ขั้นตอนวิธีเชิงวิวัฒนาการ

ในศาสตร์ของปัญญาประดิษฐ์ นั้น ขั้นตอนวิธีเชิงวิวัฒนาการ (evolutionary algorithm) เป็นหนึ่งในเรื่องของการคำนวณเชิงวิวัฒนาการ (evolutionary computation) ที่ใช้ฐานประชากรโดยทั่วไปของขั้นตอนวิธีแบบเมตาฮิวริสติกที่เหมาะสมที่สุด (metaheuristic optimization algorithm) โดยขั้นตอนวิธีเชิงวิวัฒนาการนั้น ใช้กระบวนการที่ได้รับแรงบันดาลใจมาจากการวิวัฒนาการทางชีววิทยา^[1] อันได้แก่ การสืบพันธุ์ (reproduction) การกลายพันธุ์ (mutation) การแลกเปลี่ยนยีน (recombination) และการคัดเลือก (selection) โดยจะมีผลเฉลยที่สามารถเลือกได้ (candidate solution) แทนประชากร และฟังก์ชันคุณภาพ (quality function) ในการคัดเลือกประชากรที่เหมาะสมตามสภาพแวดล้อมที่กำหนดไว้^[2][3] ขึ้นตอนวิธีเชิงวิวัฒนาการนี้มักจะใช้ได้ดีสำหรับการหาผลเฉลยของปัญหาในทุก ๆ ด้าน เนื่องจากสามารถพัฒนาผลเฉลยที่มีไปยังผลเฉลยที่ถูกต้องได้อย่างรวดเร็ว ทำให้มันประสบความสำเร็จในหลายๆ ด้านของปัญหา เช่น วิศวกรรม ศิลปกรรม ชีวภาพ เศรษฐศาสตร์ การตลาด พันธุศาสตร์ การค้นคว้าวิจัย การออกแบบหุ่นยนต์ วิทยาศาสตร์ด้านสังคม ฟิสิกส์ รัฐศาสตร์ และ เคมี

นอกจากการใช้งานด้านคณิตศาสตร์แล้ว ขั้นตอนวิธีและการคำนวณเชิงวิวัฒนาการยังถูกใช้เป็นข่ายงานในการทดลองในเรื่องการตรวจสอบความสมเหตุสมผลในทฤษฎีที่เกี่ยวกับการวิวัฒนาการและการคัดเลือกทางธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในข่ายของงานที่เกี่ยวข้องกับชีวประดิษฐ์ (artificial life)

กระบวนการในการออกแบบ

ในการวิวัฒนาการทางธรรมชาติ กลุ่มของประชากรที่เป็นอิสระจากกันผ่านสภาพแวดล้อมที่มีสภาพกดดันจนทำให้เกิดการคัดเลือกทางธรรมชาติ (natural selection) แล้วเกิดการคัดเลือกประชากรที่เหมาะสม เช่นเดียวกับขั้นตอนวิธีเชิงวิวัฒนาการ เราจะสุ่มผลเฉลยที่สามารถเลือกได้ (candidate sulotion) เช่น สมาชิกของโดเมนในฟังก์ชัน ขึ้นมา แล้วใช้ฟังก์ชันคุณภาพ (quality function) เป็นตัวคัดเลือกคำตอบที่เหมาะสม ยิ่งฟังก์ชันมีมาตรฐานสูงยิ่งดี โดยเทียบจากมาตรฐานนี้ บางส่วนของผลเฉลยที่ดีกว่าจะถูกเลือกไปเป็นเมล็ดพันธุ์สำหรับรุ่นถัดไป โดยประยุกต์รูปแบบของการสืบพันธุ์ การกลายพันธุ์ให้กับมัน โดยการสืบพันธุ์นั้น ผลเฉลยที่ถูกเลือกสองตัวหรือมากกว่า (หรือเรียกได้ว่าเป็นบรรพบุรุษ) จะถูกนำมาดำเนินการ และให้ผลออกมาเป็นผลเฉลยรุ่นใหม่ (หรือเรียกได้ว่าเป็นลูก) ส่วนการกลายพันธุ์นั้น จะถูกใช้กับผลเฉลยเพียงหนึ่งตัว และผลที่ได้คือผลเฉลยรุ่นใหม่ การสืบพันธุ์และกลายพันธุ์นี้จะนำไปสู่เซ็ตของผลเฉลยรุ่นใหม่ ที่มีมาตรฐานใหม่ที่ดีกว่ารุ่นเก่า กระบวนการเหล่านี้จะถูกดำเนินการไปจนกว่าจะพบผลเฉลยที่ดีที่สุด หรือที่ถูกต้อง หรือจนกว่าการคำนวณจะถึงขอบเขตสิ้นสุด

ในกระบวนการข้างต้นนั้น มีแรงพื้นฐานสองแรงในการสร้างรากฐานให้กับระบบของการวิวัฒนาการ

• ตัวดำเนินการที่เปลี่ยนแปลงได้ (variation operator) สำหรับการสืบพันธุ์และการกลายพันธุ์ ซึ่งจะทำการสร้างความหลากหลายและความแปลกใหม่ที่จำเป็น ระหว่างที่
• การคัดเลือก (selection) ทำหน้าที่เป็นแรงที่ผลักดันคุณภาพ

ในการผสมผสานโปรแกรมประยุกต์ (application) ของความหลากหลาย (variation)และการคัดเลือก (selection) มักนำไปสู่การพัฒนาของค่าความเหมาะสม (fitness value) ในประชากรที่ต่อเนื่องกัน (consecutive population) มันง่ายที่จะเห็นว่ากระบวนการวิวัฒนาการนี้ ถูกใช้งานอย่างเหมาะสม หรืออย่างน้อย ใกล้เคียง โดยจะเห็นถึงการเข้าใกล้ค่าที่ถูกต้องเหมาะสมทุก ๆ รอบของการวิวัฒนาการ

แต่อย่าลืมว่า ส่วนประกอบส่วนมากของขึ้นตอนวิธีเชิงวิวัฒนาการเป็นแบบสุ่ม ระหว่างการตัดเลือก ประชากรที่เหมาะสมกว่าจะมีโอกาสที่จะถูกเลือกมากกว่าประชากรที่ไม่เหมาะสม แต่อย่างไรก็ตาม ประชากรที่ไม่เหมาะสมก็มีโอกาสที่จะถูกเลือกมาเป็นบรรพบุรุษ หรืออยู่รอดต่อไป สำหรับการผสมใหม่ (recombination) นั้น แต่ล่ะชิ้นส่วนจะถูกนำมาผสมกันใหม่อย่างสุ่ม เช่นเดียวกันกับการกลายพันธุ์ แต่ล่ะชิ้นส่วนที่ถูกกลายพันธุ์และการวางทับในผลเฉลยจะถูกเลือกมาอย่างสุ่ม

ขั้นตอนวิธีโดยทั่วไปของขั้นตอนวิธีเชิงวิวัฒนาการสามารถดูได้จากรหัสเทียมด้านล่าง

รหัสเทียม

 เริ่ม
     กำหนด ประชากร โดยการสุ่มผลเฉลย
     ประเมิณค่า ผลเฉลยแต่ล่ะตัว
     ทำซ้ำจนกระทั่งเงื่อนไขถึงจุดสิ้นสุดที่น่าพอใจ{
       # เลือกบรรพบุรุษ
       # ผสมบรรพบุรุษเข้าด้วยกัน
       # กลายพันธุ์ผลที่ได้
       # ประเมิณผลเฉลยที่ได้มาใหม่
       # เลือกผลเฉลยสำหรับประชากรยุคใหม่
    }
จบ

รูปแบบต่าง ๆ ของขั้นตอนวิธีเชิงวิวัฒนาการ

ขั้นตอนวิธีเชิงวิวัฒนาการมีความหลากหลายในการประยุกต์ใช้งานในปัญหาต่าง ๆ และการสร้างขั้นตอนวิธีขั้นมา โดยสามารถแยกออกได้ดังนี้

• ขั้นตอนวิธีเชิงพันธุกรรม (Genetic algorithm) - เป็นขั้นตอนวิธีเชิงวิวัฒนาการที่ถูกใช้อย่างแพร่หลายที่สุด เป็นขั้นตอนวิธีในการหาผลเฉลยจากสายของตัวเลข (strings of numbers) โดยการใช้ตัวดำเนินการเช่นการผสมพันธุ์ และ การกลายพันธุ์ ขั้นตอนวิธีเชิงวิวัฒนาการนี้มักใช้ในปัญหาการหาค่าที่เหมาะสมที่สุด
• การโปรแกรมเชิงพันธุกรรม (Genetic programming) - เป็นการหาผลเฉลยที่เป็นโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่มีความเหมาะสมที่สุดในการแก้ไขปัญหาทางคอมพิวเตอร์
• การโปรแกรมเชิงวิวัฒนาการ (Evolutionary programming) - เช่นเดียวกันกับการโปรแกรมเชิงพันธุกรรม แต่โครงสร้างของโปรแกรมจะไม่เปลี่ยนแปลง และตัวแปรที่เป็นตัวเลขมีสิทธิ์ที่จะวิวัฒน์ได้
• กลยุทธ์เชิงวิวัฒนาการ (Evolution strategy) - ทำงานร่วมกับเวกเตอร์ของจำนวนจริงโดยเป็นตัวแทนของผลเฉลย โดยใช้การกลายพันธุ์แบบปรับตัวเอง (self-adaptive mutation)
• ข่ายประสาทวิวัฒน์ (Neuroevolution) - มีลักษณะคล้ายกับการโปรแกรมเชิงพันธุกรรม แต่จีโนมเป็นตัวแทนของโครงข่ายประสาทเทียม (artificial neural network) โดยอธิบายถึงโครงสร้างและการเชื่อต่อ
• ความฉลาดแบบกลุ่ม (Swarm Intelligence) - มีการใช้การกลายพันธุ์ในการแปลงผลเฉลย และชักนำไปยังคำตอบที่ดีที่สุดภายใต้สภาพแวดล้อมเงื่อนไขที่ต่าง ๆ กัน เช่น ขั้นตอนวิธีหาค่าเหมาะสมที่สุดด้วยระบบอาณาจักรมด (Ant colony optimization) ขั้นตอนวิธีหาค่าเหมาะสมที่สุดด้วยระบบที่มีประจุ (Charged system search) เป็นต้น
• วิธีการลอกแบบ (Memetic Algorithm) - เป็นอีกแนวคิดหนึ่งในการวิวัฒนาการ แต่จะใช้การส่งผ่านหรือการเลียนแบบองค์ประกอบแทนวิธีการทางพันธุกรรม