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2.2 多蜂群协同进化机制

德国学者哈肯在1976年提出了“协同进化理论”,认为系统进化过程中各内部要素及个体之间相互作用并相互影响(协同行为)是系统进化的必要条件。在此基础上,提出了协同进化算法,其核心思想分为两类:竞争协同进化和共生协同进化。Ehrlich和Jazen提出协同进化的定义,其内涵特征包括特定性、相互性和同时性。协同进化也称共同进化,是生物之间、生物与环境之间在进化过程中的某种依存关系,其研究涉及竞争物种间、捕食者与猎物间、寄生物与寄主间互利作用等协同进化思想。随着协同进化理论的产生与发展,人们对协同进化的作用有了更清楚的认识,承认生物的多样性、自然系统的自我组织和维持能力、适应环境的自我调节规律等。

随着生物学中协同理论研究的深入,学者逐渐将该思想引入进化算法中,有效地提升了优化效率和优化质量,因此已成为计算智能领域的一个重要研究方向。协同进化算法与原始进化算法的主要区别是:传统的生物启发式计算多是单种群的,如遗传算法、进化策略、粒子群算法、人工蜂群算法等;而协同进化算法借鉴了自然界的协同进化机制,一般采用多种群形式。除了种群数量不一样,协同进化算法还考虑了个体间、种群与环境间、种群间的协作,该算法由于自身的优越性,已成为进化计算的一个热点问题。

根据生态学中物种间的捕食者-猎物(predator-prey)、寄生物-寄主(hostparasite)、相互竞争(competition)、互惠共生(mutualism)四种关系,可以将协同关系划分为两类,即竞争关系和合作关系,因此协同进化算法同样也分为竞争型协同进化算法、合作型协同进化算法。

本章基于互利共生和共栖的思想,针对人工蜂群觅食行为,设计了一种新型的多蜂群协同进化模型。在该模型中,采用主 - 从式的结构表示共生蜂群之间的关系。整个蜂群被分为 N 个子群(共生群体),其中 N m 为主群数, N s 为从群数,每个子群均包含相同的个体数。在进化过程中,参与其他子群信息交流的共生蜂群称为主群(master swarm),独立进化不参与其他子群信息交流的共生体为从群(slave swarm)。多蜂群协同进化模型如图2-2所示,图中箭头表示信息的传递。

图2-2 多蜂群协同进化模型

根据不同的主、从群数设置,可以表示不同共生模式:

(1) N m =0, N s N :各群体独立进化,之间没有信息交流。

(2) N m ∈[1, N ), N s N N m :部分个体参与信息交流,即共栖模式。

(3) N m N N s =0:所有的子群均参与信息交流,即互惠共生。 zRC7fPUso6cPZIWuUYp2iy7Byj7MCT9k55+MdYO4uVdtVeguOD8UhI3IvCJ4ADUM

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