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Genetische Algorithmen

Genetische Algorithmen sind ein heuristisches Lösungsverfahren, welches nach dem Prinzip der Evolution arbeitet [6]. Die Evolution ist der kontinuierliche Prozeß, der seit Anbeginn der Zeit zum Artenwandel und zur Bildung neuer Arten und Organisationstypen allen Lebens geführt hat. Es ist ein Optimierungsprozeß, dessen Erfolg jedoch nicht quantitativ me ist. Die Erfolge der Evolution drücken sich in ,, Anpassungsfähigkeit``\ und ,, Überlebensfähigkeit`` aus. Es ist also keine zielgerichtete Optimierung, sondern ein ständiger Anpassungsprozeß an die sich ändernden Lebensbedingungen. Ein Kernbegriff der Evolutionstheorie ist das Prinzip ,, Survival of the fittest``, welches von Charles Darwin in seinem Klassiker [3] eingeführt wurde. Nach diesem Prinzip arbeiten die genetischen Algorithmen, indem sie den Evolutionsprozeß simulieren.

  
Figure 1: Der Ablauf eines genetischen Algorithmus

Wie in der Natur auch, startet der Evolutionsprozeß mit einer Menge von einzelnen Individuen, der sogenannten Population. Die Individuen sind komplette Lösungen für ein Optimierungsproblem, die durch die Zuordnung einer Qualität, der sogenannten Fitneß, bewertet werden. Aus den besten dieser Elemente werden im Laufe einer Generation durch Anwendung der genetischen Operatoren Mutation und Crossover neue Lösungen erzeugt, welche am Ende der Generation andere Individuen in der Population ersetzen, falls die Qualität der neu generierten Lösungen besser ist (siehe Abb. 1). Der Mutations-Operator kopiert ein Individuum und führt an der Kopie zufällige Änderungen durch. Der Crossover-Operator entspricht der Fortpflanzung in der Biologie, d.h. es werden zwei ,, Eltern`` aus der Population ausgewählt (selektiert), aus denen ein neues Individuum (Offspring) generiert wird, welches Eigenschaften von beiden Parent-Individuen erbt. Der Crossover-Operator steuert den Optimierungsprozeß, indem er gezielt gute Lösungen kombiniert, während der Mutationsoperator die Varianz in der Population erhöht und somit die Konvergenz in ein lokales Optimum verhindert.





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