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Evolução da Estrutura de Algoritmos: AutoPSO e EvoGO

AI999第5课:方法演化:从优化解到优化算法本身
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Em métodos como o MetaDE, a evolução ocorre nonível de parâmetros: o algoritmo interno resolve a tarefa real, e o algoritmo externo ajusta a configuração e a estratégia do algoritmo interno. Já o AutoPSO e o EvoGO elevam o objeto evoluído mais um nível — evoluem diretamente a própriaestrutura do algoritmo: como os componentes se combinam, como os candidatos são gerados e como as regras de atualização se organizam.

Evolução da Estrutura de Algoritmos: AutoPSO e EvoGOO nível externo evolui a estrutura do algoritmo (altera a estrutura, não apenas ajusta parâmetros) · o nível interno avalia em tarefas reais e fornece feedbackExternoPool de componentes (operadores combináveis)Termo de velocidade / atualização de posição da partículaTopologia de vizinhançaTermo de perturbaçãoEstratégia de reinicializaçãoA fórmula fixa é decomposta em componentes opcionaisMontagem da estruturaSeleção de estrutura guiada por feedback históricoComo os componentes se combinamComo os candidatos são geradosComo as regras de atualização se organizamEsqueleto comum do AutoPSO e do EvoGOCamada estrutural: componentes e conexões variáveisGerador de candidatosInstanciado pela estrutura externaResultado da avaliação internaAptidão / trajetória de convergênciaRegistro de pares estrutura–desempenhoFornece base estatística para a seleção externaA densidade de amostras é o pré-requisito para uma seleção confiávelCombinarInstanciarA estrutura executa no nível internoFeedback históricoVolante da atualização estruturalNível interno: avaliação de tarefas + execução paralela em lote na GPUMuitas tarefas internas são avaliadas simultaneamente, tornando as amostras de pares estrutura–desempenho suficientemente densasAvaliação paralela em loteAjustar o fator de aprendizado altera apenas a intensidade do comportamento; mudar a combinação de componentes altera a forma do comportamento.

Critério: o que o nível externo realmente busca

Para distinguir "ajuste de parâmetros" de "mudança de estrutura", não basta olhar o nome do método; é preciso observar onível do espaço de busca externo. O espaço de busca externo de métodos como o MetaDE é a configuração e a estratégia do algoritmo interno (valores como fator de aprendizado, probabilidade de mutação, pressão de seleção); já o espaço de busca externo do AutoPSO / EvoGO é a estrutura do algoritmo — quais componentes participam da combinação, como é o fluxo de geração de candidatos e como o estado é atualizado.

  • nível de parâmetros: estrutura fixa, apenas valores numéricos são ajustados. O alcance é a "intensidade" do comportamento.
  • Camada estrutural: componentes e conexões são variáveis. O alcance é a "forma" do comportamento.

AutoPSO: decompõe o PSO clássico em um pool de componentes

A fórmula de atualização de velocidade–posição do PSO clássico é fixa. O AutoPSO decompõe esse processo em componentes combináveis: termo de velocidade, topologia de vizinhança, termo de perturbação, estratégia de reinicialização, etc., que o nível externo evolutivo seleciona e monta em um novo gerador de candidatos. Ele não segue mais a estrutura fixa de atualização clássica; em vez disso, faz da própria "estrutura de atualização" uma variável pesquisável. Ajustar o fator de aprendizado altera apenas a intensidade do comportamento; mudar a combinação de componentes altera a forma do comportamento.

EvoGO: deixa o feedback histórico decidir para onde a estrutura muda

O EvoGO foca em integrar o feedback histórico ao caminho de evolução da estrutura: as trajetórias de busca anteriores e os registros de desempenho deixam de ser usados apenas para "selecionar soluções" e passam a decidir "para onde a estrutura muda em seguida". O feedback, portanto, deixa de ser um filtro de resultados e se torna o volante da atualização estrutural — ele altera a direção dos candidatos de estrutura da próxima rodada, em vez de apenas escolher um bom resultado entre um lote de candidatos já concluídos.

Esqueleto de dois níveis compartilhado e implicações de engenharia

Ambos compartilham o mesmo esqueleto: o algoritmo interno executa em tarefas reais e o nível externo evolui a estrutura com base no desempenho do nível interno. O pré-requisito fundamental é a densidade de amostras — a execução paralela em lote de muitas tarefas internas na GPU torna as amostras de pares "estrutura–desempenho" suficientemente densas, de modo que a seleção externa tenha significado estatístico e não seja influenciada pelo ruído de uma única execução.

Implicação de engenharia
O algoritmo deixa de ser uma "escolha a priori pontual" e se torna um "objeto aprimorável de forma contínua". O custo é que a evolução no nível estrutural traz naturalmente um espaço de busca maior e um custo de avaliação mais alto; portanto, sua viabilidade depende de uma base paralela tensorizada — o que é a motivação direta do tema de paralelismo em GPU da próxima seção.