Využití umělých neuronových sítí k řízení genetických algoritmů


Mezi oblastmi informatiky, které v uplynulých 20 letech prodělaly nejrychlejší rozvoj, jsou dvě nápadné inspirací v biologických vědách - umělé neuronové sítě a evoluční optimalizační algoritmy. Umělé neuronové sítě jsou distribuované výpočetní systémy pokoušející se implementovat větší či menší část funkcionality biologických nervových soustav. Nejstarší druhy těchto systémů byly navrženy právě za účelem studia a modelování neuronů a nervových soustav živočichů a člověka. K zájmu o umělé neuronové sítě nicméně přispěly především některé jejich biologicky méně věrné druhy, které však mají pozoruhodné matematické vlastnosti - např. schopnost libovolně přesně aproximovat i velmi obecné funkce, či schopnost nacházet asociace v datech nebo shlukovat data na základě vnitřní podobnosti. Evoluční optimalizační algoritmy jsou stochastické optimalizační metody, v nichž při hledání optima cílové funkce hrají podstatnou roli heuristiky inspirované výběrem nejúspěšnějších jedinců v biologickém vývoji druhů. Nejvýznamnějším představitelem evolučních algoritmů jsou genetické algoritmy, v nichž se používají heuristiky inspirované vývojem genotypu. Popularita umělých neuronových sítí a genetických algoritmů a jejich úspěšnost v aplikacích přirozeně vedla ke snahám zvýšit přínos obou těchto oblastí jejich kombinováním. Až téměř do současnosti se však bylo možné setkat pouze s jediným typem kombinování - genetické algoritmy se používaly k řešení optimalizačních úloh vyskytujících se při návrhu umělých neuronových sítí, konkrétně pro hledání nejvhodnější architektury sítě a pro nastavení jejích parametrů (učení sítě). Teprve v nedávné době se objevily první pokusy využít naopak umělých neuronových sítí k řízení heuristik, na nichž spočívají genetické algoritmy, a tím v podsatě k řízení těchto algoritmů. Tento přístup je tudíž teprve ve stádiu zrodu a veškerý výzkum a prototypové implementace v této oblasti jsou velmi důležité. Právě takový výzkum a prototypová implementace, pro případ jednoho konkrétního genetického algoritmu, jsou náplní navrhované diplomové práce.
A právě takový výzkum, pro případ jednoho konkrétního genetického algoritmu, by měl být náplní navrhované diplomové práce. Student by se měl nejdříve v rámci rešeršní práce seznámit se základy umělých neuronových sítí a evolučních, zejména genetických algoritmů, jakož i s nejdůležitějšími dosavadními pokusy využít umělých neuronových sítí k řízení evolučních optimalizačních algoritmů. Poté by se měl seznámit s implementací  konkrétního genetického algoritmu a analyzovat, jakým způsobem by bylo možné využít  k řízení tohoto algoritmu umělých neuronových sítí a o jaký typ sítí by mělo jít. Výsledky své analýzy by měl ověřit prototypovou implementací patřičného modulu nebo několika alternativních modulů ve vývojovém prostředí Matlab.

Doporučená literatura

1.      J. Huhse, A. Zell. Evolution strategy with neigborhood attraction - A robust evolution stratregy. In Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference GECCO 2001, Morgan Kaufmann, San Francisco, 2001, 1026-1033.

2.      J. Huhse, T. Villmann, P. Merz, A. Zell. Evolution Strategy with Neighborhood Attraction Using a Neural Gas Approach. In Proceedings of the 7th International Conference on Parallel Problem Solving from Nature, 2002, Springer, Berlin, 391-400.

3.      K.S. Hwang, J.Y. Chiou, Y.P. Hsu. A self-organizing genetic algorithm with an eugenic strategy.  Journal of Information Science and Engineering, 17: 35-45, 2001.

4.      T. Kohonen. Self-Organizing Maps. Springer, Berlin, 2001.

5.      M. Ros, M. Pointore, J.R. Chr¢¥etien. Molecular descriptor selection combining genetic algorithms and fuzzy logic: application to database mining procedures. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 63: 15-26, 2002.