本文主要比较了几种python的遗传算法框架,并简单介绍使用方法
代码框架:https://github.com/PytLab/gaft
pip install gaft
from gaft import GAEngine
from gaft.components import BinaryIndividual
from gaft.components import Population
from gaft.operators import RouletteWheelSelection
from gaft.operators import UniformCrossover
from gaft.operators import FlipBitMutation
from gaft.analysis.fitness_store import FitnessStore
from gaft.plugin_interfaces.analysis import OnTheFlyAnalysis
# Define population.
# 变量范围:x in [-2, 2] y in [-2, 2]
indv_template = BinaryIndividual(ranges=[(-2, 2), (-2, 2)], eps=0.001)
population = Population(indv_template=indv_template, size=50)
population.init()
# Create genetic operators.
selection = RouletteWheelSelection()
crossover = UniformCrossover(pc=0.8, pe=0.5)
mutation = FlipBitMutation(pm=0.1)
# Create genetic algorithm engine.
engine = GAEngine(population=population, selection=selection,
crossover=crossover, mutation=mutation,
analysis=[FitnessStore])
# Define fitness function.
@engine.fitness_register
@engine.minimize # 注释这一行为找最大值
def fitness(indv):
x, y = indv.solution # 对应【16行】的变量顺序
return x * x + y
# 输出结果:如果不要直接注释掉
@engine.analysis_register
class ConsoleOutput(OnTheFlyAnalysis):
master_only = True
interval = 20 # 每隔多少次迭代 打印一条结果
def register_step(self, g, population, engine):
best_indv = population.best_indv(engine.fitness)
msg = 'Generation: {}, best fitness: {:.3f}'.format(g, engine.fmax)
engine.logger.info(msg)
if '__main__' == __name__:
engine.run(ng=100) # 迭代100次后停止
结果输出保存在best_fit.py中。
代码框架:http://geatpy.com/index.php/2019/07/28/3-%E5%BF%AB%E9%80%9F%E5%85%A5%E9%97%A8/
教程:http://geatpy.com/index.php/2019/07/28/3-%E5%BF%AB%E9%80%9F%E5%85%A5%E9%97%A8/
pip install geatpy
使用方法:参见上面教程和代码框架里的demo,这里列出第一个demo。
import numpy as np
import geatpy as ea
import time
"""=======================目标函数====================="""
def aim(Phen): # 传入种群染色体矩阵解码后的基因表现型
x1 = Phen[:, [0]] # 取出第一列,得到所有个体的第一个自变量
x2 = Phen[:, [1]] # 取出第二列,得到所有个体的第二个自变量
return np.sin(x1+x2) + (x1-x2)**2 - 1.5*x1 + 2.5*x2 + 1
"""=======================变量范围====================="""
x1 = [-1.5, 4] # 第一个决策变量范围
x2 = [-3, 4] # 第二个决策变量范围
b1 = [1, 1] # 第一个决策变量边界,1表示包含范围的边界,0表示不包含
b2 = [1, 1] # 第二个决策变量边界,1表示包含范围的边界,0表示不包含
# 生成自变量的范围矩阵,使得第一行为所有决策变量的下界,第二行为上界
ranges=np.vstack([x1, x2]).T
# 生成自变量的边界矩阵
borders=np.vstack([b1, b2]).T
varType = np.array([0, 0]) # 决策变量的类型,0表示连续,1表示离散
"""=====================染色体编码设置==================="""
Encoding = 'BG' # 'BG'表示采用二进制/格雷编码
codes = [1, 1] # 决策变量的编码方式,两个1表示变量均使用各类编码
precisions = [6, 6] # 决策变量的编码精度,表示解码后能表示的决策变量的精度可达小数点6位
scales = [0, 0] #0表示采用算术刻度,1表示采用对数刻度
# 调用函数创建译码矩阵
FieldD = ea.crtfld(Encoding, varType, ranges, borders, precisions, codes, scales)
"""====================遗传算法参数设置=================="""
NIND = 20 # 种群个体数目
MAXGEN = 100 # 最大遗传代数
maxormins = [1] #表示目标函数是最小化,元素为-1则表示对应的目标函数是最大化
selectStyle = 'sus' # 采用随机抽样选择
recStyle = 'xovdp' # 采用两点交叉
mutStyle = 'mutbin' # 采用二进制染色体的变异算子
pc = 0.9 # 交叉概率
pm = 1 #整条染色体的变异概率(每一位的变异概率=pm/染色体长度)
Lind = int(np.sum(FieldD[0, :])) # 计算染色体长度
print("种群个体数目:", NIND)
print("最大遗传代数:",MAXGEN)
print("交叉概率", pc)
print("染色体长度:",Lind,"\n每一位的变异概率:",pm/Lind)
obj_trace = np.zeros((MAXGEN, 2)) # 定义目标函数值记录器
var_trace = np.zeros((MAXGEN, Lind)) # 染色体记录器,记录历代最优个题的染色体
"""====================开始遗传算法进化=================="""
start_time = time.time() # 开始计时
Chrom = ea.crtpc(Encoding,NIND,FieldD) # 生成种群染色体矩阵
variable = ea.bs2real(Chrom, FieldD) # 对初始种群进行解码
ObjV = aim(variable) # 计算初始种群个体的目标函数值
best_ind = np.argmin(ObjV) # 计算当代最优个体序号,最大:argmax
# 开始进化
for gen in range(MAXGEN):
FitnV = ea.ranking(maxormins * ObjV) # 根据目标函数大小分配适应度值
SelCh = Chrom[ea.selecting(selectStyle, FitnV, NIND-1), :] # 选择
SelCh = ea.recombin(recStyle, SelCh, pc) # 重组
SelCh = ea.mutate(mutStyle, Encoding, SelCh, pm) #变异
# 把父代精英个体与子代的染色体进行合并,得到新一代种群
Chrom = np.vstack([Chrom[best_ind, :], SelCh])
Phen = ea.bs2real(Chrom, FieldD) # 对种群进行解码(二进制转十进制)
ObjV = aim(Phen) # 求种群个体的目标函数值
# 记录
best_ind = np.argmin(ObjV) # 计算当代最优个体的序号
obj_trace[gen,0]=np.sum(ObjV)/ObjV.shape[0]
# 记录当代种群的目标函数值
obj_trace[gen,1]=ObjV[best_ind] # 记录当代种群最优个体的染色体
var_trace[gen,:]=Chrom[best_ind,:] # 记录当代种群最优个体的染色体
# 进化完成
end_time = time.time() #结束计时
ea.trcplot(obj_trace, [['种群个体平均目标函数值','种群最优个体目标函数值']]) #绘图
"""=======================输出结果====================="""
best_gen = np.argmin(obj_trace[:, [1]])
print('最优解的目标函数值:', obj_trace[best_gen, 1])
variable = ea.bs2real(var_trace[[best_gen], :], FieldD) # 解码得到的表现型(即对应的决策变量值)
print('最优解的决策变量值为:')
for i in range(variable.shape[1]):
print('x'+str(i)+'=',variable[0,i])
print('用时:',end_time - start_time,"秒")
代码框架:https://github.com/guofei9987/scikit-opt
教程:https://scikit-opt.github.io/#/docs/zh
pip install scikit-opt
或者直接下载源代码调用
# 定义目标函数
def demo_func(x):
x1, x2, x3 = x
return x1 ** 2 + (x2 - 0.05) ** 2 + x3 ** 2
# 调入遗传算法求解器
from sko.GA import GA
ga = GA(func=demo_func, lb=[-1, -10, -5], ub=[2, 10, 2], max_iter=500)
best_x, best_y = ga.fit()
# 绘图
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
FitV_history = pd.DataFrame(ga.FitV_history)
fig, ax = plt.subplots(2, 1)
ax[0].plot(FitV_history.index, FitV_history.values, '.', color='red')
plt_max = FitV_history.max(axis=1)
ax[1].plot(plt_max.index, plt_max, label='max')
ax[1].plot(plt_max.index, plt_max.cummax())
plt.show()