/// <summary>
/// Метод для проверки сгенерированного номера особи
/// на пригодность для включения в стек номеров особей
/// </summary>
/// <param name="numToCheck">Номер для проверки</param>
/// <param name="selectedUnitNumbers">Стек с уже отобранными номерами</param>
/// <param name="population">Популяция, в которой предполагается существование
/// особи с таким номером</param>
/// <returns>True, если особь:
/// - имеет номер, больше либо равный нулю;
/// - не была отобрана на предыдущих итерациях;
/// - существует в популяции</returns>
private static bool IsValidRandomUnit(
int numToCheck,
Stack <int> selectedUnitNumbers,
AdditivePopulation population)
{
// Номер должен быть больше либо равен нулю
if (numToCheck < 0)
{
return(false);
}
// Номер не должен быть уже отобран
if (selectedUnitNumbers.Contains(numToCheck))
{
return(false);
}
// Особь с таким номером должна существовать в популяции
if (!population.ContainsUnit(numToCheck))
{
return(false);
}
// Норма
return(true);
}
/// <summary>
/// Метод для вывода информации о популяции в таблицу
/// </summary>
/// <param name="table">ПОДГОТОВЛЕННАЯ (PrepareProcessDataGrid) таблица</param>
/// <param name="population">Популяция, информацию о которой нужно
/// вывести в таблицу</param>
public static void AddPopulationToDataGrid(
DataGridView table,
AdditivePopulation population,
bool showDelimiterRow)
{
table.SuspendLayout();
// Предварительно вставим рядок-разделитель, если
// так хочет вызывающий метод
if (showDelimiterRow)
{
int delimiterRow = table.Rows.Add();
foreach (DataGridViewCell cell in table.Rows[delimiterRow].Cells)
{
cell.Value = "---";
}
}
// Переберем всю популяцию, отводя на особь по рядку
foreach (AdditiveIndividual unit in population)
{
int unitRow = table.Rows.Add();
table.Rows[unitRow].Cells[0].Value = unit.Number.ToString();
table.Rows[unitRow].Cells[1].Value = unit.Generation.ToString();
table.Rows[unitRow].Cells[2].Value = unit.FitnessValue.ToString(SettingsManager.Instance.DoubleStringFormat);
table.Rows[unitRow].Cells[3].Value = unit.GetChromo();
}
table.ResumeLayout();
}
/// <summary>
/// Метод для выполнения одноточечной инверсии особи
/// </summary>
/// <param name="population">Популяция, в которой находится родительская
/// особь и в которую будет помещен потомок</param>
/// <param name="unitNumber">Номер особи, над которой нужно выполнить инверсию
/// (уникальный)</param>
/// <param name="newGenerationNumber">Номер поколения, к которому относится потомок</param>
private static void Inversion(
ref AdditivePopulation population,
int unitNumber,
int newGenerationNumber)
{
// Признаки, у новой особи они будут такие же,
// за исключением значений признаков - их поправим позже
Dictionary <TId, IndividualAttribute> attributes =
population[unitNumber].Attributes;
// Генетический код родителя
string parentChromo = population[unitNumber].GetChromo();
Random rnd = new Random(DateTime.Now.Millisecond + DateTime.Now.Second);
// Точка инверсии
// Такая формула обусловлена следующим:
// - не должно получатся число, равное длине строки, потому что
// нумерация символов zero-based и будет ошибка;
int crossoverPointPosition = rnd.Next(parentChromo.Length - 1);
// Разделим хромосому на части, первая из которых останется неизменной,
// а вторая инвертируется
string parentFirstPart = parentChromo.Substring(0, crossoverPointPosition);
string parentSecondPart = parentChromo.Substring(crossoverPointPosition);
// Инвертируем вторую часть хромосомы
string newSecondPart = string.Empty;
// Проверим каждый ген в этой части хромосомы
char[] secondPart = parentSecondPart.ToCharArray();
foreach (char gene in secondPart)
{
// Выполним добавление гена к новой хромосоме,
// попутно инвертировав его
switch (gene)
{
case '1':
newSecondPart += "0";
break;
case '0':
newSecondPart += "1";
break;
}
}
// Составим хромосому потомка
string сhildChromo = parentFirstPart + newSecondPart;
// Получим и добавим в популяцию потомка
AdditiveIndividual child = new AdditiveIndividual(
population.GetFreeUnitNumber(),
newGenerationNumber,
attributes);
child.UpdateAttributes(сhildChromo);
population.Add(child.Number, child);
}
public static AdditivePopulation PerformMutation(
AdditivePopulation initPop,
double mutationProbability)
{
// Реализация мутации
// Генератор случайных чисел
Random rnd = new Random(DateTime.Now.Millisecond + DateTime.Now.Second);
// В популяции переберем каждую особь
foreach (AdditiveIndividual unit in initPop)
{
string newChromo = string.Empty;
// Для данной особи проверим каждый ген в
// хромосоме
char[] unitChromo = unit.GetChromo().ToCharArray();
foreach (char gene in unitChromo)
{
double rndNum = rnd.NextDouble();
// Если выпало меньше, чем вероятность,
// то мутация произошла, иначе - нет
if (rndNum <= mutationProbability)
{
// Выполним добавление гена к новой хромосоме,
// попутно инвертировав его
switch (gene)
{
case '1':
newChromo += "0";
break;
case '0':
newChromo += "1";
break;
}
}
else
{
// Выполним добавление гена к новой хромосоме,
// не инвертируя его
newChromo += gene.ToString();
}
}
// Обновим данные об особи на основе новой
// хромосомы
unit.UpdateAttributes(newChromo);
// Обнулим значение пригодности, потому что оно уже
// не соответствует значению признаков
unit.FitnessValue = double.NaN;
}
// Вернем измененную популяцию
return(initPop);
}
/// <summary>
/// Метод для преобразования модели в популяцию
/// </summary>
/// <param name="model">Исходная модель для преобразования</param>
/// <param name="generationNumber">Номер поколения, который будет присвоен
/// всем особям в создаваемой популяции</param>
/// <returns></returns>
private static AdditivePopulation ModelToPopulation(Model model, int generationNumber)
{
AdditivePopulation pop = new AdditivePopulation();
// 1. Сформируем словарь с параметрами особей. Все особи
// данной популяции должны характеризоваться одинаковым
// набором параметров, поэтому сформируем его заранее, а
// потом будем передавать в качестве параметра конструктора
// всем особям. Значения параметров будем затем назначать
// вручную
Dictionary <TId, IndividualAttribute> attributes =
new Dictionary <TId, IndividualAttribute>();
foreach (Parameter param in model.Parameters.Values)
{
IndividualAttribute attribute =
new IndividualAttribute(
param.Id,
param.MinValue,
param.MaxValue,
Program.ApplicationSettings.ValuesDecimalPlaces);
attributes.Add(param.Id, attribute);
}
// 2. Добавим в популяцию особи - столько же, сколько
// АКТИВНЫХ экспериментов в модели
foreach (Experiment exp in model.Experiments.Values)
{
if (exp.IsActive)
{
AdditiveIndividual unit =
new AdditiveIndividual(
exp.Number,
generationNumber,
attributes);
// Запишем значения оптимизируемых параметров эксперимента
// в словарь признаков особи
foreach (Parameter param in model.Parameters.Values)
{
unit.Attributes[param.Id].Value =
exp.ParameterValues[param.Id];
// Рассчитаем генетический код этой особи
unit.Attributes[param.Id].ResolveCodeFromValue();
}
// Добавим особь в популяцию
pop.Add(exp.Number, unit);
}
}
return(pop);
throw new NotImplementedException();
}
/// <summary>
/// Метод для преобразования популяции в модель
/// </summary>
/// <param name="initModel">Изначальная модель, нужна для получения
/// информации о параметрах, критериях и Ф.О., которая не хранится
/// в популяции</param>
/// <param name="population">Популяция, которую нужно превратить в модель</param>
/// <returns>Модель, которая получена из популяции</returns>
private static Model PopulationToModel(Model initModel, AdditivePopulation population)
{
Model result = new Model();
// Скопируем в новую модель информацию об оптимизируемых параметрах
foreach (Parameter param in initModel.Parameters.Values)
{
result.Parameters.Add((Parameter)param.Clone());
}
// Скопируем в новую модель информацию о критериях оптимальности
foreach (Criterion crit in initModel.Criteria.Values)
{
result.Criteria.Add((Criterion)crit.Clone());
}
// Скопируем в новую модель информацию о функциональных ограничениях
foreach (Constraint constr in initModel.FunctionalConstraints.Values)
{
result.FunctionalConstraints.Add((Constraint)constr.Clone());
}
// Скопируем в модель информацию об экспериментах
// Сколько в популяции особей, столько будет в модели экспериментов
foreach (AdditiveIndividual unit in population)
{
Experiment exp = new Experiment(unit.Number, unit.Number);
// Значения параметров для данной особи
foreach (Parameter param in result.Parameters.Values)
{
exp.ParameterValues.Add(param.Id, unit.Attributes[param.Id].Value);
}
// Добавим эксперимент в модель
result.Experiments.Add(exp);
}
// Вернем модель
return(result);
}
/// <summary>
/// Метод для получения результатов работы генетического алгоритма
/// </summary>
/// <param name="population">Популяция, на основе которой строится результат</param>
/// <returns>Результат работы генетического алгоритма</returns>
private static AdditiveMethodResult PrepareResult(AdditivePopulation population)
{
AdditiveMethodResult result = new AdditiveMethodResult("Генетический алгоритм", "Значение функции приспособленности");
// Отсортируем результаты по возрастанию по значению
// аддитивного критерия (меньше - лучше)
List <SortableDouble> sortedIndividuals = population.Select <AdditiveIndividual, SortableDouble>(
ind => new SortableDouble()
{
Direction = SortDirection.Ascending, Id = ind.Number, Value = ind.FitnessValue
}
).ToList();
sortedIndividuals.Sort();
// Заполним результаты
foreach (SortableDouble sortedIndividual in sortedIndividuals)
{
result.SortedPoints.Add(sortedIndividual.Id);
result.AdditionalData.Add(sortedIndividual.Id, sortedIndividual.Value);
}
return(result);
}
public static AdditivePopulation OnePointCrossover(
AdditivePopulation initPop,
int newGenerationNumber)
{
// Для начала проверим валидность данных
// Если в популяции ноль особей, то ошибка
if (initPop.Count < 1)
{
throw new ArgumentException("Can not perform crossover on a population with 0 units in it");
}
// Если номер нового (следующего) поколения меньше или равен
// номеру текущего, то ошибка
if (newGenerationNumber <= initPop.GetMaxGenerationNumber())
{
throw new Exception("New generation number is lesser than current");
}
// Все в порядке, можно проводить скрещивание
// Генератор случайных чисел
Random rnd = new Random(DateTime.Now.Millisecond + DateTime.Now.Second);
// Для создания пар сформируем стек.
// 1. Заполним его случайным образом (в случ.
// порядке) всеми имеющимися особями.
// 2. Будем доставать по две и скрещивать их между собой.
// 3. Если осталось 0 особей, то конец.
// 4. Если осталась 1 особь, то инверсия и goto п. 3.
Stack <int> unitsStack = new Stack <int>();
int maxUnitNumber = initPop.GetMaxUnitNumber();
while (unitsStack.Count < initPop.Count)
{
// Выберем из популяции случайную особь
int rndNumber = -1;
while (!IsValidRandomUnit(rndNumber, unitsStack, initPop))
{
// "+ 1" из-за особенностей реализации метода
// Random.Next(Int32, Int32). Если не будет "+ 1",
// то maxUnitNumber не выпадет никогда
rndNumber = rnd.Next(0, maxUnitNumber + 1);
}
// Номер подходящий, добавим его в стек
unitsStack.Push(rndNumber);
}
// Теперь стек заполнен номерами имеющихся особей в
// случайном порядке
// Будем доставать оттуда по две, пока там не останется
// 0 или 1 особь, и скрещивать
while (unitsStack.Count >= 2)
{
int firstParent = unitsStack.Pop();
int secondParent = unitsStack.Pop();
AdditiveCrossover.CrossTwoUnits(
ref initPop,
firstParent,
secondParent,
newGenerationNumber);
}
// Если осталось 0 особей, то всё готово, вернем
// популяцию
if (unitsStack.Count == 0)
{
return(initPop);
}
else
{
// Иначе же осталась 1 особь и мы должны выполнить инверсию
AdditiveCrossover.Inversion(
ref initPop,
unitsStack.Pop(),
newGenerationNumber);
return(initPop);
}
}
/// <summary>
/// Метод для выполнения одноточечного скрещивания двух
/// особей
/// </summary>
/// <param name="population">Популяция, в которой находятся две
/// родительские особи и куда будут помещены два потомка</param>
/// <param name="firstUnitNumber">Номер первого родителя в популяции (уникальный)</param>
/// <param name="secondUnitNumber">Номер второго родителя в популяции (уникальный)</param>
/// <param name="newGenerationNumber">Номер поколения, к которому относятся потомки</param>
private static void CrossTwoUnits(
ref AdditivePopulation population,
int firstUnitNumber,
int secondUnitNumber,
int newGenerationNumber)
{
// Признаки, у новых двух особей они будут такие же,
// за исключением значений признаков - их поправим позже
Dictionary <TId, IndividualAttribute> attributes =
population[firstUnitNumber].Attributes;
// Генетические коды родителей
string firstChromo = population[firstUnitNumber].GetChromo();
string secondChromo = population[secondUnitNumber].GetChromo();
// Небольшая проверка: длины кодов должны быть одинаковые
int chromoLength = firstChromo.Length;
if (chromoLength != secondChromo.Length)
{
throw new Exception("Chromosome lengths of two parents must be the same");
}
Random rnd = new Random(DateTime.Now.Millisecond + DateTime.Now.Second);
// Точка одноточечного скрещивания
// Такая формула обусловлена следующим:
// - не должно получатся число, равное длине строки, потому что
// нумерация символов zero-based и будет ошибка;
// - не должен получатся ноль, потому что тогда особи просто
// обменяются кодами и ничего не выйдет
int crossoverPointPosition = 1 + rnd.Next(chromoLength - 2);
// Разделим хромосомы на части, из которых будут составлены
// хромосомы потомков
string firstParentFirstPart = firstChromo.Substring(0, crossoverPointPosition);
string firstParentSecondPart = firstChromo.Substring(crossoverPointPosition);
string secondParentFirstPart = secondChromo.Substring(0, crossoverPointPosition);
string secondParentSecondPart = secondChromo.Substring(crossoverPointPosition);
// Составим хромосомы потомков
string firstChildChromo = firstParentFirstPart + secondParentSecondPart;
string secondChildChromo = secondParentFirstPart + firstParentSecondPart;
// Получим и добавим в популяцию первого потомка
AdditiveIndividual firstChild = new AdditiveIndividual(
population.GetFreeUnitNumber(),
newGenerationNumber,
attributes);
firstChild.UpdateAttributes(firstChildChromo);
population.Add(firstChild.Number, firstChild);
// Получим и добавим в популяцию второго потомка
AdditiveIndividual secondChild = new AdditiveIndividual(
population.GetFreeUnitNumber(),
newGenerationNumber,
attributes);
secondChild.UpdateAttributes(secondChildChromo);
population.Add(secondChild.Number, secondChild);
}
/// <summary>
/// Метод для поиска решения с помощью генетического алгоритма
/// </summary>
/// <param name="model">Оптимизационная модель, эксперименты из которой
/// выступят в качестве начальной популяции</param>
/// <param name="gaParams">Параметры генетического алгоритма</param>
/// <param name="table">Таблица для отображения процесса поиска решения.
/// Если null, то процесс поиска решения не отображается</param>
public static AdditiveMethodResult FindDecision(Model model, AdditiveParams gaParams, DataGridView table)
{
bool showProcess = (table != null);
int currentGeneration = 0;
// 1. Получим начальную популяцию из модели
AdditivePopulation population =
AdditiveSolver.ModelToPopulation(model, currentGeneration);
// Рассчитаем значения функции приспособленности
AdditiveSolver.CalcUnitsFitness(
ref model,
ref population,
gaParams.ExternalAppPath);
// Если надо, подготовим таблицу к выводу процесса и
// выведем начальную популяцию (без разделителя)
if (showProcess)
{
AdditiveDataGridFiller.PrepareProcessDataGrid(table);
AdditiveDataGridFiller.AddPopulationToDataGrid(table, population, false);
}
// 2. Пока не достигнуто нужное количество поколений
while (currentGeneration < gaParams.MaxGenerationsNumber)
{
// Увеличим счетчик поколений
currentGeneration++;
// 3. Отбор
population =
AdditiveSelection.TournamentSelection(population, gaParams.SelectionLimit);
// 4. Скрещивание
population =
AdditiveCrossover.OnePointCrossover(population, currentGeneration);
// 5. Мутация
population =
AdditiveMutation.PerformMutation(population, gaParams.MutationProbability);
// 6. Расчет приспособленности
// Модель обновится, метод CalcUnitsFitness рассчитает
// для популяции значения функции приспособленности, а для
// модели - значения критериев и Ф.О.
model = AdditiveSolver.PopulationToModel(model, population);
AdditiveSolver.CalcUnitsFitness(
ref model,
ref population,
gaParams.ExternalAppPath);
// Если надо, то выведем на экран информацию (с разделителем)
if (showProcess)
{
AdditiveDataGridFiller.AddPopulationToDataGrid(table, population, true);
}
}
// Подготовим результат на основе конечной популяции
AdditiveMethodResult result = AdditiveSolver.PrepareResult(population);
// Вернем результат
return(result);
}
private static void CalcUnitsFitness(
ref Model initModel,
ref AdditivePopulation population,
string externalAppPath)
{
// У нас есть модель. Рассчитаем для нее с помощью внешней
// программы значения критериев оптимальности и Ф.О.
#if DUMMY
// Запустим внешнюю программу и дождемся, пока она отработает
if (!AdditiveSolver.UseDummyExternalApplication(initModel, externalAppPath))
{
throw new Exception("Can not calculate fitness values using external program");
}
#else
// Файл для обмена данными между opt и расчетной программой
string dataFilePath = System.IO.Path.GetDirectoryName(externalAppPath) + "\\_ga_temp_file.xml";
// Запустим внешнюю программу и дождемся, пока она отработает
if (!AdditiveSolver.UseExternalApplication(
initModel,
externalAppPath,
dataFilePath))
{
throw new Exception("Can not calculate fitness values using external program");
}
// Раз программа отработала, прочтем результаты из файла
initModel = modelProvider.Load(dataFilePath);
// Удалим файл с данными
if (System.IO.File.Exists(dataFilePath))
{
System.IO.File.Delete(dataFilePath);
}
#endif
// Применим решатель для аддитивного критерия, чтобы получить его значения.
// Они послужат нам эквивалентом функции приспособленности
AdditiveCriterionSolver solver = new AdditiveCriterionSolver();
IntegralCriterionMethodResult result = solver.FindDecision(initModel);
// Из результатов аддитивного критерия выдерем его значения
foreach (TId expId in result.SortedPoints)
{
int unitNumber = initModel.Experiments[expId].Number;
population[unitNumber].FitnessValue = result.AdditionalData[expId];
}
// Применим Ф.О. к модели
initModel.ApplyFunctionalConstraints();
// Пометим на удаление в популяции особи, соответсвующие экспериментам,
// ставшим неактивными после применения Ф.О.
foreach (Experiment exp in initModel.Experiments.Values)
{
if (!exp.IsActive)
{
population.MarkForRemoval(exp.Number);
}
}
// И удалим помеченные
population.RemoveMarked();
}
public static AdditivePopulation TournamentSelection(
AdditivePopulation initPop,
int selectionLimit)
{
// Сначала проверим: если надо отобрать больше, чем есть,
// то выбросим ошибку
if (selectionLimit > initPop.Count)
{
throw new ArgumentException("Number of units to be selected is greater than number of units in population");
}
// Если надо отобрать столько же, сколько есть, просто
// вернем входную популяцию
if (selectionLimit == initPop.Count)
{
return(initPop);
}
// Список номеров отобранных особей
List <int> selectedUnitNumbers = new List <int>();
// Рандомайзер для выбора случайных особей
Random rnd = new Random(DateTime.Now.Millisecond + DateTime.Now.Second);
// Флагом того, что пора прекртатить итерации отбора,
// будет служить совпадение количества отобранных
// особей (в списке, объявленном выше) и переданного
// в качестве аргумента требуемого количества
int maxUnitNumber = initPop.GetMaxUnitNumber();
while (selectedUnitNumbers.Count != selectionLimit)
{
// В этом цикле будет проходить разбиение на пары
// и выбор лучшей особи из пары
// Список пары отобранных для турнира особей
List <int> selectedPair = new List <int>();
// Проверим: если среди неотобранных особей осталось всего две,
// то составим из них пару и не будем морочить себе голову
// случайностями
if ((initPop.Count - selectedUnitNumbers.Count) == 2)
{
foreach (AdditiveIndividual unit in initPop)
{
if (IsValidPairUnit(unit.Number, selectedPair, selectedUnitNumbers, initPop))
{
selectedPair.Add(unit.Number);
}
}
}
// Флагом остановки выбора случайной особи в пару
// будет служить наличие двух отобранных особей
while (selectedPair.Count != 2)
{
// Будем выбирать случайное число в диапазоне
// от 0 до значения счетчика особей в популяции
// до тех пор, пока не наткнемся на особь, которую
// можно отобрать в турнирную пару
int rndNumber = -1;
while (!IsValidPairUnit(rndNumber, selectedPair, selectedUnitNumbers, initPop))
{
// "+ 1" из-за особенностей реализации метода
// Random.Next(Int32, Int32). Если не будет "+ 1",
// то maxUnitNumber не выпадет никогда
rndNumber = rnd.Next(0, maxUnitNumber + 1);
}
// Когда найден подходящий номер, добавим его в пару
selectedPair.Add(rndNumber);
}
// Выберем из пары наиболее приспособленную особь
// (ту, у которой значение функции приспособленности
// лучше - то есть меньше, потому что мы работаем с
// аддитивным критерием)
if (opt.Helpers.Comparer.IsFirstValueBetter(
initPop[selectedPair[0]].FitnessValue,
initPop[selectedPair[1]].FitnessValue,
opt.DataModel.CriterionType.Minimizing))
{
// Первая особь лучше второй
selectedUnitNumbers.Add(selectedPair[0]);
}
else
{
// Вторая особь лучше первой
selectedUnitNumbers.Add(selectedPair[1]);
}
}
// Пометим на удаление все особи, кроме отобранных во время турнира
foreach (AdditiveIndividual unit in initPop)
{
if (!selectedUnitNumbers.Contains(unit.Number))
{
initPop.MarkForRemoval(unit.Number);
}
}
// Удалим помеченные особи
initPop.RemoveMarked();
// Вернем результат
return(initPop);
}
