В сложных задачах реального мира почти никогда не существует единственного оптимального решения. Несколько целей конкурируют друг с другом, и улучшение одного показателя обычно достигается за счёт ухудшения другого. Поэтому система не должна сходиться к единственному «оптимальному ответу» — она должна сохранять набор различающихся недоминируемых вариантов, чтобы компромиссы были явно видны, а решение оставалось за человеком.
Конфликт целей носит структурный характер, а не решается подбором параметров
Между такими целями, как аэродинамическое качество, прочность конструкции, стоимость и технологичность, не существует одновременного оптимума. К кривой компромиссов (фронту Парето) можно лишь приблизиться, её нельзя устранить. Серые точки на рисунке — возможные решения, цветные точки — взаимно недоминируемые кандидаты, которые вместе образуют фронт.
При многих целях полного порядка не существует
Любые два решения могут быть взаимно недоминируемыми, и «лучшее» можно определить только с указанием направления предпочтений. Например, уклон в прочность, уклон в эффективность, баланс и минимальное сопротивление — все это разумные варианты при разных предпочтениях, а не единый рейтинг, который можно выстроить произвольно.
Разреженная обратная связь — это норма
В реальной инженерии оценка опирается на дорогостоящее моделирование или натурные испытания: обратной связи мало, шум велик, градиент недоступен, поэтому одноточечный поиск типа восхождения к вершине продвигается с трудом. Эволюционные алгоритмы, поддерживая популяцию, при малом числе оценок исследуют сразу несколько направлений и не ставят весь бюджет на одно направление.
Разнообразие — это актив, а не побочный продукт
Набор кандидатов, распределённых по разным участкам фронта, равносилен передаче права выбора и знаний предметной области эксперту, а не принятию решения за него заранее. Если стремиться только к текущему оптимуму, популяция преждевременно сходится, происходит коллапс мод, и в итоге теряется целый неисследованный диапазон компромиссов. Две миниатюры справа на рисунке наглядно показывают эту разницу: сходимость к одной точке сжимается в комок, а разнообразное распределение раскрывается в фронт.
Чёткое разделение обязанностей
Алгоритм отвечает за «генерацию набора различающихся пригодных вариантов», а эксперт предметной области — за «оценку и выбор с учётом предпочтений и ограничений». Набор кандидатов не принимает решение за человека, а выкладывает на стол сравнимые варианты.
Инженерный пример: проектирование сверхкритического профиля крыла
Аэродинамическая эффективность, характеристики дивергенции сопротивления, прочность конструкции и стоимость изготовления сдерживают друг друга. Ценность EvoX не в том, чтобы выдать единственный «оптимальный профиль», а в том, чтобы вывести семейство профилей-кандидатов, охватывающее разные диапазоны компромиссов, из которого инженеры выберут вариант под конкретные режимы полёта и технологические ограничения.
Диаграмма рассеяния многокритериальных компромиссов и распределения кандидатовСерые точки обозначают возможные решения, а цветные взаимно недоминируемые точки-кандидаты совместно приближаются к фронту Парето; две миниатюры справа противопоставляют сходимость к одной точке, сжимающуюся в комок, и разнообразное распределение, раскрывающееся в фронт. Это показывает, что при многих целях полного порядка нет — есть лишь выбор с указанием направления предпочтений, и алгоритм должен выдавать группу кандидатов, охватывающую разные диапазоны компромиссов, а не единственное «оптимальное решение».
