проявления, взаимосвязей и взаимовлияния. Главные факторы выделены пунктиром.

Современная теория эволюции базируется на теории общей и популяционной генетики. Элементарным объектом эволюции является популяция — сообщество свободно скрещивающихся особей. В популяциях происходят микроэволюционные процес­сы, приводящие к изменению их генофонда. Преобразования ге­нетического состава популяции происходят под действием эле­ментарных эволюционных факторов (см. рис. 1.1).

Рис.1.1. Схема взаимодействия факторов эволюции

Случайные структурные или функциональные изменения в генах, хромосомах и других воспроизводимых единицах называют мутациями, если они приводят к наследственному изменению какого-либо фенотипического признака особи.

Хромосомы — это специфичес­кие структуры клеточного ядра, которые играют важнейшую роль в процессах деления клеток. Хромосомы состоят из генов. Геном называется реально существующая, независимая, комбинирую­щаяся и расщепляющаяся при скрещиваниях единица наследст­венности.

Преобразования генофонда популяции происходят под уп­равлением естественного отбора.

Эволюция — это многоэтапный процесс возникновения орга­нических форм с более высокой степенью организации, который характеризуется изменчивостью самих эволюционных меха­низмов.

История эволюционных вычислений началась с разработки ряда независимых моделей, среди которых были генетические алгоритмы и классификационные системы, созданные американским исследователем Дж. Холландом. Он предложил исполь­зовать методы и модели развития органического мира на Земле в качестве механизма комбинаторного перебора вариантов при ре­шении оптимизационных задач. Компьютерные реализа­ции этого механизма получили название «генетические алгорит­мы». В 1970-х гг. в рамках теории случайного поиска Л. А. Растригиным был предложен ряд алгоритмов, использующих идеи био­нического поведения особей. Развитие этих идей нашло от­ражение в цикле работ И. Л. Букатовой по эволюционному моде­лированию. Идеи М. Л. Цетлина, развитые в исследовани­ях поведения сообществ конечных автоматов, легли в основу алгоритмов поиска глобального экстремума, основанных на моде­лировании процессов развития и элиминации особей. Боль­шой вклад в развитие эволюционного программирования внесли работы Л. Фогеля, А. Оуэнса и М. Уолша.

К основным направлениям развития эволюционного модели­рования на современном этапе относятся следующие:

  • генетические алгоритмы (ГА), предназначенные для оптими­зации функций дискретных переменных и использующие анало­гии естественных процессов рекомбинации и селекции;
  • классифицирующие системы (КС), созданные на основе ге­нетических алгоритмов, которые используются как обучаемые системы управления;
  • генетическое программирование (ГП), основанное на исполь­зовании эволюционных методов для оптимизации создаваемых компьютерных программ;
  • эволюционное программирование (ЭП), ориентированное на оптимизацию непрерывных функций без использования реком­бинаций;
  • эволюционные стратегии (ЭвС), ориентированные на опти­мизацию непрерывных функций с использованием рекомби­наций.

Эволюционные методы целесообразно использовать в тех случаях, когда прикладную задачу сложно сформулировать в ви­де, позволяющем найти аналитическое решение, или тогда, когда требуется быстро найти приближенный результат, например, при управлении системами в реальном времени.

В России развитием эволюционных методов занимаются на­учные школы профессоров И. Л. Букатовой, Д. И. Батищева, В. М. Курейчика и И. П. Норенкова.