Intelligens Rendszerek Elmélete. Párhuzamos keresés genetikus algoritmusokkal. A genetikus algoritmus működése. Az élet információ tárolói

Átírás

1 Intelligens Rendszerek Elmélete dr. Kutor László Párhuzamos keresés genetikus algoritmusokkal login: ire jelszó: IRE07 IRE 5/ Természetes és mesterséges genetikus terminológia Természetes Mesterséges Kromoszóma Karakterfüzér (sztring) (a sejtek örökletes tulajdonságokat hordozó anyaga) Gén Jellemző, karakter (az öröklődő tulajdonságokkat hordozó kromoszóma egy része, (nukleinsav molekula)) Allél A karakter (jellemző) értéke Lókusz Karakter pozíció Genotípus Karakterfüzér szerkezet (az örökletes tulajdonságok összessége) Fenotípus Paraméter készlet (az élőlény alaktani és élettani sajátosságainak összessége. Az örökletes és a környezet együttes hatására létrejött megjelenési alak) IRE 5/4 A természet általános kereső algoritmusa: a genetikus algoritmus A genetikus algoritmus működése. Az optimalizálandó rendszer leírása (mesterséges kromoszómába) A rendszerre jellemző változók. Kezdeti generáció egymást követő generációk IRE 5/ GA GA GA GA IRE 5/5 Az élet információ tárolói A genetikus algoritmus alkalmazásának feltételei. Egyértelmű rendszerleírás egy rendszerváltozókat tartalmazó karakterfüzérbe az un. mesterséges kromoszómába.. Reprezentatív populáció, ami azonos formában különböző jellemzőkkel bíró egyedek (rendszerek) leírását tartalmazza. 3. Alkalmas mérési módszer, mellyel a vizsgált rendszerek jóságát meg lehet határozni. IRE 5/3 IRE 5/6

2 A genetikus algoritmusok operátorai Alap operátorok: Szelekció Kereszteződés Mutáció Alacsony szintű operátorok: Dominancia Inverzió Törlődés Halkítás (erősítés) Andrew Z. Fire Craig C. Mello Orvosi Nobel díj Mario Capecchi Oliver Smithies Martin Evans Kikapcsolás knock out Populációra vonatkozó operátorok: Migráció Házassági korlátozás Jóság transzformáló függvények IRE 5/7 A relatív jósággal (fitness) arányos un. rulettkerék algoritmus. Az egyedek jóságának meghatározása: Fi=f(Ii). A populáció összes tagja jóságának meghatározása: n 3. Az egyedek relatív jóságának kiszámítása: S = F i i= (Teljes Relatív Fitness TRF=): 4. és 00 közötti szám hozzárendelése a populáció minden tagjához a relatív jóságuknak megfelelően. (n = a jelenlegi populáció mérete) 5. Egy m véletlen szám generálása és 00 között (m: az új populáció mérete) 6. m egyed (génstruktúrájának) másolása az új generációba, IRE 5/0 Kiválasztási mechanizmusok Kereszteződés A relatív jósággal (fitness) arányos un. rulettkerék algoritmus Csak a legjobbakat kiválasztó algoritmus elicista S = n i= F i Paraméterek: kiinduló sztringek: kereszteződési pontok száma kereszteződési pontok helye új sztringek: Paraméterek: populáció méret, Reprodukciós arány (állandó, csökkenő, bővülő,..) IRE 5/8 IRE 5/ A genetikus algoritmus alkalmazásának menete. A mesterséges kromoszóma (leíró adatfüzér) szerkezetének kidolgozása (változók és jellemzői). Kezdeti populáció létrehozása 3. A populációt alkotó egyedek értékelése, az abszolút- majd a relatív jóság meghatározása 4. A genetikus operátorok alkalmazásával új populáció létrehozása (pl.:szelekció, keresztezés, mutáció, stb ) 5. A 3.-ik és a 4.-ik lépés ismétlése, amíg a megállási feltétel nem teljesül. IRE 5/9 Paraméterek: Mutáció kiinduló sztring: új sztring: mutációs helyek száma mutációs változás tartománya M M M M IRE 5/

3 A genetikus algoritmus előnyei a hagyományos kereső algoritmusokhoz képest A keresési tér több pontját vizsgálja egyszerre (párhuzamosság) Csak jellemzőket tartalmazó sztringgel dolgozik, a változók értelmezésétől függetlenül, ezért általános keresési algoritmus A véletlenszerű változók használata miatt a lokális minimumokra kevésbé érzékeny. Mivel a keresési szabályok nem determinisztikusak, hanem valószínűségi szabályokat alkalmaznak, így az NP teljes jellegű problémákra is megközelítést adhat. IRE 5/3 Az elektronikus kereskedelmi rendszerek sikerének kiemelkedő tényezői: AAA Authentication: személy-, és eszköz azonosítás Mobil IP cím menedzsment Authorization: Accounting: hozzáférési jogok hozzárendelése a hálózati eszközökhöz, és szolgáltatásokhoz (pl. hozzáférési időszak, sávszélesség) számlázás (forgalom nyilvántartás, személyreszabott szolgáltatás kezelés) IRE 5/6 A genetikus algoritmusok korlátai Túlságosan nagy jóságú egyedek eluralhatják a populációt Ha csak minimális különbségek vannak az egyedek között akkor nincs javulás Részleges megoldások: Különböző jóság transzformáló eljárások a keresés előrehaladtával (pl. nagy különbségek kiegyenlítése a keresés elején, kis különbségek felnagyítása a keresés vége felé) f g (x i ) = α g + β g f(x i ) Automatikus azonosítási lehetőségek. Saját belső, elválaszthatatlan tulajdonságok alapján. Hozzárendelt azonosítók alapján Tipikus hozzárendelt azonosítók, kódok: Vonalkód Rádiófrekvenciás azonosító (RFID) Rendszám (járműveknél) Téri koordináták (GPS) IRE 5/4 IRE 5/7 Példa a GA alkalmazására 5 i= f(x) = 3x + x + 3.5x 3 +4x 4 +.7x 5 e Σ x i x i értelmezési tartománya -0-től +0-ig Kezdeti populáció száma: 0 Megállási feltétel: f(x) >=.47, vagy 0 5 generáció Eredmények: x, x, x 3, x 4, x 5 elért generációk száma Példa megoldás: x = =0, x = =0, x 3 = =0, x 4 = =-, x 5 = =0, g= IRE 5/5 Automatikus személyazonosító rendszerek Hozzárendelt információ alapú Személyes jellemző alapú Biometrikus Tárgy alapú Tudás alapú Biológiai Viselkedéses kulcs jelszó, kulcsszó (mechanikus. (PIN, PUK) elektronikus) azonosító kód igazolvány (elektronikus jelvény, kitűző aláírás) azonosító kártya (mechanikus, elektronikus) rádiófrekvenciás azonosító (RFID, NFC) bőrmintázat (ujjnyomat, kéznyomat) arc (kép, termogramm) kéz (geometria, erezet) szem (írisz, retina) illat DNS kézírás (íráskép, dinamika) beszédhang gépelési ritmus járási mód IRE 5/8

4 Bőrmintázat (ujj, tenyér) azonosítás lenyomat, nyomat, nyom? Ujjnyomat vétel a reptéren az USAban IRE 5/9 IRE 5/ Azonosító pontok (minuciák) keresése a bőrmintázaton Binarizálás Orientáció Arc azonosítás Vékonyítás Minutia keresés IRE 5/0 IRE 5/3 A személyazonosítás a reptéren Az arc termogrammja () IRE 5/ IRE 5/4

5 Az arc termogrammja (3) Az automatikus azonosítás folyamata Jellemzők mérése Azonosító jegyek számítása Referencia Referencia létrehozása Referencia-Vizsgálat Vizsgálat 3 Keresés Azonosítás Vizsgálati mód 4 Összevetés Hitelesítés IRE 5/5 IRE 5/8 Íriszkód előállítása IRE 5/6 Beszédhang (beszélő) azonosítás IRE 5/7