ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG LỤC TRỌNG HIẾU GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ ỨNG DỤNG TRONG BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA KHẨU PHẦN THỨC ĂN CHĂN NI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Ngun - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG LỤC TRỌNG HIẾU GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ ỨNG DỤNG TRONG BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA KHẨU PHẦN THỨC ĂN CHĂN NI CHUN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ : 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Phạm Thanh Hà Thái Ngun – n 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ i LỜI CẢM ƠN Trước hết cho tơi gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể các thầy cơ giáo Viện Cơng nghệ Thơng tin, cùng tồn thể q Thầy Cơ trong trường Đại học Cơng nghệ Thơng tin & Truyền thơng đã tận tình dạy dỗ tận tình truyền đạt những kiến thức q báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình học tập, nghiên cứu và cho đến khi thực hiện luận văn. Đặc biệt tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS.Phạm Thanh Hà, Trưởng bộ mơn Cơng nghệ phần mềm, Phó Trưởng khoa Cơng nghệ thơng tin, Trường Đại học Giao thơng vận tải - Hà Nội đã quan tâm hướng dẫn và đưa ra những gợi ý, góp ý, chỉnh sửa vơ cùng q báu cho tơi trong q trình làm luận văn tốt nghiệp. Xin gửi lời tri ân nhất của tơi đối với những điều mà Thầy đã dành cho tơi Cuối cùng xin chân thành cảm ơn những người bạn đã giúp đỡ, chia sẽ với tơi trong suốt q trình làm luận văn. Thái Ngun, tháng 04 năm 2014 Học viên thực hiện Lục Trọng Hiếu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào Thái Ngun, ngày 12 tháng 04 năm 2014 Tác giả luận văn Lục Trọng Hiếu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Minh họa q trình chọn lọc 9 Bảng 1.2. Minh họa q trình lai ghép 9 Bảng 2.1. Minh họa q trình đột biến 23 Bảng 2.2. Các vị trí đột biến 24 Bảng 3.1: Bảng dinh dưỡng tại 3 thời kỳ ni 38 Bảng 3.2. Bảng ví dụ chất dinh dưỡng cần thiết cho lợn 39 Bảng 3.3: Thành phần thức ăn thường sử dụng cho lợn 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ lai ghép điểm cắt 6 Hình 2.1. Minh họa bánh xe rulet 13 Hình 2.2. Biểu diễn giá trị của 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ v MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 3 1.1. Mở đầu 3 1.2. Các khái niệm cơ bản của giải thuật di truyền 4 1.2.1. Giới thiệu chung 4 1.2.2. Giải thuật di truyền đơn giản 5 Chương 2.VẤN ĐỀ BIỂU DIỄN NHIỄM SẮC THỂ TRONG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 11 2.1. Phương pháp biểu diễn nhiễm sắc thể bằng mã hóa nhị phân 11 2.2. Giải thuật di truyền với biểu diễn thực 26 2.2.1 Biểu diễn nhiễm sắc thể bằng số thực 26 2.2.2 Nhóm tốn tử đột biến 27 2.2.3. Nhóm tốn tử lai tạo 29 2.3. Giải thuật di truyền với biểu diễn nhiễm sắc thể bằng mã hóa ký tự 32 2.3.1. Bài tốn người du lịch 32 2.3.2. Mã hóa ký tự và các kỹ thuật ghéo chép mới 32 Chương 3.ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN TRONG BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA KHẨU PHẦN THỨC ĂN CHĂN NI 37 3.1. Bài tốn tối ưu hóa khẩu phần thức ăn chăn ni 37 3.2. Vấn đề tối ưu số và xử lý ràng buộc 43 3.2.1 Bài tốn tối ưu số 43 3.2.2 Đột biến đồng dạng 47 3.2.3 Đột biến biên 47 3.3.1 Đột biến khơng đồng dạng 47 3.3.2 Lai số học 48 3.3.3 Lai đơn giản 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vi 3.4. Ứng dụng giải thuật di truyền xác định khẩu phần thức ăn chăn ni49 3.4.1. Xác định hàm mục tiêu và các ràng buộc 49 3.4.2 Xây dựng giải thuật di truyền tối ưu hóa khẩu phần thức ăn lợn 51 3.4.3 Kết quả thử nghiệm 61 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 1 PHẦN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Trong các trang trại ni lợn, chăn ni lợn có hiệu quả và lợi nhuận phụ thuộc vào sự hiểu biết về mơi trường, y tế, sự quản lý, và dinh dưỡng. Tuy nhiên, thực ăn gia súc chiếm từ 60 đến 70% của tổng chi phí của chăn ni lợn. [5] Vì vậy trong chăn ni cơng nghiệp, hầu hết trang trại cần phải lập khẩu phần thức ăn cho lợn càng rẻ càng tốt. Năng lượng, chất béo, protein, khống chất và vitamin phải được cung cấp và cân bằng để đáp ứng các u cầu về tiêu chuẩn dinh dưỡng của lợn. Ngồi ra, một số trang trại ni lợn có các loại lợn ni khác nhau do đó cần chế độ dinh dưỡng khác nhau. [5,6] Bài tốn lập khẩu phần thức ăn cho lợn là bài tốn tối ưu về giá thành nhưng phải đảm bảo các tiêu chuẩn dinh dưỡng. Xét về tổng thể đây là bài tốn tối ưu với nhiều ràng buộc. Giải thuật di truyền là một trong những kỹ thuật tìm kiếm tối ưu giúp ta giải quyết được những vấn đề đã đặt ra ở trên, nó cho phép ta tìm kiếm lời giải tối ưu trên các khơng gian lớn, ngun tắc cơ bản của giải thuật di truyền là mơ phỏng q trình chọn lọc của tự nhiên. Cho đến nay lĩnh vực nghiên cứu về giải thuật di truyền đã thu được nhiều thành tựu, giải thuật di truyền được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực phức tạp, các vấn đề khó có thể giải quyết được bằng phương pháp thơng thường [3,4]. Với những khả năng tiềm tàng của giải thuật di truyền đã là động lực và lý do chính để tác giả chọn đề tài “Giải thuật di truyền và ứng dụng trong bài tốn tối ưu hóa khẩu phần thức ăn chăn ni”. Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu các khái niệm cơ bản của giải thuật di truyền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 2 - Nghiên cứu một số phương pháp biểu diễn nhiễm sắc thể trong giải thuật di truyền và các tốn tử di truyền tương ứng - Ứng dụng giải thuật di truyền để giải quyết bài tốn tối ưu hóa khẩu phần thức ăn chăn ni. Phạm vi của đề tài - Nghiên cứu các khái niệm cơ bản của giải thuật di truyền. - Nghiên cứu giải thuật di truyền sử dụng phương pháp biểu diễn nhiễm sắc thể bằng mã hóa nhị phân và các tốn tử di truyền tương ứng. - Nghiên cứu giải thuật di truyền sử dụng phương pháp biểu diễn nhiễm sắc thể bằng mã hóa số thực và các tốn tử di truyền tương ứng. - Ứng dụng giải thuật di truyền để giải quyết bài tốn tối ưu hóa khẩu phần thức ăn chăn ni. Phương pháp nghiên cứu. + Nghiên cứu tài liệu, các bài báo trên các tạp chí và trên internet và viết tổng quan để nắm vững nội dung lý thuyết chun ngành và khả năng ứng dụng. + Nghiên cứu so sánh tìm ra sự khác biệt giữa các cách tiếp cận, giữa các phương pháp lập luận làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp của đề tài. + Lập trình mơ phỏng thuật tốn trên máy tính để thuận lợi trong nghiên cứu hiệu quả của phương pháp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ [...]... chọn khác nhau cho từng vấn đề trên Phần tiếp theo sẽ đưa ra cách lựa chọn theo J.H Holland khi thiết kế phiên bản giải thuật GA đầu tiên Giải thuật này được gọi là giải thuật di truyền đơn giản (SGA) 1.2.2 Giải thuật di truyền đơn giản Trong giải thuật di truyền của mình J H Holland sử dụng mã hố nhị phân để biểu di n các cá thể, lý do là phần lớn các bài tốn tối ưu hố đều có thể được mã hố thành chuỗi... tập được gọi là quần thể các lời giải có thể Thơng qua việc áp dụng các tốn tử di truyền, giải thuật GA tráo đổi thơng tin giữa các cực trị và do đó làm giảm thiểu khả năng kết thúc giải thuật tại một cực trị địa phương Trong thực tế, giải thuật GA đã được áp dụng thành cơng trong nhiều lĩnh vực Giải thuật GA lần đầu được tác giả Holland giới thiệu vào năm 1962 Giải thuật GA mơ phỏng q trình tồn tại... KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 1.1 Mở đầu Giải thuật di truyền (Gennetic Algorithm, viết tắt là GA) là giải thuật tìm kiếm, chọn lựa các giải pháp tối ưu để giải quyết các bài tốn khác nhau dựa trên cơ chế chọn lọc tự nhiên của ngành di truyền học Trong cơ thể sinh vật, các gen liên kiết với nhau theo cấu trúc dạng chuỗi gọi là nhiễm sắc thể, nó đặc trưng cho mỗi lồi và quyết định sự sống... học máy tính xây dựng nên một giải thuật tìm kiếm tinh tế dựa trên cơ sở chọn lọc tự nhiên và quy luật tiến hóa, gọi là giải thuật di truyền Các ngun lý cơ bản của giải thuật được tác giả Holland đề xuất lần đầu vào năm 1962 Nền tảng tốn học của giải thuật GA được tác giả cơng bố trong cuốn sách “Sự thích nghi trong các hệ thống tự nhiên và nhân tạo” xuất bản năm 1975 Giải thuật GA được xem như một phương... phương pháp tìm kiếm có bước chuyển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 4 ngẫu nhiên mang tính tổng qt để giải các bài tốn tối ưu hố [1,3,4] 1.2 Các khái niệm cơ bản của giải thuật di truyền 1.2.1 Giới thiệu chung Giải thuật GA ,[3,4] thuộc lớp các giải thuật tìm kiếm tiến hố Khác với phần lớn các giải thuật khác tìm kiếm theo điểm, giải thuật GA thực hiện tìm kiếm song song... 729 và độ thích nghi trung bình là 438 Như vậy chỉ qua một thế hệ, các cá thể đã “tốt lên” rất nhiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 11 Chương 2 VẤN ĐỀ BIỂU DI N NHIỄM SẮC THỂ TRONG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 2.1 Phương pháp biểu di n nhiễm sắc thể bằng mã hóa nhị phân Giải thuật di truyền với biểu di n nhiễm sắc thể bằng mã hóa nhị phân đã được đề cập sơ bộ trong chương 1 Trong. .. (nghĩa là một thế hệ) của giải thuật di truyền, q trình trên sẽ lặp lại cho đến khi đạt tới số thế hệ cần thiết 2.2 Giải thuật di truyền với biểu di n thực 2.2.1 Biểu di n nhiễm sắc thể bằng số thực Trong biểu di n thực, mỗi véc tơ nhiễm sắc thể được mã hố thành vectơ thực có cùng chiều dài với véc tơ lời giải Mỗi phần tử được chọn lúc khởi tạo sao cho thuộc miền xác định của nó, và các tốn tử được thiết... di n nhiễm sắc thể bằng mã hóa nhị phân đã được đề cập sơ bộ trong chương 1 Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về giải thuật di truyền này thơng qua một bài tốn tối ưu số [4] Khơng làm mất tính tổng qt, ta giả định bài tốn tối ưu là bài tốn tìm cực đại của hàm nhiều biến f Bài tốn tìm cực tiểu hàm g chính là bài tốn tìm cực đại hàm f = -g, hơn nữa ta có thể giả định hàm mục tiêu f có giá trị... Bây giờ, mỗi nhiễm sắc thể (là một lời giải) được biểu di n bằng một chuỗi nhị phân có chiều dài m k i 1 mi , m1 bit đầu tiên biểu di n giá trị trong khoảng [a1,b1], m2 bit kế tiếp biểu di n giá trị trong khoảng [a2,b2], … Để khởi tạo quần thể, chỉ cần đơn giản tạo pop_size nhiễm sắc thể ngẫu nhiên theo từng bit Phần còn lại của giải thuật di truyền rất đơn giản, trong mỗi thế hệ, ta lượng giá từng nhiễm... có độ phù hợp tốt nhất thơng qua q trình chọn lọc tự nhiên, sao cho khi giải thuật được thực thi, quần thể các lời giải tiến hố tiến dần tới lời giải mong muốn Giải thuật GA duy trì một quần thể các lời giải có thể của bài tốn tối ưu hố Thơng thường, các lời giải này được mã hố dưới dạng một chuỗi các gien Giá trị của các gien có trong chuỗi được lấy từ một bảng các ký tự được định nghĩa trước Mỗi chuỗi . DI TRUYỀN TRONG BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA KHẨU PHẦN THỨC ĂN CHĂN NI 37 3.1. Bài tốn tối ưu hóa khẩu phần thức ăn chăn ni 37 3.2. Vấn đề tối ưu số và xử lý ràng buộc 43 3.2.1 Bài tốn tối ưu số 43. những khả năng tiềm tàng của giải thuật di truyền đã là động lực và lý do chính để tác giả chọn đề tài Giải thuật di truyền và ứng dụng trong bài tốn tối ưu hóa khẩu phần thức ăn chăn ni”. Mục. di truyền tương ứng - Ứng dụng giải thuật di truyền để giải quyết bài tốn tối ưu hóa khẩu phần thức ăn chăn ni. Phạm vi của đề tài - Nghiên cứu các khái niệm cơ bản của giải thuật di truyền.