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內外雙層演化與自適應機制

AI999第5课:方法演化:从优化解到优化算法本身
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內外雙層演化將「解決具體任務」與「改進求解方法」解耦為兩個相互作用的演化循環:內層面向任務求解並產生運行表現,外層依據這些表現演化內層演算法的配置與策略,從而形成可自適應的演算法改進機制。它不是把兩個演算法簡單串聯,而是在任務求解層之上增加一個可進化的元層控制,使系統從「人工設定演算法」轉向「演算法自動適配任務」。

內外雙層演化:任務求解與方法演化的回饋閉環內層:任務求解層並行執行大量具體任務,產出候選解與運行表現任務 T1任務 T2任務 T3任務 Tn輸出:候選解 · 目標值 f · 運行表現資源耗時 · 收斂步數 · 成功率作為外層適應度的評價依據張量化批量執行變異、評價、狀態更新進入計算圖內層職責:把題做出來輸出解與運行表現,供外層評價外層:方法演化層不直接求解原任務,而是演化內層配置與策略自適應機制:隨任務與環境變化持續調整內層策略用演化改進演化評價選擇變異更新外層職責:把做題方法變好自適應:隨任務與環境持續調整內層策略內層運行表現聚合為適應度信號反向更新內層配置與策略GPU 並行:批量運行內層任務,為外層提供更充分的統計回饋,降低搜尋等待成本學習目標:理解內層求解與外層策略優化的協作

內層與外層的職責分工

  • 內層職責:解決實際任務,生成候選解、目標值及運行表現數據。它負責「把題做出來」。
  • 外層職責:不直接求解原任務,而是演化內層演算法的配置、策略與參數。它負責「把做題方法變好」。
  • 回饋閉環:內層任務的評價結果被聚合為外層適應度信號,用於選擇、變異並更新更優的內層配置。
  • 自適應機制:外層根據任務與環境變化持續調整內層策略。
  • 並行支撐:GPU 可並行運行大量內層任務,為外層演化提供更充分的統計回饋並降低搜尋等待成本。

MetaDE:用演化改進演化

以 MetaDE 為例,內層 DE 負責具體優化任務,外層演化演算法根據內層運行表現選擇並調整 DE 的配置與策略;大量內層任務結果反向指導外層配置選擇,形成「用演化改進演化」的雙層閉環。

關鍵區分
內層輸出的是「解」,外層輸出的是「產生解的更好的方法」。外層適應度不是原任務的最優值本身,而是對內層配置在批量任務上表現的評價。

學習目標

掌握內層任務求解與外層策略優化的協作關係,理解方法演化是在內層之上增加可進化的元層控制,並能說明 GPU 並行如何為外層提供更可靠的統計回饋。