混合动力系统优化:克隆选择算法的改进方案

1.提出改进的思想来源

（1）第1类现象^[6] 黑猩猩与人类基因组的DNA序列相似性达99%。即使考虑DNA序列插入或删除，两者的相似性也有96%，人类只比黑猩猩多50个特殊基因，且人类与黑猩猩有29%的共同基因编码生成同样的蛋白质。在基因数量、碱基对数目方面，家猪基因组和人类基因组差异性在5%～10%以内，拟南芥与水稻公共基因有80%，而人类基因组计划的研究成果同样显示：人类个体间共用了绝大多数的基因模块。

（2）第2类现象 文献^[28]采用进化算法获得了优于1911年所发明的减震器，如图3-7所示。图中Se、R、C、I、1、0分别为力源、阻性元、容性元、感性元、串联、并联。图中矩形所围模型是减震器的主要部分，进化所得与专利发明均包括这一部分；三角形所围部分是具有相同的结构与功能但组成元件不一样的部分；而圆形所包围的部分是通过进化所增加的新元件。这表明：①新元件影响了减震器的性能；②公共部分对稳定减震器的性能起了关键作用。

图3-7 减震器键合图

（3）第3类现象Sunith等^[29]研究了从现有方案集中发现新的知识与创新原理的方法，他们认为：作为公共属性而存在于最优解集的结构（或者组合）是构造好方案或者理想最优解的至关重要的知识。文献^[11]在运用进化算法优化超大规模集成电路布线的试验结果表明：将当前获取的最优解复制多份，在细微变异后替代进化种群中的较弱个体，然后重新启动进化，会使得没有获得最优的搜索收敛到了最优解，且在多个问题上刷新了纪录。

第1、3类现象表明：自然进化系统中，不同物种间基因差异比较小，但在智力、体型、适应能力等方面表现出了巨大差异；同时，子代与父代间相同基因的比重较大，这有利于子代继承整个种族进化过程中的沉淀的遗传信息。透过第2类现象可以推测：若重用公共部分，通过增加其他的组成元素可以获得性能等同或者更优的方案。这3类现象表明，遗传信息的稳定对于种群的生存与发展有积极影响。

事实上，生物工程研究表明^[30]：基因发展的基本规则是复制，复制中可能发生的重叠复制，使基因数增加；重叠的基因可因变异而逐渐出现功能分化，导致新功能基因出现，使基因组扩大并使功能复杂化。根据达尔文的进化理论，在外界环境的选择下，优势基因组得到发展。文献[4]所描述的克隆选择算法，以变异作为解空间搜索的主要操作，通过对克隆种群高频变异的方式实现进化。这种机制有可能使得个体在短期内适应能力有所增加，但却不利于基因组的稳定。是否可以获得一种新的进化机制，在进化过程中分析所获得的最优解集，并提取出其共性结构，将这种结构运用于生成新的候选方案，从而引导后续的进化向起关键作用的结构关系发展完善，是一个值得讨论的问题。

图3-8 优秀决定基的挖掘并获取记忆抗体

2.克隆选择算法的改进方案(www.xing528.com)

改进克隆选择算法的方法有：

（1）挖掘抗体中优秀决定基并将其生成记忆集 在3.2.1节步骤2）计算抗体的亲和度后，根据抗体与抗原的匹配，对抗体中优秀决定基片段进行挖掘（见图3-8）。假定优秀决定基片段长度不小于2。首先，根据式（3-5）对抗体与抗原进行匹配，把各个抗体中的优秀决定基片段存储在记忆抗体群A_e中，并且各个优秀决定基存入记忆集中的位置与其在初始抗体中的位置保持一致；其次，由随机生成器生成的0、1代码填充所有记忆抗体中除了优秀基因片段之外的空缺位，生成完整的记忆集A_e，并对所获得的新的记忆抗体计算亲和度。

（2）增加对优秀决定基片段封装的操作 将每个抗体挖掘出的长度为α的优秀决定基片段封装在一个块中，然后由随机生成器产生（l-α）个0、1代码注入到优秀决定基块中（见图3-9），形成抗体群A_s。当需要生成新个体时，重用A_s中个体。

（3）动态调整克隆规模 在传统的克隆选择算法中，抗体克隆的个数同该抗体的亲和度成正比，克隆后的种群很容易出现大量的相同抗体。为避免这一问题，对克隆群体的克隆规模进行控制。假定每个抗体的克隆比例边界值为M，且克隆比例恒为正，μ_max、μ_min、μ_avg为所有抗体中克隆比率的最大值、最小值、平均值，第i个抗体的克隆比例上限及克隆数量τ_i分别为

图3-9 决定基片段封装操作

式中，|A_s|为A_s中抗体的数量；i=0，1，…，s-1。

（4）按概率替换记忆抗体群中亲和度低的抗体 为提高记忆抗体群的质量，变异抗体群中亲和度高的抗体依照概率P替换记忆抗体群中亲和度低的抗体，替换规模不超过P_s。