遗传算法的基本概念和实现（附 Java 实现案例）

如上图（左）所示，遗传算法当个体由多条染色体组成，每条染色体由多个基因组成。上图（右）展示了染色体分割和组合方式。

自然选择的概念

自然选择的过程从选择群体中最适应环境的个体开始。后代继承了父母的特性，并且这些特性将添加到下一代中。如果父母具有更好的适应性，那么它们的后代将更易于存活。迭代地进行该自然选择的过程，最终，我们将得到由最适应环境的个体组成的一代。

这一概念可以被应用于搜索问题中。我们考虑一个问题的诸多解决方案，并从中搜寻出最佳方案。

遗传算法含以下五步：

初始化
个体评价（计算适应度函数）
选择运算
交叉运算
变异运算

初始化

该过程从种群的一组个体开始，且每一个体都是待解决问题的一个候选解。

个体以一组参数（变量）为特征，这些特征被称为基因，串联这些基因就可以组成染色体（问题的解）。

在遗传算法中，单个个体的基因组以字符串的方式呈现，通常我们可以使用二进制（1 和 0 的字符串）编码，即一个二进制串代表一条染色体串。因此可以说我们将基因串或候选解的特征编码在染色体中。

种群、染色体和基因

个体评价（计算适应度函数）

个体评价利用适应度函数评估了该个体对环境的适应度（与其它个体竞争的能力）。每一个体都有适应度评分，个体被选中进行繁殖的可能性取决于其适应度评分。适应度函数值越大，解的质量就越高。适应度函数是遗传算法进化的驱动力，也是进行自然选择的唯一标准，它的设计应结合求解问题本身的要求而定。

选择运算

选择运算的目的是选出适应性最好的个体，并使它们将基因传到下一代中。基于其适应度评分，我们选择多对较优个体（父母）。适应度高的个体更易被选中繁殖，即将较优父母的基因传递到下一代。

交叉运算

交叉运算是遗传算法中最重要的阶段。对每一对配对的父母，基因都存在随机选中的交叉点。

举个例子，下图的交叉点为 3。

父母间在交叉点之前交换基因，从而产生了后代。

父母间交换基因，然后产生的新后代被添加到种群中。

变异运算

在某些形成的新后代中，它们的某些基因可能受到低概率变异因子的作用。这意味着二进制位串中的某些位可能会翻转。

变异运算前后

变异运算可用于保持种群内的多样性，并防止过早收敛。

终止

在群体收敛的情况下（群体内不产生与前一代差异较大的后代）该算法终止。也就是说遗传算法提供了一组问题的解。
案例实现

种群的规模恒定。新一代形成时，适应度最差的个体凋亡，为后代留出空间。这些阶段的序列被不断重复，以产生优于先前的新一代。

这一迭代过程的伪代码：

START
Generate the initial population
Compute fitness
REPEAT
Selection
Crossover
Mutation
Compute fitness
UNTIL population has converged
STOP

Java 中的示例实现

以下展示的是遗传算法在 Java 中的示例实现，我们可以随意调试和修改这些代码。给定一组五个基因，每一个基因可以保存一个二进制值 0 或 1。这里的适应度是基因组中 1 的数量。如果基因组内共有五个 1，则该个体适应度达到最大值。如果基因组内没有 1，那么个体的适应度达到最小值。该遗传算法希望最大化适应度，并提供适应度达到最大的个体所组成的群体。注意：本例中，在交叉运算与突变运算之后，适应度最低的个体被新的，适应度最高的后代所替代。

import java.util.Random;

/**
*
* @author Vijini
*/

//Main class
public class SimpleDemoGA {

Population population = new Population();
Individual fittest;
Individual secondFittest;
int generationCount = 0;

public static void main(String[] args) {

Random rn = new Random();

SimpleDemoGA demo = new SimpleDemoGA();

//Initialize population
demo.population.initializePopulation(10);

//Calculate fitness of each individual
demo.population.calculateFitness();

System.out.println("Generation: " + demo.generationCount + " Fittest: " + demo.population.fittest);

//While population gets an individual with maximum fitness
while (demo.population.fittest < 5) {
++demo.generationCount;

//Do selection
demo.selection();

//Do crossover
demo.crossover();

//Do mutation under a random probability
if (rn.nextInt()%7 < 5) {
demo.mutation();
}

//Add fittest offspring to population
demo.addFittestOffspring();

//Calculate new fitness value
demo.population.calculateFitness();

System.out.println("Generation: " + demo.generationCount + " Fittest: " + demo.population.fittest);
}

System.out.println("\nSolution found in generation " + demo.generationCount);
System.out.println("Fitness: "+demo.population.getFittest().fitness);
System.out.print("Genes: ");
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.print(demo.population.getFittest().genes[i]);
}

System.out.println("");

}

//Selection
void selection() {

//Select the most fittest individual
fittest = population.getFittest();

//Select the second most fittest individual
secondFittest = population.getSecondFittest();
}

//Crossover
void crossover() {
Random rn = new Random();

//Select a random crossover point
int crossOverPoint = rn.nextInt(population.individuals[0].geneLength);

//Swap values among parents
for (int i = 0; i < crossOverPoint; i++) {
int temp = fittest.genes[i];
fittest.genes[i] = secondFittest.genes[i];
secondFittest.genes[i] = temp;

}

}

//Mutation
void mutation() {
Random rn = new Random();

//Select a random mutation point
int mutationPoint = rn.nextInt(population.individuals[0].geneLength);

//Flip values at the mutation point
if (fittest.genes[mutationPoint] == 0) {
fittest.genes[mutationPoint] = 1;
} else {
fittest.genes[mutationPoint] = 0;
}

mutationPoint = rn.nextInt(population.individuals[0].geneLength);

if (secondFittest.genes[mutationPoint] == 0) {
secondFittest.genes[mutationPoint] = 1;
} else {
secondFittest.genes[mutationPoint] = 0;
}
}

//Get fittest offspring
Individual getFittestOffspring() {
if (fittest.fitness > secondFittest.fitness) {
return fittest;
}
return secondFittest;
}

//Replace least fittest individual from most fittest offspring
void addFittestOffspring() {

//Update fitness values of offspring
fittest.calcFitness();
secondFittest.calcFitness();

//Get index of least fit individual
int leastFittestIndex = population.getLeastFittestIndex();

//Replace least fittest individual from most fittest offspring
population.individuals[leastFittestIndex] = getFittestOffspring();
}

}

//Individual class
class Individual {

int fitness = 0;
int[] genes = new int[5];
int geneLength = 5;

public Individual() {
Random rn = new Random();

//Set genes randomly for each individual
for (int i = 0; i < genes.length; i++) {
genes[i] = rn.nextInt() % 2;
}

fitness = 0;
}

//Calculate fitness
public void calcFitness() {

fitness = 0;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
if (genes[i] == 1) {
++fitness;
}
}
}

}

//Population class
class Population {

int popSize = 10;
Individual[] individuals = new Individual[10];
int fittest = 0;

//Initialize population
public void initializePopulation(int size) {
for (int i = 0; i < individuals.length; i++) {
individuals[i] = new Individual();
}
}

//Get the fittest individual
public Individual getFittest() {
int maxFit = Integer.MIN_VALUE;
for (int i = 0; i < individuals.length; i++) {
if (maxFit <= individuals[i].fitness) {
maxFit = i;
}
}
fittest = individuals[maxFit].fitness;
return individuals[maxFit];
}

//Get the second most fittest individual
public Individual getSecondFittest() {
int maxFit1 = 0;
int maxFit2 = 0;
for (int i = 0; i < individuals.length; i++) {
if (individuals[i].fitness > individuals[maxFit1].fitness) {
maxFit2 = maxFit1;
maxFit1 = i;
} else if (individuals[i].fitness > individuals[maxFit2].fitness) {
maxFit2 = i;
}
}
return individuals[maxFit2];
}

//Get index of least fittest individual
public int getLeastFittestIndex() {
int minFit = 0;
for (int i = 0; i < individuals.length; i++) {
if (minFit >= individuals[i].fitness) {
minFit = i;
}
}
return minFit;
}

//Calculate fitness of each individual
public void calculateFitness() {

for (int i = 0; i < individuals.length; i++) {
individuals[i].calcFitness();
}
getFittest();
}

}

作者：Medium

来源：51CTO