丁 玲，范 平，聞 彬

（湖北科技學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,430074）

1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展

社會(huì)是一個(gè)發(fā)展的過(guò)程，人類所使用的計(jì)算工具也是不斷地更新和發(fā)展，例如計(jì)算工具就相繼出現(xiàn)了算盤(pán)、計(jì)算尺、手搖機(jī)械計(jì)算機(jī)、電動(dòng)機(jī)械計(jì)算機(jī)等。在1946年，美國(guó)發(fā)明了世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，從此人類的計(jì)算工程發(fā)生了天翻地覆的變化。人們接著研究出了第二代計(jì)算機(jī)，這類計(jì)算機(jī)和第一代計(jì)算機(jī)相比有了很大的改進(jìn)。接著是第三代計(jì)算機(jī)，這類計(jì)算機(jī)主要是以中、小規(guī)模集成電路作為電子器件，并且出現(xiàn)了操作系統(tǒng)，功能也是越來(lái)越強(qiáng)。第四代計(jì)算機(jī)機(jī)1970年以后采用的。這種計(jì)算機(jī)不僅運(yùn)算速度比從前提高了不少，而且已經(jīng)開(kāi)始用于生活中的各種運(yùn)算，性能已經(jīng)是大幅度提高。我們現(xiàn)在所用的基本上都是第五代計(jì)算機(jī)。如果說(shuō)前面幾代計(jì)算機(jī)只是性能上的提高，那么第五代計(jì)算機(jī)可以說(shuō)是從根本概念上有所突破，它徹底突破了以前的傳統(tǒng)——馮·諾依曼機(jī)器的概念，第五代計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算的高度統(tǒng)一，徹底改變?nèi)祟惖拿\(yùn)。

2 遺傳算法的定義

遺傳算法是一種借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律演化而來(lái)的隨機(jī)化搜索方法。它不同于一般的算法是它是直接對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)象進(jìn)行操作的。內(nèi)在隱蔽性比較好而且相比之下有更好地全局尋優(yōu)能力；并且這種算法是采取概率化的尋優(yōu)方法，它主要的特點(diǎn)就是可以自動(dòng)獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，并且可以自動(dòng)調(diào)整，不需要人為地來(lái)制定一些規(guī)則。

從遺傳算法的定義中我們可以看出，遺傳算法在搜索的時(shí)候是采用整體搜索策略和優(yōu)化搜索方法的，所以它在計(jì)算的時(shí)候并不需要依賴于梯度信息或者別的輔助知識(shí)；它需要的只是一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，一個(gè)能影響搜索方向的函數(shù)和一些相適應(yīng)的函數(shù)。正式遺傳算法有這些優(yōu)點(diǎn)，所以它的應(yīng)用范圍比較廣泛，通常不需要確定具體的問(wèn)題，它幾乎可以用于任何領(lǐng)域，只要滿足遺傳算法的一些條件就可以了。比如說(shuō)遺傳算法就常用于函數(shù)的優(yōu)化和組合優(yōu)化。

3 遺傳算法的重要性

前面簡(jiǎn)單的介紹了一下什么是遺傳算法，那么遺傳算法為什么會(huì)如此重要，應(yīng)用為什么會(huì)如此廣泛呢，這跟遺傳算法的特征是密不可分的。一般的算法有可能從問(wèn)題的單個(gè)解開(kāi)始，但是遺傳算法是從問(wèn)題解的串集開(kāi)始搜索，這就體現(xiàn)了遺傳算法比傳統(tǒng)算法的先進(jìn)之處，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法一般都是從單個(gè)初始值的迭代開(kāi)始求最優(yōu)解的，這樣算法有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)就是不能考慮到全局。而遺傳算法就可以很好地考慮全局，全面有效的選擇選擇最優(yōu)解。遺傳算法在處理問(wèn)題的時(shí)候會(huì)同時(shí)處理群體中的多個(gè)個(gè)體，這樣也是為了避免傳統(tǒng)優(yōu)化算法的誤區(qū)，避免陷入局部最優(yōu)解，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)算法本身的并行化。遺傳算法的最大特點(diǎn)其實(shí)是它基本上不用搜索空間的知識(shí)和其他的一些輔助信息，而僅用適應(yīng)度函數(shù)值來(lái)評(píng)估個(gè)體，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行遺傳操作。這種適應(yīng)度函數(shù)可以不受連續(xù)可微的約束，而且它的定義域也是不受約束的，可以任意設(shè)定。遺傳算法的這個(gè)特點(diǎn)使得遺傳算法在應(yīng)用中得到廣泛使用。遺傳算法是借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律來(lái)模擬運(yùn)算的，所以這種算法一般是不用確定一個(gè)特定的計(jì)算規(guī)律，而是根據(jù)概率的變遷規(guī)則來(lái)指導(dǎo)算法的搜索方向。等等一系列的特點(diǎn)使得遺傳算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用得以如此廣泛。

4 遺傳算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

4.1 遺傳算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在一般的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有兩個(gè)很重要的問(wèn)題就是各條線路的容量分配和各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的路由選擇。如果一個(gè)算法中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和交換量都給定了，那么我們?cè)趺创_定各條鏈路的容量大小和選擇各節(jié)點(diǎn)間的最佳路由呢？怎么樣才能減小成本，并且可以保證質(zhì)量，滿足用戶的需求呢？這就是我們需要考慮的問(wèn)題。通常在傳統(tǒng)的算法情況下我們遇到這種多條件限制的問(wèn)題時(shí)通常都會(huì)先確定一個(gè)條件不變?nèi)タ紤]另外一個(gè)條件，然后在確定另外一個(gè)條件不變來(lái)考慮原來(lái)的條件。比如傳統(tǒng)的算法就是先確定路由然后考慮容量分配問(wèn)題，或者是先確定容量分配然后在考慮路由量。但是在這種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，我們這樣做是不太合適的，因?yàn)槁酚傻倪x擇和鏈容量的選擇是確定相關(guān)的，因此最佳的方案是同時(shí)考慮這兩個(gè)問(wèn)題。我們可以看出來(lái)顯然這是一個(gè)多約束條件的復(fù)雜非線性規(guī)劃問(wèn)題，對(duì)于這種問(wèn)題，我們可以以遺傳算法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種遺傳尋優(yōu)算法。通過(guò)計(jì)算機(jī)遺傳算實(shí)例表明這種算法可以算出近似最優(yōu)解，而且精度比較高。

優(yōu)化設(shè)計(jì)中的數(shù)學(xué)模型

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，中間節(jié)點(diǎn)一般會(huì)采用一種“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”方式工作。通常節(jié)點(diǎn)處理都是需要時(shí)間的，比如本算法中的節(jié)點(diǎn)處理和鏈路處理都是需要時(shí)間的，但是由于這種處理的時(shí)間非常短，而且也不便測(cè)量，所以我們?cè)谟?jì)算的時(shí)候通常就是忽略這兩種時(shí)延不計(jì)，僅僅考慮等待時(shí)延。在這種估算的情況下我們可以采用排隊(duì)模型來(lái)處理，就是采用“先來(lái)先服務(wù)”規(guī)則。

4.2 遺傳算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度優(yōu)化計(jì)算中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用的普及，致使網(wǎng)絡(luò)用戶節(jié)點(diǎn)不斷增加網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日漸壯大，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也在不斷加強(qiáng)。現(xiàn)在全世界計(jì)算機(jī)普及率已經(jīng)很高了，我們可以看出計(jì)算機(jī)的使用量在當(dāng)今的這個(gè)社會(huì)是如此龐大。計(jì)算機(jī)有它的優(yōu)點(diǎn)，其中人們就是利用了計(jì)算機(jī)便于儲(chǔ)存信息的特點(diǎn)來(lái)儲(chǔ)存大量的信息，很多重要的資料都存在計(jì)算機(jī)中。但是一旦計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)故障那么給人們帶來(lái)的損失也將是非常慘重的，甚至是無(wú)法估計(jì)的。所以計(jì)算機(jī)是否可靠，我們又怎么樣來(lái)提高計(jì)算機(jī)的可靠性呢？在降低計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成本的同時(shí)提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠性是人們一直追求的問(wèn)題。在傳統(tǒng)求解方法對(duì)于這一復(fù)雜優(yōu)化NP難題，人們通常顯得力不從心，針對(duì)這一現(xiàn)象，本段提出了用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度優(yōu)化計(jì)算的遺傳算法，并且用實(shí)例實(shí)現(xiàn)了算法的執(zhí)行過(guò)程。這種問(wèn)題都可以轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型來(lái)做，但是由于模型比較復(fù)雜在這里就不做贅述了。當(dāng)然遺傳算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還不止這些，比如說(shuō)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)劃分優(yōu)化用的應(yīng)用，遺傳算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)劃分應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)劃分的目的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種劃分是可行并且有效地。還有就是遺傳算法在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)容量分配和流量控制中的應(yīng)用。

4.3 遺傳算法在計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新作曲中的應(yīng)用

現(xiàn)代科技越來(lái)越發(fā)達(dá)了，而且歷史也證明很多新的科學(xué)都是在不同領(lǐng)域?qū)W科的交叉點(diǎn)上完成的。上個(gè)世紀(jì)七十年代出現(xiàn)了一種新的音樂(lè)叫做“電腦音樂(lè)”就是音樂(lè)技術(shù)與信息科學(xué)技術(shù)所產(chǎn)生的交叉科學(xué)。近幾年來(lái)電腦音樂(lè)已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步和發(fā)展，也產(chǎn)生了很多的效果。比如說(shuō)電子樂(lè)器，還有各種音頻信號(hào)壓縮等技術(shù)。許多采用遺傳算法規(guī)律的算法都是采用基于實(shí)例的隨機(jī)算法來(lái)處理算法的過(guò)程。遺傳算法的核心就是根據(jù)生物進(jìn)化規(guī)則來(lái)進(jìn)行優(yōu)勝劣汰的，它也是通過(guò)計(jì)算機(jī)創(chuàng)造染色體的方式來(lái)模擬生物進(jìn)化法則從而算出結(jié)果來(lái)的。遺傳算法在音樂(lè)方面的作用已經(jīng)得到了充分的證實(shí)，但是也還是存在著許多問(wèn)題。任然需要不斷地改進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)入90年代以來(lái)，遺傳算法可以說(shuō)是迎來(lái)了它的興旺時(shí)期，這時(shí)候遺傳算法得到了廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是在理論研究領(lǐng)域還是在科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域都得到了很大的應(yīng)用。其中尤其是遺傳算法的應(yīng)用，人們更是不斷地研究。而且利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化和規(guī)則學(xué)習(xí)的能力也是顯著提高，同時(shí)遺傳算法也應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面。遺傳算法可以說(shuō)已經(jīng)涉及到現(xiàn)代科技發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，在不同的領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展遺傳算法的研究出現(xiàn)了幾個(gè)新的方向特別引人注目，分別是：遺傳算法的機(jī)器學(xué)習(xí)，遺傳算法在不同學(xué)科中的交叉綜合，前面所說(shuō)的遺傳算法在音樂(lè)中的應(yīng)用就是一個(gè)很好地例子。還有就是遺傳算法在人工生命方面的研究?？傊z傳算法是一種新的科學(xué)運(yùn)算規(guī)則，它在當(dāng)今社會(huì)的很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，而且具有很多優(yōu)點(diǎn)。但是遺傳算法也還是有不足之處的。比如說(shuō)遺傳算法在效率上就比一般的傳統(tǒng)優(yōu)化算法低，這是因?yàn)檫z傳算法從全局考慮的原因。遺傳算法的精度、可行度、計(jì)算復(fù)雜性等方面相比傳統(tǒng)算法來(lái)說(shuō)就缺少一種有效的定量分析方法。

［1］ 張順頤，基于遺傳算法利用網(wǎng)絡(luò)時(shí)延解決路由問(wèn)題的心算法[J]；通信學(xué)報(bào)，1999.20（12）:31-37

［2］ 孫力娟，吳新余.應(yīng)用遺傳算法求解計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)的最佳路由——一種新的遍歷匹配選擇法[J]；南京郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，1996,16（2）：26-28