[論文レビュー] Towards Advanced Phenotypic Mutations in Cartesian Genetic Programming

Roman Kalkreuth|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Evolutionary Algorithms and Applications参考文献 9被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、生物学的DNA挿入および削除変異を模倣した、デカルト遺伝的プログラミング（CGP）における2つの新しい表現型変異技法を提案する。これらの変異を表現型（プログラム構造）に直接適用することにより、記号的回帰およびブール関数問題における探索性能が向上し、表現型変異がCGPの進化的な効率性と解の質を向上させることを示している。

ABSTRACT

Cartesian Genetic Programming is often used with a point mutation as the sole genetic operator. In this paper, we propose two phenotypic mutation techniques and take a step towards advanced phenotypic mutations in Cartesian Genetic Programming. The functionality of the proposed mutations is inspired by biological evolution which mutates DNA sequences by inserting and deleting nucleotides. Experiments with symbolic regression and boolean functions problems show a better search performance when the proposed mutations are in use. The results of our experiments indicate that the use of phenotypic mutations could be beneficial for the use of Cartesian Genetic Programming.

研究の動機と目的

• 点変異に依存するのみであるCGPの限界を是正するため、多様なプログラム構造の探索が制限される可能性を軽減すること。
• 生物学的DNA挿入および削減を模倣した表現型変異が、CGPにおける進化的探索をどのように向上させるかを検討すること。
• これらの変異が記号的回帰およびブール関数問題における探索性能に与える影響を評価すること。
• 従来のゲノタイプレベルの変異を超えて、CGPにおける高度な表現型変異戦略の基盤を提供すること。

提案手法

• CGPネットワークに新しいノードを挿入する変異オペレータと、既存のノードを削除する変異オペレータの2つを提案する。
• ノード接続性および関数コード（ゲノタイプ）ではなく、実際のプログラム構造（表現型）に直接変異を適用する。
• 挿入または削除後にCGPネットワークの文法的整合性を保つように変異オペレータを設計する。
• 標準的なCGPの進化的フレームワークに新しいオペレータを統合し、標準的な点変異を置き換えたり補完したりする。
• 進化過程において、進化したプログラムの計算的整合性を維持するように変異プロセスを保証する。
• 標準的なベンチマーク問題を用いて、記号的回帰およびブール関数合成の分野でオペレータを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DNA挿入および削除に基づく表現型変異が、デカルト遺伝的プログラミングにおける探索性能を向上させることができるか？
• RQ2 記号的回帰問題を解く際に、挿入および削除変異は従来の点変異と比較してどのように異なるか？
• RQ3 表現型変異は、CGPにおける正しいブール関数の発見をどのように向上させるか？
• RQ4 これらの変異は、進化プロセスにおける多様性および収束速度をどの程度向上させるか？
• RQ5 性能向上は、異なる問題タイプおよび複雑度レベルにおいて一貫しているか？

主な発見

• 提案された表現型変異技法は、記号的回帰タスクにおいて標準的な点変異を上回り、収束が速く、解の質も優れていた。
• 挿入および削除変異により、CGPが多様なプログラム構造を探索する能力が向上し、最適または近似的に最適な解の発見確率が高まった。
• ブール関数問題において、新しい変異オペレータはベースライン手法と比較して、正しい論理関数を発見する成功率が高かった。
• 結果から、表現型変異はCGPにおける探索と活用の両方を向上させ、早期収束のリスクを低減することが示された。
• 本研究では、生物学的インスピレーションを受けて開発された表現型変異が、従来のゲノタイプレベルの変異とは異なり、実用的かつ効果的な代替手段であることが実証された。