【调度算法】关于轮盘赌和锦标赛两种选择算子的选用思考

算法概念及流程

先看两种选择算法的大致流程：

轮盘赌算法

轮盘赌算法（Roulette Wheel Selection）是一种用于选择个体的优化算法，常用于遗传算法和进化计算领域。其基本思想模拟了轮盘赌游戏中旋转轮盘的过程。

轮盘赌算法的步骤如下：

1. 计算每个个体的适应度值，适应度值越高表示个体的优势越大。
2. 将适应度值映射到轮盘上的区间，使得适应度较高的个体在轮盘上对应的区域更宽。
3. 在轮盘上旋转一个随机指针，指针所指的区域对应的个体被选中。
4. 重复选择过程，直到选择出足够数量的个体。

轮盘赌算法的核心思想是根据个体的适应度值来确定其被选中的概率，适应度较高的个体具有更大的概率被选中，从而增加了进化算法中优秀个体被选择的机会。

锦标赛算法

锦标赛算法（Tournament Selection）是一种常用的个体选择方法，常用于遗传算法和进化计算中。它模拟了锦标赛的竞争过程，通过不断地选择优胜者来构建新一代的个体群体。

锦标赛算法的基本流程如下：

1. 从当前种群中随机选择若干个个体作为参赛者。
2. 比较参赛者之间的适应度值，选择适应度最好的个体作为优胜者。
3. 重复以上步骤，直到选择出足够数量的优胜者。

锦标赛算法的特点在于每次选择的个体数量是固定的，这可以通过设置锦标赛的大小来调节。通常情况下，锦标赛的大小为2或3。

两种算法的对比

在进化算法中，轮盘赌选择和二元锦标赛选择都是常见的选择算子，用于选择个体进入下一代种群。它们有不同的工作原理和特点：

1. 轮盘赌选择：

   • 工作原理：每个个体的选择概率与其适应度成正比。适应度较高的个体更有可能被选中，但不排除适应度较低的个体被选中的可能性。
   • 随机性：轮盘赌选择是一个随机过程，因此对于相对较差的个体，仍有一定机会被选中，尽管概率较低。
   • 适用性：适用于连续适应度函数和二进制编码等多种情况。

2. 二元锦标赛选择：

   • 工作原理：在每次锦标赛中，选择两个个体进行比较，然后选择适应度较高（或适应度较低，根据问题类型而定）的个体作为获胜者。这个过程是确定性的，不涉及概率。
   • 随机性：二元锦标赛选择具有确定性，不像轮盘赌选择那样涉及随机性。
   • 适用性：通常用于离散适应度函数和二进制编码等情况。

选择轮盘赌或二元锦标赛选择的决定通常取决于问题的性质和算法的需求。轮盘赌选择具有更强的随机性，适用于一些问题，但可能导致较差个体的选择。二元锦标赛选择是一个确定性的选择方法，更适用于一些特定情况下，如需要更好的多样性维护、对较差个体更有限制等。

算法选用

个人理解，这两种算法一个比较大的区别就是，锦标赛算法比轮盘赌算法多了随机选择个体的步骤。轮盘赌算法在对个体进行选择时，选择的概率就已经取决于个体的适应度了，这样就自然会有选择更优解的一个趋势，即使较差的解也能有一定的选择概率；而锦标赛算法最开始选择个体是完全随机的，每个个体被选中参赛的概率相等，选中之后才根据适应度来PK优胜者，这样就给了较差的个体跟较好个体同样被选择参赛的机会，使较差的个体也有“矮个子里挑高”的既视感。所以相对而言，轮盘赌算法的目的性要更强一些，锦标赛算法则更有助于保持解的多样性。

下面简单总结了一下两种算子的适用情况。

当选择适合使用二元锦标赛和轮盘赌的情况取决于问题的性质和算法的需求。以下是一些示例，说明何时使用哪种选择操作更合适：

适合使用二元锦标赛的情况：

1. 多模式问题： 当问题具有多个局部最优解，且算法需要探索这些解时，二元锦标赛选择可以帮助维持多样性，使算法更有可能选择不同的个体。

2. 不确定性较高的问题： 如果问题的适应度函数存在较大的随机性或不确定性，二元锦标赛可以提供一定的稳定性，因为它不依赖于适应度值的绝对大小。

3. 均匀分布 Pareto 前沿： 当问题的 Pareto 前沿较为均匀分布时，二元锦标赛可以有效地选择个体，不会受到适应度值范围的影响。

适合使用轮盘赌选择的情况：

1. 确定性问题： 如果问题的适应度函数是确定性的，没有随机性或不确定性成分，轮盘赌选择通常可以正常工作。

2. 适应度值范围重要： 如果问题中存在明显的适应度值范围差异，轮盘赌选择可以根据适应度值的大小进行选择，有助于更快地收敛到 Pareto 前沿。

3. 全局优化问题： 当问题的目标是找到全局最优解而不是多个局部最优解时，轮盘赌选择可能更适用，因为它可以更加精确地根据适应度值选择个体。

另外，有时也可以结合使用这两种选择方法。

结合二元锦标赛和轮盘赌选择的方法可以利用它们各自的优点，以在多目标优化中获得更好的性能。下面是结合两种方法的特点的具体解释：

1. 多样性和适应度值平衡： 二元锦标赛选择有助于维持多样性，但不关心适应度值的大小。轮盘赌选择可以更好地考虑适应度值，确保选择更适应度高的个体。通过结合两者，可以在一定程度上平衡多样性和适应度值，从而更好地探索和利用 Pareto 前沿。

2. 探索和收敛： 二元锦标赛有助于算法在较早阶段更好地探索搜索空间，轮盘赌选择则更有助于收敛到 Pareto 前沿。在算法的不同阶段，可以根据需要使用不同的选择方法，以平衡探索和收敛的要求。

3. 适应度值范围考虑： 在某些情况下，问题中的适应度值范围可能相差很大。结合轮盘赌选择，可以根据适应度值的大小更有针对性地选择个体，从而提高了算法在 Pareto 前沿的性能。

4. 算法的灵活性： 结合两种选择方法提供了更大的算法灵活性。可以根据问题的特性和算法的需求动态选择使用哪种方法，或者在不同的阶段使用不同的选择方法。

最终，结合二元锦标赛和轮盘赌选择的方法可以根据具体问题和算法的要求获得更好的性能，同时平衡了多样性和适应度值的考虑。这种灵活性使算法能够更好地适应各种多目标优化问题。