Эволюционное моделирование можно определить как воспроизведение процесса естественной эволюции с помощью специальных компьютерных программ.
Термин эволюция в ограниченном смысле, касающемся только смены поколений организмов, начал широко использоваться в XVII в. С появлением в 1859 г. учения Дарвина этот термин приобрел современное толкование: «Биологическая эволюция — историческое развитие организмов». Необходимые и достаточные условия, определяющие главные факторы эволюции, были сформулированы в XX в. на основе созданной популяционно-генетической теории. К факторам, определяющим неизбежность эволюции, относятся:
- наследственная изменчивость как предпосылка эволюции, ее материал;
- борьба за существование как контролирующий и направляющий фактор;
- естественный отбор как преобразующий фактор.
На рис. 1.1 приведена конкретизация факторов эволюции, учитывающая многообразие форм их проявления, взаимосвязей и взаимовлияния. Главные факторы выделены пунктиром.
Современная теория эволюции базируется на теории общей и популяционной генетики. Элементарным объектом эволюции является популяция — сообщество свободно скрещивающихся особей. В популяциях происходят микроэволюционные процессы, приводящие к изменению их генофонда. Преобразования генетического состава популяции происходят под действием элементарных эволюционных факторов (см. рис. 1.1).
Рис.1.1. Схема взаимодействия факторов эволюции
Случайные структурные или функциональные изменения в генах, хромосомах и других воспроизводимых единицах называют мутациями, если они приводят к наследственному изменению какого-либо фенотипического признака особи.
Преобразования генофонда популяции происходят под управлением естественного отбора.
Эволюция — это многоэтапный процесс возникновения органических форм с более высокой степенью организации, который характеризуется изменчивостью самих эволюционных механизмов.
История эволюционных вычислений началась с разработки ряда независимых моделей, среди которых были генетические алгоритмы и классификационные системы, созданные американским исследователем Дж. Холландом. Он предложил использовать методы и модели развития органического мира на Земле в качестве механизма комбинаторного перебора вариантов при решении оптимизационных задач. Компьютерные реализации этого механизма получили название «генетические алгоритмы». В 1970-х гг. в рамках теории случайного поиска Л. А. Растригиным был предложен ряд алгоритмов, использующих идеи бионического поведения особей. Развитие этих идей нашло отражение в цикле работ И. Л. Букатовой по эволюционному моделированию. Идеи М. Л. Цетлина, развитые в исследованиях поведения сообществ конечных автоматов, легли в основу алгоритмов поиска глобального экстремума, основанных на моделировании процессов развития и элиминации особей. Большой вклад в развитие эволюционного программирования внесли работы Л. Фогеля, А. Оуэнса и М. Уолша.
К основным направлениям развития эволюционного моделирования на современном этапе относятся следующие:
- генетические алгоритмы (ГА), предназначенные для оптимизации функций дискретных переменных и использующие аналогии естественных процессов рекомбинации и селекции;
- классифицирующие системы (КС), созданные на основе генетических алгоритмов, которые используются как обучаемые системы управления;
- генетическое программирование (ГП), основанное на использовании эволюционных методов для оптимизации создаваемых компьютерных программ;
- эволюционное программирование (ЭП), ориентированное на оптимизацию непрерывных функций без использования рекомбинаций;
- эволюционные стратегии (ЭвС), ориентированные на оптимизацию непрерывных функций с использованием рекомбинаций.
Эволюционные методы целесообразно использовать в тех случаях, когда прикладную задачу сложно сформулировать в виде, позволяющем найти аналитическое решение, или тогда, когда требуется быстро найти приближенный результат, например, при управлении системами в реальном времени.
В России развитием эволюционных методов занимаются научные школы профессоров И. Л. Букатовой, Д. И. Батищева, В. М. Курейчика и И. П. Норенкова.
