JP2001101251A - Automatic designing device and design processing method - Google Patents

Automatic designing device and design processing method

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JP2001101251A
JP2001101251A JP28024399A JP28024399A JP2001101251A JP 2001101251 A JP2001101251 A JP 2001101251A JP 28024399 A JP28024399 A JP 28024399A JP 28024399 A JP28024399 A JP 28024399A JP 2001101251 A JP2001101251 A JP 2001101251A
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JP
Japan
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function
insect
gene
generation
input data
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JP28024399A
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Japanese (ja)
Inventor
Seiichi Serikawa
聖一 芹川
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Japan Science and Technology Agency
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Japan Science and Technology Corp
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Publication date
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    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an automatic designing device and a design processing method capable of automatically designing an optional functional form such as the shape of a lens by improvement of an artificial life type discovery system (S-system). SOLUTION: This device is constituted so that a functional solution is stably and efficiently obtained by performing uniform crossover to replace part or the whole of a constant factor between genes, simplifying the tree structure of a function and introducing mutation to replace part of the function with another function when an artificial life is reproduced by the artificial life type discovery system (S-system) to be used in the automatic designing device and the designing processing method.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータ技術
により光学レンズやフィルタなどの所定の関数機能を持
つ任意の部品を設計可能にする自動設計装置及び設計処
理方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an automatic design apparatus and a design processing method for enabling an arbitrary part having a predetermined function such as an optical lens and a filter to be designed by computer technology.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、人工生命(Artificial Life : A-
Life) の研究が盛んに行われるようになっている。例え
ば、人工生命を用いての進化モデルの確立、形態の成長
過程、進化的学習、並列処理、事故修復、自己増殖によ
る画像生成等の研究があげられる。これらの研究は、ア
ート指向の研究、サイエンス指向の研究、エンジニアリ
ング指向の研究に大別される。
2. Description of the Related Art In recent years, artificial life (A-
Life) is being actively researched. For example, research on establishment of an evolution model using artificial life, morphological growth process, evolutionary learning, parallel processing, accident repair, image generation by self-reproduction, and the like can be mentioned. These studies can be broadly divided into art-oriented studies, science-oriented studies, and engineering-oriented studies.

【0003】アート指向の研究は、再帰的な自己増殖モ
デルを基に芸術作品を作製したり、それを支援するシス
テムを開発するものである。サイエンス指向の研究は、
生命の計算論理を確立するものである。エンジニアリン
グ指向の研究は、進化と適応能力を持つシステムを開発
するものであり、様々な分野に応用されていて、例え
ば、自己組織化による形状設計やスケジューリング、昆
虫型ロボットの設計、遺伝的アルゴリズム(Genetic Al
gorithm:以下にGAと略称する) を拡張した検索システ
ム等があげられる。本発明の基礎となるGAは、評価関
数の与え方や固体の表現の仕方を工夫することにより、
組み合わせ問題などを解くことができる。GAを木構造
表現に拡張した枠組みのことを遺伝的プログラミング
(Genetic Programming:以下にGPと略称する) と呼
ぶ。GPはGAの考え方に基づいているが、その違い
は、GAが主に最適化を目指しているのに対し、GPの
適用範囲は、AIの問題解決から、ロボット、分子生物
学などの実際的な問題まで多岐にわたっていることであ
る(参考文献1)。
[0003] The art-oriented research is to create a work of art based on a recursive self-reproduction model and to develop a system for supporting the work. Science-oriented research
It establishes the computational logic of life. Engineering-oriented research develops systems that have the ability to evolve and adapt, and has been applied to various fields, such as shape design and scheduling by self-organization, insect robot design, and genetic algorithms ( Genetic Al
gorithm: hereinafter abbreviated as GA). GA, which is the basis of the present invention, is designed by devising how to give an evaluation function and how to express a solid.
Can solve combination problems. A framework in which GA is extended to a tree structure expression is referred to as Genetic Programming (hereinafter abbreviated as GP). GP is based on the concept of GA, but the difference is that GA mainly aims at optimization, whereas the scope of GP is limited to solving practical problems such as AI problems, robots, molecular biology, etc. Is a wide variety of problems (Ref. 1).

【0004】これまでにGPを用いていくつかの未知関
数が発見されているが、GPを用いて発見される関数
は、人間が発見する関数とは大きく異なり、非常に複雑
なものになる場合がしばしばである。また、GPでは解
が安定しないことが多い。そこで本発明者らは、先に、
GPを拡張した新しい関数発見システム(S-system) を
提案した(参考文献2)。このS-systemでは関数を遺伝
子として表現し、発見のアルゴリズムに有性生殖等の生
物のさまざまなアナロジーを導入していることから、本
システムを「人工生命型発見システム」と呼んでいる。
[0004] Several unknown functions have been discovered so far using GP. However, functions discovered using GP are very different from functions discovered by humans, and are very complicated. Is often. In addition, the solution is often unstable in GP. Therefore, the present inventors first,
A new function discovery system (S-system) that extends GP has been proposed (reference document 2). This S-system expresses functions as genes and introduces various analogies of organisms such as sexual reproduction into the algorithm of discovery, so this system is called "artificial life type discovery system".

【0005】S-systemは、解が発散しにくく安定であ
り、またS-systemで発見された関数は、GPの手法に比
較してシンプルである特長をもつ。このS-systemを諸法
則に適用してみた結果、このシステムにはすぐれた関数
発見能力のあることが知られた。そして、このシステム
を画像認識に適用した結果、画像中に含まれる複数の異
なる曲線を抽出することができた(参考文献3)。
[0005] The S-system has a feature that the solution is hard to diverge and is stable, and the function discovered in the S-system is simpler than the GP method. As a result of applying this S-system to various laws, it was found that this system has excellent function discovery ability. Then, as a result of applying this system to image recognition, it was possible to extract a plurality of different curves included in the image (Reference Document 3).

【0006】(参考文献1)Koza,J.,Genetic Programm
ing: On the Programming ofComputers by means of Na
tural Selection.MIT press.1992 (参考文献2)Serikawa,S. and Shimomura,T., “Prop
osal of a Systemof Function-Discovery Using a Bug
Type of ArtificialLife”,IEE Trans. Jpn, Vol.118-
C,No.2,pp.170-179,1998. (参考文献3)芹川, 三河, 下村, “虫型人工生命によ
る図形中の複数の異なる曲線の抽出”, 平成9年度電気
関係学会九州支部連合大会,246, p.102,1997.
(Reference 1) Koza, J., Genetic Programm
ing: On the Programming of Computers by means of Na
tural Selection.MIT press.1992 (Reference 2) Serikawa, S. and Shimomura, T., “Prop
osal of a Systemof Function-Discovery Using a Bug
Type of ArtificialLife ”, IEE Trans. Jpn, Vol. 118-
C, No.2, pp.170-179, 1998. (Reference 3) Serikawa, Mikawa, Shimomura, "Extraction of Multiple Different Curves in Figures by Insect-type Artificial Life", 1997 IEEJ Kyushu Chapter United Conference, 246, p. 102, 1997.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】これまでに、遺伝的ア
ルゴリズム(GA)によるレンズ設計の報告がいくつか
なされているが(参考文献4)、それらは数値の最適化
によりレンズ設計を行うものであり、レンズの形状(関
数)自体はあらかじめ決めておく必要があり、設計者の
経験や勘に頼る部分があった。一方、設定した入出力条
件に適応する関数を自動的に発見するシステムとして遺
伝的プログラミング(GP)法があったが、解が複雑で
かつ不安定であるという問題があった。そこで本発明者
らは、先に、遺伝的プログラミング(GP)法を拡張し
た人工生命型発見システム(S-system) を提案したが、
このシステムでも設定条件によっては解がなかなか収束
しなかったり、解が得られなかったりする問題があっ
た。
There have been several reports on lens design using a genetic algorithm (GA) (reference document 4). However, they are designed to optimize the numerical value of a lens. Yes, the shape (function) of the lens itself must be determined in advance, and there is a part that depends on the experience and intuition of the designer. On the other hand, there is a genetic programming (GP) method as a system for automatically finding a function adapted to a set input / output condition, but there is a problem that a solution is complicated and unstable. Accordingly, the present inventors have previously proposed an artificial life type discovery system (S-system) which is an extension of the genetic programming (GP) method.
Even in this system, there is a problem that a solution does not easily converge or a solution cannot be obtained depending on setting conditions.

【0008】本発明は、人工生命型発見システム(S-sy
stem) の改良により、レンズの形状などの任意の関数形
を生成対象としての実用的な自動設計を可能にする自動
設計装置及び設計処理方法を実現しようとするものであ
る。
The present invention provides an artificial life type discovery system (S-sy
The aim of the present invention is to realize an automatic design apparatus and a design processing method that enable practical automatic design for generating an arbitrary function form such as a lens shape by improving the stem.

【0009】(参考文献4)Fujimoto,Y., Nishiguchi,
M., Nomoto,K., Takahashi,R.and Tsutsui,S., “An ev
olutionary design for f-thetalenses”,Parallel Pro
blem Solving from Nature -PPSNiv. The 4th Internat
ional Conference on Parallel Problem Solving from
Nature.,pp.992-1001,1996.
(Reference 4) Fujimoto, Y., Nishiguchi,
M., Nomoto, K., Takahashi, R. and Tsutsui, S., “An ev
olutionary design for f-thetalenses ”, Parallel Pro
blem Solving from Nature -PPSNiv.The 4th Internat
ional Conference on Parallel Problem Solving from
Nature., Pp. 992-1001, 1996.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の自動設計装置及
び設計処理方法で用いられる人工生命型発見システム
(S-system) は、人工生命を生殖させる際に、遺伝子間
で定数要素を交換する一様交叉を行い、また関数の木構
造を簡単化したり、関数の一部を他の関数で置換する突
然変異を導入することによって、改良が図られている。
以下にその概要を述べる。
The artificial life type discovery system (S-system) used in the automatic design device and the design processing method of the present invention exchanges constant elements between genes when reproducing artificial life. Improvements have been made by performing uniform crossovers, simplifying the function tree structure, and introducing mutations that replace some of the functions with other functions.
The outline is described below.

【0011】図3は、体内に遺伝子2を持つ人工生命の
虫機能体1の概念構成を示す。本発明の人工生命型発見
システム(S-system) では、このような虫機能体1が多
数用いられる。
FIG. 3 shows a conceptual configuration of an artificial life insect function body 1 having a gene 2 in the body. In the artificial life type discovery system (S-system) of the present invention, many such insect function bodies 1 are used.

【0012】虫機能体1の遺伝子2は、演算子、定数、
変数を要素として構成される。関数を遺伝子として表現
するために木構造を用いる。木構造は、LISPのS表現と
同一視することができる。その例として図4に、関数K1
・sin(x)+y/(K2 ・x)の木構造とS表現を示す。同様に
して、様々な関数を遺伝子として表現することができ
る。
The gene 2 of the insect function body 1 is composed of an operator, a constant,
It is composed of variables as elements. A tree structure is used to represent functions as genes. The tree structure can be equated with the S-expression of LISP. 4 as an example, the function K 1
· Sin (x) + y / shows a tree structure and S expression (K 2 · x). Similarly, various functions can be expressed as genes.

【0013】人工生命型発見システムでは、生殖を行
う。このシステムの特徴は、生殖の際に有性生殖・無性
生殖の概念を導入したことにある。まず、同種と異種に
ついて説明する。遺伝子構造の全く等しい種を同種、遺
伝子構造が異なる種を異種と定義する。図5に示す例で
は、虫1と虫2は同種である。ところが、虫3の遺伝子
構造は他の虫と異なる。したがって虫3は他の虫に対し
て異種である。有性生殖は同種間で行われる。異種間で
は行われない。有性生殖で変化するのは遺伝子中の定数
の部分のみである。関数と変数は変化しない。そこで、
有性生殖の場合、定数のみの配列(遺伝子)を作成し、
定数に対する交叉を行う。また、局所的探索能力を向上
させるために虫型GAの戦略を用い、各定数の微小変化
分の配列を作りそれらに対しても交叉を行う。同種が存
在しない場合、無性生殖によって自分と全く同じ遺伝子
の虫を2匹誕生させる。
In the artificial life type discovery system, reproduction is performed. The feature of this system is that the concept of sexual and asexual reproduction was introduced during reproduction. First, the same kind and different kinds will be described. Species with exactly the same genetic structure are defined as the same species, and species with different genetic structures are defined as different species. In the example shown in FIG. 5, insect 1 and insect 2 are of the same species. However, the insect 3 has a different genetic structure from other insects. Insect 3 is therefore heterologous to other insects. Sexual reproduction occurs between conspecifics. It is not performed between different kinds of people. Only the constant part of the gene changes during sexual reproduction. Functions and variables do not change. Therefore,
In the case of sexual reproduction, create a sequence (gene) consisting only of constants,
Cross over constants. In addition, an insect GA strategy is used to improve the local search ability, and arrays for minute changes in each constant are created and crossover is performed on them. If the same species does not exist, asexual reproduction produces two worms with exactly the same gene.

【0014】図1は、本発明による人工生命型発見シス
テム(S-system)の全体のフローを示す。次に、フロー
中の各ステップ(1)〜(9)の動作を説明する。 (1)初期状態ではランダムに任意の関数を持つ虫機能
体(以下、「虫」と略称する)をPop 個生成する。 (2)世代gを1 にする。 (3)全ての虫の内部エネルギーEp を0にセットす
る。内部エネルギーEpは、目標に対する関数の適応度
を表わし、関数の評価に用いられる。 (4)虫番号pを1にセットし、p=Pop になるまで
(5)〜(7)のフローを繰り返す。 (5)各虫が移動する。「移動」とは、遺伝子中の定数
項の値を僅かに変化させること意味する。ここでは定数
項の値を微小変化させた多数の遺伝子配列を作成する。 (6)観測データを虫が捕獲する。ここで「捕獲」と
は、虫の遺伝子(関数)に観測データを代入し、虫の内
部エネルギー(適応度)Ep を計算する。観測データに
関数が良く適応している虫ほど、虫の内部エネルギーが
高くなるように設定されている。これは虫が観測データ
を食べることによって内部エネルギーが高くなることを
意味する。 (7)観測データと虫の持つ関数が良く一致した場合
(内部エネルギーがあるしきい値を超えた場合)、関数
が発見されたものとみなし、プログラムを終了する。 (8)世代gが最終世代Maxg に到達していればプロ
グラムを終了する。そうでなければ子孫生成ルーチン
(9)を実行する。 (9)子孫生成ルーチンで、有性生殖、無性生殖、突然
変異を行った後、世代gに1を加算して現世代数を進
め、(3)へ戻る。
FIG. 1 shows an overall flow of an artificial life type discovery system (S-system) according to the present invention. Next, the operation of each step (1) to (9) in the flow will be described. (1) In the initial state, Pop functional bodies (hereinafter, abbreviated as "insects") having an arbitrary function are randomly generated. (2) Generation g is set to 1. (3) is set to 0 the internal energy E p of all of the insects. Internal energy E p represents the fitness function to the target, is used to evaluate the function. (4) The insect number p is set to 1, and the flow of (5) to (7) is repeated until p = Pop. (5) Each insect moves. “Migration” means slightly changing the value of a constant term in a gene. Here, a large number of gene sequences in which the value of the constant term is slightly changed are created. (6) The insect captures the observation data. Here, the "capture" substitutes observations insect gene (function) to calculate the internal energy (fitness) E p of insects. Insects that are better adapted to the observed data have higher internal energies. This means that the internal energy is increased by insects eating the observation data. (7) When the observation data and the function of the insect match well (when the internal energy exceeds a certain threshold), it is regarded that the function has been found, and the program is terminated. (8) If the generation g has reached the final generation Max g , the program ends. Otherwise, the descendant generation routine (9) is executed. (9) After performing sexual reproduction, asexual reproduction, and mutation in the offspring generation routine, add 1 to generation g to advance the current generation number, and return to (3).

【0015】図2に子孫生成ルーチンのフローを示す。
概略以下のとおりである。 (a)ジェネレーションギャップによりPar 個の虫が次
世代に残される。ここではエリート戦略を用いた。 (b)虫番号pを2にセットし、p=Pop −Par になる
まで(c)〜(g)のフローを繰り返す。 (c)トーナメント戦略により1匹の虫を選択する。 (d)(c)により選択された虫に同種が存在する場合
(e)を実行し、同種が全く存在しない場合(f)を実
行する。 (e)同種の虫の中からエネルギーのもっとも高い虫を
交叉の相手とし、2 匹の虫を生成する。次に(g)へ進
む。 (f)選択された虫と全く等しい虫2匹を生成する。 (g)突然変異率Rmut の割合で遺伝子の一部を別の遺
伝子構造に置き換える。
FIG. 2 shows a flow of a descendant generation routine.
The outline is as follows. (A) Par insects are left in the next generation due to the generation gap. Here, the elite strategy was used. (B) Set the insect number p to 2, and repeat the flow of (c) to (g) until p = Pop-Par. (C) Select one insect according to the tournament strategy. (D) If the insect selected in (c) has the same species, execute (e), and if the insect does not exist, execute (f). (E) Two insects are generated with the insect having the highest energy among insects of the same species as the crossing partner. Next, proceed to (g). (F) Produce two insects that are exactly equivalent to the selected insect. (G) Replace a part of the gene with another gene structure at the rate of mutation rate Rmut .

【0016】本発明のS-systemはGPの拡張モデルであ
るが、S-systemとGPの最大の相違点は交叉にある。G
Pでは異なる関数間で交叉を行うため、世代毎に関数の
形が劇的に変化する。このため、スキーマが破壊されや
すく、解が安定しない。また、定数値が微小変化できな
いため、局所的検索能力に欠ける。例えば、非線形性の
強い関数は、定数値の僅かな違いで分布が大きく変化す
る。GPの交叉や突然変異では、定数値のみがわずかに
変化する確率より、関数の形が変化する確率の方がはる
かに高い。このため、遺伝子長は非常に長くなるか極端
に短くなる場合が多い。また、ある程度適応度が高くな
るものの、それ以上は高くならない。一方、S-systemは
有性生殖と虫の移動の概念により、スキーマを破壊する
ことなく、着実に適応度が高くなるにつれて虫の移動幅
が小さくなる傾向にあり、より細かい探索が可能とな
る。
Although the S-system of the present invention is an extended model of GP, the biggest difference between S-system and GP lies in the intersection. G
In P, since the crossover is performed between different functions, the shape of the function changes dramatically for each generation. For this reason, the schema is easily broken, and the solution is not stable. In addition, since the constant value cannot be changed slightly, the local search capability is lacking. For example, a distribution of a function having a strong nonlinearity greatly changes due to a slight difference in a constant value. In the case of GP crossover or mutation, the probability that the form of the function changes is much higher than the probability that only the constant value changes slightly. For this reason, the gene length is often very long or extremely short. In addition, the fitness is increased to some extent, but not higher. On the other hand, S-system uses the concept of sexual reproduction and insect movement, and the tendency for insect movement to decrease as the fitness increases steadily without breaking the schema allows for more detailed searches. .

【0017】生殖によって虫の遺伝子構造が変化するこ
とはない。このため虫の多様性を維持することができな
い。そこで、虫の多様性を保持するために突然変異を用
いる。突然変異によって、ある確率で遺伝子の一部が変
化し、新しい種が誕生する。突然変異によって新しく誕
生した虫は同種を持たないので、次の世代は無性生殖に
より同種を増やす。その次の世代には有性生殖を行うこ
とができ、進化がさらに進む。図6に、突然変異により
関数K1・sin(x)+y/ (K2・x ) の一部を tan(x・y)で置
き換えた例を示す。
The genetic structure of the insect does not change during reproduction. For this reason, diversity of insects cannot be maintained. Thus, mutations are used to maintain insect diversity. Mutations change a part of the gene with a certain probability, and a new species is born. The next generation will asexually augment the conspecifics since the newly born insects due to the mutation will not have conspecifics. The next generation can be sexually reproductive and evolve further. FIG. 6 shows an example in which a part of the function K 1 · sin (x) + y / (K 2 · x) is replaced by tan (x · y) by mutation.

【0018】S-systemのもう一つの特徴は、同種の数に
制限を設けていることである。世代が進むにつれて1種
類の虫のみが全数の殆どを支配してしまう場合がある。
これは優秀な種が選択的に生き残るためである。このよ
うな場合、たとえその虫より優秀な関数形を持つ虫が出
現したとしても、その虫の適応度が低ければ、進化する
ことは困難である。つまり、探索が局所的最適値に捕ら
われてしまう。よって、できるだけ探索を成功させるた
めに同種数に制限を設けることが望ましい。
Another feature of the S-system is that it limits the number of similar types. As generations progress, only one type of insect may dominate the majority of the population.
This is because the excellent species selectively survive. In such a case, even if an insect having a superior functional form emerges, it is difficult to evolve if the fitness of the insect is low. That is, the search is caught by the local optimum. Therefore, it is desirable to limit the number of the same kind in order to make the search as successful as possible.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を具体的に説
明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be specifically described.

【0020】S-systemの関数探索効率を高めるために、
以下の改良を行うことができる。 (1)一点交叉から一様交叉に変更 S-system においては、有性生殖の場合にのみ交叉が行
われる。図7の(a)に示すように、交叉によって変化
するのは定数部のみであるので、有性生殖の場合、定数
のみの配列(遺伝子)を作成し、これに対して交叉を行
う。この部分は図7の(b)に示す実数型GAと同様の
戦略である。また、局所的探索の能力を向上させるた
め、図8に示すように定数の微小変化の配列を作成し、
これに対しても交叉を行う。この部分は虫型GAと同様
の戦略である。一般に、実数型GAにおける交叉オペレ
ータの探索能力は、一点交叉<二点交叉<一様交叉の順
に効率が良いとされている。そこで、本実施例では交叉
方法を一点交叉から一様交叉に変更した。 (2)遺伝子の簡単化 初期集団生成時や突然変異が発生したとき、場合によっ
てはK1 +K2 やsin(K1 )などといった部分木が現れ
ることがある。しかし、このような部分木はいずれもK
1 という1つの定数に簡単化できる。また、足し算やか
け算のように交換法則が成り立つ演算もある。つまり、
x+K1 とK1 +xは同じである。このような場合、遺
伝子の型が異なるため異種と判断される。これでは遺伝
子の型は異なるものの関数の全く等しい虫が多数繁殖し
てしまうことになる。このため他の関数を持つ虫が出現
しにくく、探索が局所解に陥りやすい。このような場
合、同種生息数に上限を設けても意味がない。そこで、
初期集団生成時と突然変異発生後に、次の法則に従って
遺伝子を簡単化する。 (a)演算の結果、あるノードより下位が1つの定数で
表せる場合は、そのノードを定数に置き換える。定数の
値はそのノードより下位の部分木の演算結果とする。 (b)定数と変数を含む演算で交換法則が成り立つ場合
は、定数を左の木に並び換える。
In order to improve the function search efficiency of the S-system,
The following improvements can be made. (1) Change from single-point crossover to uniform crossover In the S-system, crossover is performed only for sexual reproduction. As shown in FIG. 7A, only the constant portion changes due to crossover, so in the case of sexual reproduction, an array (gene) containing only constants is created and crossover is performed on this. This part has the same strategy as the real type GA shown in FIG. 7B. In addition, in order to improve the local search ability, an array of small changes in constants is created as shown in FIG.
Crossover is also performed for this. This is a strategy similar to that of insect GA. Generally, it is said that the search capability of the crossover operator in the real GA is efficient in the order of one-point crossover <two-point crossover <uniform crossover. Therefore, in this embodiment, the crossover method is changed from one-point crossover to uniform crossover. (2) Simplification of Gene When an initial population is generated or a mutation occurs, a partial tree such as K 1 + K 2 or sin (K 1 ) may appear in some cases. However, all such subtrees are K
It can be simplified to one constant of 1. There are also operations such as addition and multiplication in which the exchange rule holds. That is,
x + K 1 and K 1 + x are the same. In such a case, it is determined that the gene is heterogeneous because the gene type is different. This means that many insects with different genotypes but exactly the same function will breed. Therefore, insects having other functions are unlikely to appear, and the search is likely to fall into a local solution. In such a case, it is meaningless to set an upper limit on the number of inhabitants of the same species. Therefore,
Genes are simplified according to the following rules during initial population generation and after mutation. (A) As a result of the operation, when a lower level than a certain node can be represented by one constant, the node is replaced with a constant. The value of the constant is the operation result of the subtree below the node. (B) When the exchange rule is satisfied by an operation including a constant and a variable, the constant is rearranged in the left tree.

【0021】図9に簡単化の例を示す。(a)、(b)
の法則を適用することによって、関数が簡単化されるこ
とがわかる。なお、x+sin(y)とsin(y)+xのよう
に定数項を含まない場合でも等価関数は多数存在する
が、S-systemでは定数項に関わる等価関数が多く出現し
た。そこで、計算の手間を省くため上記の(a)、
(b)の法則のみを適用した。 (3)使用関数の拡張 S-systemで使用できる関数は+(add) 、−(sub) 、×(m
ul) 、÷(div) 、べき乗(pow) 、√(sqr) 、sin 、cos
、tan 、log であるが、今回は照明関数のレンズ設計
を視野に入れ、方形波、のこぎり波、円形波、ステップ
関数も木構造で表現できるように拡張した。これらは非
終端記号としてそれぞれ sqw、stw 、cir 、stp を用い
る。これらの関数を以下の数1のように定義する。
FIG. 9 shows an example of simplification. (A), (b)
It can be seen that applying the law of simplifies the function. Although there are many equivalent functions even when no constant term is included, such as x + sin (y) and sin (y) + x, many equivalent functions related to the constant term appear in the S-system. Then, in order to save the trouble of calculation, the above (a),
Only the rule of (b) was applied. (3) Extension of functions used Functions that can be used in the S-system are + (add),-(sub), and × (m
ul), ÷ (div), power (pow), √ (sqr), sin, cos
, Tan, and log, but this time, the lens function of the illumination function was considered, and the square wave, sawtooth wave, circular wave, and step function were expanded so that they could be expressed in a tree structure. These use sqw, stw, cir, and stp, respectively, as nonterminal symbols. These functions are defined as in the following Expression 1.

【0022】[0022]

【数1】 (Equation 1)

【0023】ただし、a=x−〔x/π〕・π、b=
(k+10)・π/20、c=x−〔x/2〕・x、
〔x〕はxを上回らない最大の整数。
Where a = x− [x / π] · π, b =
(K + 10) · π / 20, c = x− [x / 2] · x,
[X] is the largest integer not exceeding x.

【0024】ここで、定数kの定数域は−10〜10で
ある。これらの関数によって生成される曲線を図10に
示す。
Here, the constant range of the constant k is -10 to 10. The curves generated by these functions are shown in FIG.

【0025】図10において、図中の方形波とのこぎり
波は共に周期π、最大振幅1の周期波形である。また、
k≧0の時、W≧π/2となり、k<0の時、W≧π/
2となる。円形波の周期は2で、最大振幅は1である。
引数や係数を変化させることによって、様々な周期と振
幅の波形を作成することが可能である。例えば、2.0*
cir (0.5 * x) とすることによって、周期2倍、振幅
2倍の円形波に変えることができる。光学部品の設計 入射光を入力データ、結像点付近の光強度を出力データ
とみなし、光学部品の形状を関数として表現すれば、入
出力に一致する関数(光学部品の形状)を自動的に発見
することができる。まず凸レンズの設計を行った例を説
明する。
In FIG. 10, the square wave and the sawtooth wave in the figure are both periodic waveforms having a period π and a maximum amplitude of 1. Also,
When k ≧ 0, W ≧ π / 2, and when k <0, W ≧ π /
It becomes 2. The period of the circular wave is 2, and the maximum amplitude is 1.
By changing arguments and coefficients, it is possible to create waveforms of various periods and amplitudes. For example, 2.0 *
By setting cir (0.5 * x), it is possible to change to a circular wave having twice the period and twice the amplitude. Designing the optical component Considering the incident light as input data and the light intensity near the image point as output data, and expressing the shape of the optical component as a function, the function (shape of the optical component) that matches the input / output is automatically Can be found. First, an example in which a convex lens is designed will be described.

【0026】S-systemを用いると、光源位置、焦点位置
を変化させたり、光源数を増やしても、一点に集光する
ようにレンズ形状が変化した。また、照明器具への応用
として、均一に光を放射するバックライト形状の設計を
試みた。専門知識を持たない人間が直観的にこのような
バックライト形状を発見することは容易ではない。以下
の例は、S-systemを光学的部品の設計に応用したもので
ある。 設計目標とする光学部品 ここで設計目標とする光学部品は、点光源から放射され
たすべての光線が1点に集光する理想のレンズである。
ただし、色収差については考えない。簡単化のために2
次元モデルを考える。
When the S-system was used, the shape of the lens was changed so that light was condensed at one point even when the light source position and the focal position were changed or the number of light sources was increased. In addition, as an application to lighting equipment, we attempted to design a backlight shape that uniformly emits light. It is not easy for a person without specialized knowledge to intuitively discover such a backlight shape. The following example applies the S-system to the design of optical components. Optical Component to be Designed The optical component to be designed here is an ideal lens in which all light rays emitted from a point light source are converged at one point.
However, chromatic aberration is not considered. 2 for simplicity
Consider a dimensional model.

【0027】図11に、凸レンズの形状と結像の様子お
よびレンズ形状探索時の座標系を示す。光源の位置を
(xL , −yL ) 、結像点の座標を(xf , yf ) 、光
源からレンズまでの距離をyL 、xの範囲を xmin
ら xmax までとする。凸レンズの平面部分をある直線
(y=0) で固定し、凸レンズの形状を虫の遺伝子とし
て関数を表す。この関数と固定した直線で囲まれる領域
がレンズ部分である。本論文では、凸面を表す関数 S-s
ystem によって自動的に探索する。本手法を3次元モデ
ルに拡張し、光源の各波長ごとに屈折率を変化させれ
ば、実際の3次元モデルに拡張することは可能である。 適応度の求め方 ここでは、点光源から放出されたすべての光線を一点に
集める凸レンズを設計する。つまり、より多くの光線が
一点に集まるほど虫の適応度が大きくなるように評価す
ればよい。光線の透過、反応方向の計算にはフレネル方
式を用いる。
FIG. 11 shows the shape of the convex lens, the state of image formation, and the coordinate system used when searching for the lens shape. The position of the light source is (x L , −y L ), the coordinates of the imaging point are (x f , y f ), the distance from the light source to the lens is y L , and the range of x is from x min to x max . The plane part of the convex lens is fixed by a certain straight line (y = 0), and the function of the convex lens is expressed as a bug gene. A region surrounded by this function and a fixed straight line is a lens portion. In this paper, the function Ss
Search automatically by ystem. If this method is extended to a three-dimensional model and the refractive index is changed for each wavelength of the light source, it can be extended to an actual three-dimensional model. Here, a convex lens that collects all the rays emitted from the point light source into one point is designed. In other words, the evaluation should be such that the fitness of the insect increases as more rays converge at one point. The Fresnel method is used to calculate the light transmission and the reaction direction.

【0028】光源から発射されたある1本の光線iがy
=yf に到達したとき、次の数2の計算によってその光
線の得点が決まる。
One ray i emitted from the light source is y
= Y f , the score of the ray is determined by the following equation (2).

【0029】[0029]

【数2】 (Equation 2)

【0030】scorei は、tx =xf の時に最大 (=1)
となる上に凸曲線である。ここで、tx は光線iがy=
f に到達した時の交点のx値である。max(a 、b)は
a、b の中で値の大きい方を返す関数とする。 Li はy
=yf 面での光線の強さを表す。なお、光源から放出さ
れた1本の光線の光強度を1とする。反射、屈折する度
に光強度は減衰していく。これはフレネルの法則に従
う。こうしてy=yf 面に到達したすべての光線につい
て scorei を求める。この時、適応度Fitness を次の数
3のように定義する。
The score i is maximum (= 1) when t x = x f
Is an upward convex curve. Here, t x is such that the ray i is y =
This is the x value of the intersection when reaching y f . max (a, b) is
A function that returns the larger value of a and b. Li is y
= Y represents the intensity of the light ray on the ff plane. Note that the light intensity of one light beam emitted from the light source is 1. The light intensity decreases with each reflection and refraction. This follows Fresnel's law. Thus, score i is obtained for all rays that have reached the y = y f plane. At this time, the fitness Fitness is defined as in the following Expression 3.

【0031】[0031]

【数3】 (Equation 3)

【0032】ここで、Nは、y=yf 面に到達した光線
の本数、hは光源から放出された全光線数である。この
式からわかるように、強い光線がxf 点に集まるほど適
応度が大きくなる。適応度は0〜1の値を取ることにな
る。ただし、入射光の一部はレンズ面で反射するため適
応度が1に達することはない。
[0032] Here, N is the, number of rays reaching the y = y f plane, h is the total number of rays emitted from the light source. As seen from this equation, a strong light increases the fitness as gather x f point. The fitness value takes a value of 0 to 1. However, since a part of the incident light is reflected by the lens surface, the fitness does not reach 1.

【0033】以上のように、より強く多数の光線を一点
に集めることができる関数を内部に持つ虫ほど、適応度
が大きくなる。適応度を虫が獲得した内部エネルギーと
みなせば、虫は光線からエネルギーを吸収していること
になる。よって、光線を虫の餅とみなすことができる。 光学部品設計アルゴリズム 光学部品設計アルゴリズムのフローチャートは、図1及
び図2に示されるフローチャートと同様である。異なる
点は、関数発見アルゴリズムが観測データを虫の餌とし
ている点である。それに伴って、適応度を前述の数3の
式(6)のように変更した。 凸レンズ設計実行例 関数探索に用いた各パラメータの一覧を図12に示す。
この条件に基づいてS-systemによって設計された凸レン
ズを図13に示す。ただし、1本の入射光に対して5%
未満の反射光および透過光は描写していない。なお、集
光の程度がわかりやすいように、y=yf 面に到達した
光強度分布を図の上部に示した。図13における遺伝子
は,第98世代で発見された正弦関数である。任意の正
弦関数を表すためには各パラメータが必要である。この
遺伝子の場合、k1が振幅、k2 が位相、k3 が周期、
4 が高さに寄与している。初期集団は全くランダムに
生成されているため、これらのパラメータはあらかじめ
与えられたものではなく、進化の過程で獲得されたもの
である。図14に、各世代ごとの最大適合度(各世代に
おいて適応度が最も高い虫の適応度の値)の推移を示
す。
As described above, an insect having a function capable of collecting a larger number of rays at one point has a higher fitness. If we consider fitness as the internal energy gained by the insect, the insect is absorbing energy from the light. Therefore, the light beam can be regarded as an insect mochi. Optical Component Design Algorithm The flowchart of the optical component design algorithm is the same as the flowcharts shown in FIGS. The difference is that the function discovery algorithm uses the observed data as insect prey. Along with this, the fitness is changed as in the above equation (6). FIG. 12 shows a list of parameters used in the function search.
FIG. 13 shows a convex lens designed by S-system based on this condition. However, 5% for one incident light
Less than reflected and transmitted light is not depicted. Note that for clarity the degree of condensing showed light intensity distribution that has reached the y = y f surface at the top of FIG. The gene in FIG. 13 is a sine function found in the 98th generation. Each parameter is needed to represent an arbitrary sine function. For this gene, k 1 is an amplitude, k 2 phase, k 3 is periodic,
k 4 contributes to the height. Since the initial population is generated completely at random, these parameters are not given beforehand, but are obtained during evolution. FIG. 14 shows the transition of the maximum fitness (the fitness value of the insect with the highest fitness in each generation) for each generation.

【0034】最大適応度の推移を見てみると特に前半の
世代で適応度が急激に大きく変化している箇所がある。
この部分を詳しく調べると、各世代で、遺伝子構造が大
きく変化し、種別が大きく変化していることがわかっ
た。つまり、突然変異によって遺伝子内に有益な部分構
造が獲得されている。図13の凸レンズは光軸に対して
線対称の方が結像しやすい。また、光線を適切な方向へ
屈折させるためにはレンズの厚み等の要素が必要であ
る。虫にとって有益な部分構造とはこれらの要素のこと
である。進化の過程でこれらの有益な部分構造を得た虫
は確実に進化する。理由は以下の通りである。突然変異
によって有益な部分構造を持つ虫が誕生すると、次の世
代にその虫は無性生殖により複数に増える。複数に増え
ると有性生殖が可能になる。よって、それ以降の世代で
は関数の進化がさらに進む。世代がある程度進むと関数
の形がある程度固定されるため、有性生殖が主となる
が、虫の移動幅が短くなりより細かい探索を行う。
Looking at the transition of the maximum fitness, there is a place where the fitness changes drastically, especially in the first half generation.
Examining this part in detail revealed that the gene structure changed significantly and the type changed significantly in each generation. In other words, a useful partial structure is obtained in the gene by the mutation. The convex lens in FIG. 13 is easier to form an image if the lens is symmetric with respect to the optical axis. Further, in order to refract a light beam in an appropriate direction, an element such as a thickness of a lens is required. The useful substructures for insects are these elements. Insects that have acquired these beneficial substructures during evolution will certainly evolve. The reason is as follows. When an insect with a beneficial partial structure is born due to the mutation, the insect is asexually reproduced in the next generation. Sexual reproduction becomes possible when the number increases. Therefore, in subsequent generations, the function evolves further. As the generation progresses to some extent, the shape of the function is fixed to some extent, so sexual reproduction is the main, but the movement width of the insects becomes shorter and finer search is performed.

【0035】全部で30回の試行を行った。その結果、
図13とほぼ同様な形が26回得られた。ただし、得ら
れた関数は試行毎に異なる。以下に示す数4に、得られ
た関数の中から2つを示す。
A total of 30 trials were performed. as a result,
A shape almost similar to FIG. 13 was obtained 26 times. However, the obtained function differs for each trial. Equation 4 below shows two of the obtained functions.

【0036】[0036]

【数4】 (Equation 4)

【0037】 光源が光軸から異なる場合の凸レンズ
設計 次に光源の位置を変えて実験を行った。関数探索に用い
る各パラメータは、光源の位置と放射角度を除くと図1
2と同様である。光源座標を(−10、−20)、放射角度
を20°とした。この条件に基づいてS-systemによって
設計された凸レンズを図15に示す。我々人間が、これ
らの関数の組合せで図15に示すようなレンズ形状を思
い付くのは容易ではない。この図における遺伝子は第5
7世代で発見された遺伝子である。k1 が振幅、k2
位相、k3 とk4 およびk5 は周期に関係しており、こ
の複雑な形状を持つ関数を表すのに冗長な部分が少な
い。しかし、同図上部の光線強度分布からわかるよう
に、コマ収差で言う彗星の尾の部分の光束密度は薄く、
光源から発射された光のほとんどは結像点に集まってい
るため適応度は高い。 光源が2つある場合のレンズ設計 次に2つの点光源から放射する光線を単に一点に集める
ことのできるレンズを設計する。これはレンズの必要性
というよりも、さまざまな環境に対してもS-systemが柔
軟に適応できるかどうかを調べるためである。関数探索
に用いる各パラメータは、光源の位置と放射角度を除く
と図12 に示されているものと同様である。2つの光源
座標は(−5,−20),( 5,−20) 、放射角度は両者とも2
0度とした。
Design of convex lens when light source is different from optical axis Next, an experiment was performed by changing the position of the light source. Each parameter used in the function search is the same as in FIG.
Same as 2. The light source coordinates were (−10, −20), and the emission angle was 20 °. FIG. 15 shows a convex lens designed by S-system based on this condition. It is not easy for us humans to come up with a lens shape as shown in FIG. 15 by combining these functions. The gene in this figure is the fifth
It is a gene found in seven generations. k 1 is related to the amplitude, k 2 is related to the phase, k 3 and k 4 and k 5 are related to the period, and there are few redundant parts to represent the function having this complicated shape. However, as can be seen from the light intensity distribution at the top of the figure, the luminous flux density at the tail of the comet, referred to as coma, is low.
Most of the light emitted from the light source is concentrated at the image forming point, so that the adaptability is high. Lens design when there are two light sources Next, a lens that can simply collect light rays emitted from two point light sources into one point is designed. This is not to determine the need for a lens, but to determine whether the S-system can flexibly adapt to various environments. The parameters used in the function search are the same as those shown in FIG. 12 except for the position of the light source and the radiation angle. The coordinates of the two light sources are (-5, -20), (5, -20), and the emission angles are both 2
0 degrees.

【0038】図16 に示される遺伝子は第95世代で発
見された余弦関数である。第60世代を超えると、光源
近くを通る余弦関数が多く見られるようになった。図か
らわかるように完全に結像することはできないが、結像
部の周囲の光束密度は薄く、光源から発射れた光のほと
んどは結像点に集まっているため適応度は高い。
The gene shown in FIG. 16 is a cosine function found in the 95th generation. After the 60th generation, many cosine functions passing near the light source began to be seen. As can be seen from the figure, it is not possible to form an image completely, but the luminous flux density around the image forming part is low and most of the light emitted from the light source is concentrated at the image forming point, so that the adaptability is high.

【0039】以上、レンズ設計を通してS-systemの可能
性を探索したが、応用如何によっては人間に代わる思考
を行うシステムを構築することができる可能性を持つ。
As described above, the possibility of the S-system has been searched through the lens design. However, there is a possibility that a system that can perform thinking instead of humans can be constructed depending on the application.

【0040】 S-system 改良の効果 S-systemの改良の効果について検討する。(a)今回の
モデル、(b)一様交叉を一点交叉に戻した場合、
(c)遺伝子を簡単化しない場合、(d)GPモデルを
用いた場合の4通りについて適応度の推移を調べた。こ
の時の設計条件は図1 3 に示すレンズ設計時のものと同
一である。その結果を図17 に示す。この図は(a)〜
(d)のそれぞれに対し、30回最大適応度の推移を表
したものである。この図より、今回のモデルが最も適応
度が高く早期世代における適応度の増加割合も最も高い
ことがわかる。
Effects of S-system Improvement The effects of S-system improvement will be discussed. (A) This model, (b) When the uniform crossover is returned to the one-point crossover,
The transition of fitness was examined in four cases where (c) the gene was not simplified and (d) the GP model was used. The design conditions at this time are the same as those at the time of lens design shown in FIG. The results are shown in FIG. This figure is (a)-
For each of (d), the transition of the maximum fitness 30 times is shown. From this figure, it can be seen that this model has the highest fitness and the highest rate of fitness increase in the early generations.

【0041】レンズ設計の場合、どの関数が正解とは確
定できないので、正解に到達するまでの世代を求めるこ
とはできない。そこで、最大適応度の95%に達するま
での平均世代を求めた。その結果を図18に示す。図1
8より、(a)のモデルが進化の速度が最も速いことが
わかる。これらの理由を以下に説明する。
In the case of lens design, it is not possible to determine which function is the correct answer, and it is not possible to determine the generation until the correct answer is reached. Therefore, the average generation until reaching 95% of the maximum fitness was obtained. FIG. 18 shows the result. FIG.
8, it can be seen that the model (a) has the fastest evolution speed. These reasons will be described below.

【0042】まず、(b)の探索能力が(a)の探索能
力より劣る理由を考える。
First, the reason why the search ability of (b) is inferior to the search ability of (a) will be considered.

【0043】S-systemでは、有性生殖の場合定数のみが
交叉の対象となる。ここで、本モデルは有性生殖に関し
ては定数のみの配列(遺伝子)を作成し、これに対して
交叉を行う。これは実数型GAの交叉と同様の操作を行
うことになる。一般に、実数型GAの交叉は、一点交叉
より一様交叉の方が探索効率が良いとされている。今回
の場合もほぼ同様に結果となった。
In the S-system, in the case of sexual reproduction, only constants are subject to crossover. Here, this model creates a sequence (gene) consisting only of constants for sexual reproduction and performs crossover on this. This performs the same operation as the crossover of the real type GA. In general, it is considered that the crossover of the real type GA has a higher search efficiency in the case of the uniform crossover than in the one-point crossover. In this case, the result was almost the same.

【0044】次に、(c)の探索能力が(a)の探索能
力より低下している理由を述べる。一つは、遺伝子の簡
単化を行わない場合、冗長な部分が多く、探索効率が悪
いことがあげられている。
Next, the reason why the search capability of (c) is lower than the search capability of (a) will be described. One is that without gene simplification, there are many redundant parts and the search efficiency is low.

【0045】例えば,k1 ・sin(x+k2 )と k1
2 ・sin(x+k3 k4−k5)は等価関数であるが、後者
の方が定数項が多いため、探索効率が悪い。もう一つの
理由は、簡単化を行わない場合、等価関数を持つ多くの
種が出現し、それらが多数を占めてしまう場合があるた
めである。そのような場合、たとえそれらの種より優秀
な関数形を持つ虫が出現したとしても、その虫の適応度
が低ければ、進化することが困難である。つまり、探索
が局所的最適値に捕らえられてしまう。一方、関数の簡
単化を行う場合、等価関数を持つ種が多数を占めてしま
うことはないので、世代が進んだ段階でも様々な種が進
化できる。以上より、30回の試行の平均をとると、
(a)が(c) より進化速度が早く、最終適応度も高くなっ
たと考えられる。
For example, k 1 · sin (x + k 2 ) and k 1 · sin
k 2 · sin (x + k 3 k4 -k 5) but is equivalent function, for the latter is often constant term, is poor search efficiency. Another reason is that without simplification, many species with equivalent functions will appear and they may occupy a large number. In such a case, even if insects having a better functional form than those species appear, if the insects have low fitness, it is difficult to evolve. That is, the search is caught by the local optimum. On the other hand, when simplification of a function is performed, since species having an equivalent function do not occupy a large number, various species can evolve even at the stage of advanced generation. From the above, taking the average of 30 trials,
It is probable that (a) evolved faster than (c) and the final fitness was higher.

【0046】最後に、(d) と(a) 〜(c) を比較すると、
(d) が早期世代における適応度の増加割合が最も低く、
最終世代の適応度も低い。この理由は以下の通りであ
る。GPでは,異種間で交叉を行うためスキーマが破壊
されやすい。また、有性生殖と虫に移動の概念がないた
め、細かい探索が困難である。このため、たとえ最適関
数でなくても、早期世代から着実に適応度が上昇する。
また、適応度が高くなるにつれて虫の移動幅が小さくな
る傾向にあり、より細かい探索が可能となる。このよう
にS-systemは、GP探索に伴う局所的探索能力の欠如を
補っている。 バックライト設計への応用 照明関係への応用例として、液晶用バックライト設計を
試みた。画面サイズの大型化が進むにつれて、光量の点
から図19に示すような直下式の形状が増えている。図
19のプラスチック板(拡散板) 3には拡散剤が注入し
てある。その下に複数の光源4を配置し、上面に光を放
射するような構成となっている。このとき問題となるの
が、フレーム全体の厚みTf とプラスチック板の厚みT
p である。重さとサイズの点から、Tf とTp は共に薄
い方が好ましい。しかし、Tf とTp を薄くすると、上
面に放射される光の分布に明暗が生じる。現在、これを
無くすためにプラスチック板の下面に光遮蔽用のマスク
パターン5が施してある。マスクパターンにより光は均
一になるが、上面に放射される光量は低下する。今回
は、プラスチック板の下面に形状を施すことにより、マ
スクパターンと拡散剤を使用しないバックライトに関し
ては、上面に放射される光分布が均一で、光量が多い方
が望ましい。そこで、数3に示した式(6)の適応度
を、以下の数5に示す式(7)に変更する。
Finally, comparing (d) with (a) to (c),
(d) has the lowest rate of fitness increase in the early generation,
The fitness of the last generation is also low. The reason is as follows. In GP, a schema is easily destroyed because crossover is performed between different types. In addition, since sexual reproduction and insects do not have the concept of migration, detailed search is difficult. For this reason, even if it is not the optimal function, the fitness is steadily increased from the early generation.
In addition, as the fitness level increases, the movement width of the insects tends to decrease, and a more detailed search can be performed. Thus, the S-system compensates for the lack of local search capability associated with GP search. Application to backlight design As an example of application to lighting, we tried to design a backlight for liquid crystal. As the screen size increases, the direct-type shape as shown in FIG. 19 increases in terms of light quantity. A diffusing agent is injected into the plastic plate (diffusion plate) 3 in FIG. A plurality of light sources 4 are arranged below the light source 4 to emit light to the upper surface. The problem at this time is that the thickness Tf of the entire frame and the thickness T
p . From weight and size point, T f and T p are both preferably thin. However, when T f and T p are reduced, the distribution of light radiated to the upper surface becomes light and dark. At present, in order to eliminate this, a mask pattern 5 for light shielding is provided on the lower surface of the plastic plate. Although the light is made uniform by the mask pattern, the amount of light emitted to the upper surface is reduced. In this case, by applying a shape to the lower surface of the plastic plate, it is desirable that the backlight which does not use the mask pattern and the diffusing agent has a uniform distribution of light emitted to the upper surface and a large amount of light. Therefore, the fitness of Expression (6) shown in Expression 3 is changed to Expression (7) shown in Expression 5 below.

【0047】[0047]

【数5】 (Equation 5)

【0048】ここで、N は図11の座標系におけるy=
f 面に到達した光線の本数、L1 はy=yf 面に到達
して各光線の光強度、hは光源から放出された全光線数
である。よって、 fitIntensity はy=yf 面の光強度
を表す指数となる。y=yf 面のx方向の幅(xmax
min ) をM等分した時の各微少幅内に到達する光強度
をLfj 、Lfj の平均をLfj とする。すると、σ
Distributionは分布の広がりを表す指数となり、 fit
Distributionはy=yf 面での分布の均一性を表す指数
となる。fit Intensity とfit Distributionは共に0〜
1の範囲にあり、数値が高いほど、光強度が高く、分布
が均一になることを意味する。定数cで両者の割合を調
整する。本例では、c=0.5、M=100とした。
Here, N is y = y in the coordinate system of FIG.
The number of rays reaching the y f plane, L 1 is y = y f surface light intensity of the reach each ray in, h is the total number of rays emitted from the light source. Therefore, fit Intensity is an index representing the light intensity on the y = y f plane. y = y The width in the x direction of the y f plane (x max
The light intensity reaching into the small width when the x min) was equally divided into M Lf j, the average of Lf j and Lf j. Then, σ
Distribution is an index that indicates the spread of the distribution, fit
Distribution is the index representing the uniformity of distribution in the y = y f plane. fit Intensity and fit Distribution are both 0
In the range of 1, the higher the numerical value, the higher the light intensity and the more uniform the distribution. The ratio between the two is adjusted by a constant c. In this example, c = 0.5 and M = 100.

【0049】図20に探索結果の例を示す。この図は、
図1 2 の座標系をxmin =−200,xmax =200 , xf
0.1 ,yL =15と変更したものである。また、光源をy
=yL 面に50mm間隔で8個置き、各光源の放射角度を14
0 度とした。探索条件として、使用関数にsqw ,stw, st
p を追加し、レンズの厚みが5mm以下になるように制
約条件を設けた。また、交叉率を0.5 、突然変異率を0.
7 としたが、その他の条件は図12と同様である。この
図より、拡散剤やシャドウマスクを用いなくてもほぼ均
一な分布となることがわかる。しかし、完全な均一分布
の製品にするには、プラスチック板上面に拡散シートを
載せるかプラスチック内に拡散剤を注入する等の改良が
必要であろう。なお、図14に示す直下式のバックライ
トでも、製品にはプラスチック板の上面に拡散シートを
載せてある。
FIG. 20 shows an example of the search result. This figure is
The coordinate system in FIG. 12 is defined as x min = −200, x max = 200, x f =
0.1 and y L = 15. The light source is y
= 8 placed at 50mm intervals on the y L plane, and the emission angle of each light source is 14
0 degrees. Sqw, stw, st
p was added, and a constraint was provided so that the thickness of the lens would be 5 mm or less. The crossover rate is 0.5 and the mutation rate is 0.
The other conditions are the same as in FIG. From this figure, it can be seen that the distribution becomes almost uniform without using a diffusing agent or a shadow mask. However, in order to obtain a product having a completely uniform distribution, improvements such as placing a diffusion sheet on the upper surface of the plastic plate or injecting a diffusion agent into the plastic may be necessary. In addition, even in the direct type backlight shown in FIG. 14, a diffusion sheet is placed on the upper surface of a plastic plate in the product.

【0050】以上より、集光条件に合わせて適応度を変
更し、レンズ厚み等の適切な制約条件を設定することに
より、他の形状設計にも適応できる可能性がある。
As described above, there is a possibility that the present invention can be applied to other shape designs by changing the adaptability in accordance with the light collecting conditions and setting appropriate constraints such as the lens thickness.

【0051】また本方法では進化の過程で様々な形状の
部品を持つ虫が誕生する。最適な形状の部品を開発する
ことが本来の目的であるが、多様な部品を生成すること
にも意義がある。S-systemによって発見された種々の部
品を基に用途に合わせて人間がさらに改良を加えること
も一つの設計手段となり得るであろう。 他の分野への応用 基本的にS-systemはGPの拡張モデルとみなすことがで
きるので、現在GPが適応されている分野に適応できる
と思われる。しかし、S-systemには、局所的探索能力に
優れていることと、発見される遺伝子長(関数長)が比
較的短いこと、の特長があるので、これを利用してさら
に以下のような応用が可能である。 〔A〕図形認識等の情報処理 画像データから複数の異なる形状の同時抽出や、図形認
識へ適応できる。また、関数長が比較的短いので高効率
符号化への応用が可能である。 〔B〕熱伝導物体の形状設計 形状は数式で表現できるので、設計者の目的とする熱伝
導特性を得るための形状をsystem によって幾つか推定
し、発想面で設計者を支援できる。 〔C〕効果的な流れを得るための形状設計 〔D〕アナログ電子回路設計 アナログ電子回路の場合、抵抗やコンデンサの値のわず
かな違いで発振周波数や電圧波形が大きく異なるので、
GPによる部品の組合わせで希望の回路を発見すること
は容易でない。一方、本システムは、有性生殖と虫の移
動の概念により局所的探索能力に優れているので、回路
設計に有効である。システム実現例 人工生命型発見システムは、コンピュータ上で実行され
るプログラムの形式をとる。したがって本発明は、自動
設計を行うコンピュータの装置構成として実現されると
ともに、コンピュータを用いて行う設計処理方法として
も実現される。さらには、人工生命型発見システムのプ
ログラムを記憶させた記憶媒体の形態をも有する。図2
1は、本システムを搭載したコンピュータの実施例装置
構成を示す。
In the present method, insects having parts of various shapes are born during the evolution process. Although the original purpose is to develop a component having an optimal shape, it is also significant to generate various components. Humans could make further modifications to the application based on the various components discovered by the S-system, which could be a design tool. Application to other fields Basically, S-system can be regarded as an extended model of GP, so it seems to be applicable to the field where GP is currently applied. However, the S-system has the features of excellent local search ability and relatively short gene length (function length) to be discovered. Application is possible. [A] Information processing such as graphic recognition It is applicable to simultaneous extraction of a plurality of different shapes from image data and graphic recognition. Further, since the function length is relatively short, application to high-efficiency coding is possible. [B] Shape Design of Heat Conductive Object Since the shape can be represented by a mathematical formula, the system can estimate several shapes for obtaining the heat transfer characteristic desired by the designer, and can assist the designer in terms of ideas. [C] Shape design to obtain an effective flow [D] Analog electronic circuit design In the case of analog electronic circuits, the oscillation frequency and voltage waveform differ greatly due to slight differences in the values of resistors and capacitors.
It is not easy to find a desired circuit by combining parts by GP. On the other hand, this system is effective for circuit design because it has excellent local search ability based on the concept of sexual reproduction and insect migration. System Implementation The artificial life type discovery system takes the form of a program that runs on a computer. Therefore, the present invention is realized as an apparatus configuration of a computer that performs automatic design, and also as a design processing method that uses a computer. Further, it has a form of a storage medium in which a program of the artificial life type discovery system is stored. FIG.
1 shows a configuration of an apparatus of an embodiment of a computer equipped with this system.

【0052】図21において、コンピュータ6はCPU
10,メモリ11、I/Oコントローラ12などを備
え、人工生命型発見システム13は、ハードディスクH
DD19からメモリ11にローディングされ、あらかじ
め設定された入力データ14と出力データ15を条件と
して、CPU10により実行される。ディスプレー9と
キーボード16あるいは図示省略されているマウスなど
のポインティングツールを用いて、対話形式により人工
生命型発見システム13の処理が進められる。
In FIG. 21, a computer 6 has a CPU
10, an artificial life type discovery system 13 including a memory 11, an I / O controller 12, and the like.
The data is loaded from the DD 19 to the memory 11 and executed by the CPU 10 on condition that the input data 14 and the output data 15 are set in advance. Using the display 9 and the keyboard 16 or a pointing tool such as a mouse (not shown), the processing of the artificial life type discovery system 13 proceeds in an interactive manner.

【0053】人工生命型発見システム13のプログラム
は、FD20やCD−ROM21などの可搬型の記憶媒
体に格納しておき、FDD17やCD−ROMドライブ
18からメモリ11あるいはHDD19に読み込むこと
ができる。また人工生命型発見システム13はホスト8
でライブラリ管理しておき、必要時にネットワーク7を
介してコンピュータ6へダウンロードすることにより、
実行可能にすることができる。
The program of the artificial life type discovery system 13 can be stored in a portable storage medium such as the FD 20 or the CD-ROM 21 and can be read from the FDD 17 or the CD-ROM drive 18 into the memory 11 or the HDD 19. The artificial life type discovery system 13 is a host 8
By managing the library in advance and downloading it to the computer 6 via the network 7 when necessary,
Can be executable.

【0054】[0054]

【発明の効果】本発明により改良された人工生命型発見
システム(S-system)を用いた自動設計装置および設計
処理方法は、レンズ設計、流体設計、熱伝導設計、電子
回路設計、照明設計などの広範囲の設計分野において、
利用者の高い熟練度や大きな負担を必要とせずに自動的
に関数解を発見させることができる。特にあらかじめ関
数形を決めておく必要がないことから、人の知識に拘束
されない自由な観点での設計を可能にする。
The automatic design apparatus and design processing method using the artificial life type discovery system (S-system) improved by the present invention include lens design, fluid design, heat conduction design, electronic circuit design, lighting design, etc. In a wide range of design fields,
The function solution can be automatically found without requiring a high level of skill or a heavy burden on the user. In particular, since it is not necessary to determine the function form in advance, it is possible to design from a free viewpoint that is not restricted by human knowledge.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】人工生命型発見システムの全体のフローチャー
トを示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an overall flowchart of an artificial life type discovery system.

【図2】子孫生成ルーチンのフローチャートを示す図で
ある。
FIG. 2 is a diagram showing a flowchart of a descendant generation routine.

【図3】虫の遺伝子の概念を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the concept of insect genes.

【図4】木構造とLISPのS式による記述を示す図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing a description of a tree structure and LISP S-expressions.

【図5】同種間と異種間の生殖における遺伝子の相違を
示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing differences in genes in reproduction between same species and different species.

【図6】突然変異によりK1 ・sin(x)+y/ (K2 ・x)
の一部をtan( x・y ) に置き換えた例を示す図である。
FIG. 6: K 1 · sin (x) + y / (K 2 · x) due to mutation
FIG. 7 is a diagram showing an example in which a part of is replaced with tan (x · y).

【図7】有性生殖による交叉と実型GAの交叉を示す図
である。
FIG. 7 is a diagram showing crossing by sexual reproduction and crossing of real GA.

【図8】虫型GAの交叉(一様交叉)を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the crossover (uniform crossover) of insect GA.

【図9】遺伝子の簡単化の例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an example of gene simplification.

【図10】関数曲線sqw(x,k),stw(x,
k),cir(x),stp(x)を示す図である。
FIG. 10 shows function curves sqw (x, k) and stw (x,
FIG. 7 is a diagram showing k), cir (x), and stp (x).

【図11】レンズ関数探索時の座標系を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a coordinate system when a lens function is searched.

【図12】凸レンズ設計に使用されるパラメータ一覧を
示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a list of parameters used for convex lens design.

【図13】S−systemにより設計された凸レンズ
(1)を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing a convex lens (1) designed by S-system.

【図14】各世代ごとの最大適応度の推移を示す図であ
る。
FIG. 14 is a diagram showing the transition of the maximum fitness for each generation.

【図15】S−systemにより設計された凸レンズ
(2)を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing a convex lens (2) designed by S-system.

【図16】2光源の場合のレンズ設計を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a lens design in the case of two light sources.

【図17】世代ごとの30回試行の平均適応度を示す図
である。
FIG. 17 is a diagram showing the average fitness of 30 trials for each generation.

【図18】最大適応度の95%に達するまでの各モデル
の平均世代を示す図である。
FIG. 18 is a diagram showing an average generation of each model until 95% of the maximum fitness is reached.

【図19】直下式バックライトの構造を示す図である。FIG. 19 is a view showing the structure of a direct backlight.

【図20】直下式バックライトのレンズ設計を示す図で
ある。
FIG. 20 is a diagram showing a lens design of a direct backlight.

【図21】本発明実施例装置の構成を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing a configuration of an apparatus according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

8:ホスト 9:ディスプレー 10:CPU 11:メモリ 12:I/Oコントローラ 13:人工生命型発見システム 14:入力データ 15:出力データ 16:キーボード 17:FDD 18:CD−ROMドライブ 19:HDD 20:FD 21:CD 8: Host 9: Display 10: CPU 11: Memory 12: I / O controller 13: Artificial life type discovery system 14: Input data 15: Output data 16: Keyboard 17: FDD 18: CD-ROM drive 19: HDD 20: FD 21: CD

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】演算子と、定数と、変数とを要素とする配
列からなる遺伝子を組み込んだ虫機能体を用いて、与え
られた入力データと出力データの関係を満たすような関
数を、遺伝的プログラミング手法による人口生命型発見
システムに基づき自動的に生成する自動設計装置であっ
て、 人口生命型発見システムは、 初期状態でそれぞれランダムに任意の関数をもつ遺伝子
を組み込んだ複数個の虫機能体を生成する虫機能体生成
手段と、 虫機能体の遺伝子の関数を僅かに変化させる関数修正手
段と、 虫機能体に上記の入力データと出力データを与え、遺伝
子の関数の適応度を評価する関数評価手段と、 複数個の虫機能体から次の世代の複数個の虫機能体を生
成する子孫生成手段と、 虫機能体生成手段が生成した複数個の虫機能体の各々に
ついて、順次入力データと出力データを与え、かつ関数
修正手段により関数を僅かずつ変化させながら関数評価
手段により関数の適応度を評価し、目標の関数が得られ
たならば終了し、目標の関数が得られなければ子孫生成
手段により次の世代の複数個の虫機能体を生成して、同
様な処理を繰り返し制御する制御手段とを備え、 子孫生成手段は、少なくとも現世代の虫機能体間でそれ
ぞれの遺伝子の定数要素の一部または全部を交換するこ
とにより、次世代の新しい虫機能体を生成することを特
徴とする自動設計装置。
A function that satisfies the relationship between given input data and output data is generated by using an insect function body incorporating a gene consisting of an array having an operator, a constant, and a variable as elements. Is an automatic design device that automatically generates based on artificial life type discovery system by genetic programming method. The artificial life type discovery system is composed of a plurality of insect functions that incorporate genes with arbitrary functions at random in the initial state. Insect function body generating means for generating the body, function correcting means for slightly changing the function of the insect function body gene, and applying the above input data and output data to the insect function body to evaluate the fitness of the gene function Function generation means for generating a plurality of insect function bodies of the next generation from the plurality of insect function bodies; and a plurality of insect function bodies generated by the insect function body generation means. The input data and the output data are sequentially given, and the fitness of the function is evaluated by the function evaluation means while changing the function little by little by the function correction means. When the target function is obtained, the processing is terminated. Control means for generating a plurality of insect function bodies of the next generation by the descendant generation means if not obtained, and controlling the same processing repeatedly, wherein the descendant generation means at least between the insect function bodies of the current generation. An automatic design device characterized by generating a next generation of a new insect functional body by exchanging a part or all of the constant elements of each gene.
【請求項2】請求項1において、子孫生成手段は、現世
代の虫機能体の遺伝子の関数要素の一部または全部を他
の関数で置換することにより次世代の新しい虫機能体を
生成することを特徴とする自動設計装置。
2. A new insect function body of the next generation by replacing a part or all of the functional elements of the gene of the insect function body of the current generation with another function. An automatic design device characterized by the following.
【請求項3】請求項1又は請求項2において、虫機能体
の遺伝子は要素の木構造で記述され、あるノードより下
位が演算によって一つの定数で表わされる場合、そのノ
ードを定数で置き換え、また定数と変数の演算で交換の
法則が成り立つ場合は、定数を左の木にそして変数を右
の木に並べ換えることを特徴とする自動設計装置。
3. The insect function body gene according to claim 1 or 2, wherein when a lower node than a certain node is represented by one constant by operation, the node is replaced by a constant. An automatic design apparatus characterized by rearranging constants in the left tree and variables in the right tree when the law of exchange is satisfied by the operation of constants and variables.
【請求項4】請求項1乃至請求項3において、虫機能体
に与える入力データと出力データはそれぞれ光の分布で
あり、関数はレンズの形状であることを特徴とする自動
設計装置。
4. An automatic design apparatus according to claim 1, wherein input data and output data given to the insect function body are light distributions, respectively, and the function is a lens shape.
【請求項5】請求項1乃至請求項3において、虫機能体
に与える入力データと出力データはそれぞれ信号波形で
あり、関数はフィルタの特性であることを特徴とする自
動設計装置。
5. An automatic design apparatus according to claim 1, wherein input data and output data given to the insect functional body are signal waveforms, respectively, and the function is a characteristic of a filter.
【請求項6】演算子と、定数と、変数とを要素とする配
列からなる遺伝子を組み込んだ虫機能体を用いて、与え
られた入力データと出力データの関係を満たすような関
数を、遺伝的プログラミング手法による人口生命型発見
システムに基づきコンピュータで自動的に生成する設計
処理方法であって、 人口生命型発見システムは、 初期状態でそれぞれランダムに任意の関数をもつ遺伝子
を組み込んだ複数個の虫機能体を生成する虫機能体生成
段階と、 虫機能体の遺伝子の関数を僅かに変化させる関数修正段
階と、 虫機能体に上記の入力データと出力データを与え、遺伝
子の関数の適応度を評価する関数評価段階と、 複数個の虫機能体から次の世代の複数個の虫機能体を生
成する子孫生成段階とを有し、 虫機能体生成段階で生成した複数個の虫機能体の各々
に、順次入力データと出力データを与え、関数修正段階
で関数を僅かずつ変化させながら関数評価段階で関数の
適応度を評価し、目標の関数が得られたならば終了し、
目標の関数が得られなければ子孫生成段階により次の世
代の複数個の虫機能体を生成して、同様な処理を繰り返
し、 子孫生成段階では、少なくとも現世代の虫機能体間でそ
れぞれの遺伝子の定数要素の一部または全部を交換する
ことにより、次世代の新しい虫機能体を生成することを
特徴とする設計処理方法。
6. A function that satisfies the relationship between given input data and output data is generated using an insect function body incorporating a gene consisting of an array having an operator, a constant, and a variable as elements. Is a computer-aided design processing method based on an artificial life type discovery system based on a genetic programming method. The artificial life type discovery system has a plurality of genes each having an arbitrary function randomly incorporated in the initial state. An insect functioning body generating step for generating an insect functioning body; a function correcting step for slightly changing the function of the insect functioning body gene; providing the above input data and output data to the insect functioning body; And a progeny generation step of generating a plurality of insect function bodies of the next generation from the plurality of insect function bodies. To each functional unit, sequentially provide input data and output data, while changing little by little the function in the function modification step to evaluate the fitness of the function in the function evaluation phase, terminates if the function of the target is obtained,
If the target function is not obtained, a plurality of insect functions of the next generation are generated in the offspring generation stage, and the same processing is repeated. A design processing method characterized by generating a next-generation new insect function body by exchanging a part or all of the constant elements of the above.
【請求項7】請求項6において、子孫生成段階では、現
世代の虫機能体の遺伝子の関数要素の一部または全部を
他の関数で置換することにより次世代の新しい虫機能体
を生成することを特徴とする設計処理方法。
7. A new offspring function of the next generation by replacing a part or all of the functional elements of the gene of the insect function of the current generation with another function in the offspring generation step. A design processing method characterized by the above-mentioned.
【請求項8】請求項6又は請求項7において、虫機能体
の遺伝子は要素の木構造で記述され、あるノードより下
位が演算によって一つの定数で表わされる場合、そのノ
ードを定数で置き換え、また定数と変数の演算で交換の
法則が成り立つ場合は、定数を左の木にそして変数を右
の木に並べ換えることを特徴とする設計処理方法。
8. A gene according to claim 6 or 7, wherein the gene of the insect functioning body is described in a tree structure of elements, and when a node lower than a certain node is represented by one constant by operation, the node is replaced with a constant. A design processing method characterized by rearranging constants in a left tree and variables in a right tree when the law of exchange is satisfied by the operation of constants and variables.
【請求項9】請求項6乃至請求項8において、虫機能体
に与える入力データと出力データはそれぞれ光の分布で
あり、関数はレンズの形状であることを特徴とする設計
処理方法。
9. A design processing method according to claim 6, wherein the input data and the output data given to the insect functional body are light distributions, respectively, and the function is a lens shape.
【請求項10】請求項6乃至請求項8において、虫機能
体に与える入力データと出力データはそれぞれ信号波形
であり、関数はフィルタの特性であることを特徴とする
設計処理方法。
10. A design processing method according to claim 6, wherein input data and output data given to the insect function body are signal waveforms, respectively, and the function is a filter characteristic.
【請求項11】演算子と、定数と、変数とを要素とする
配列からなる遺伝子を組み込んだ虫機能体を用いて、与
えられた入力データと出力データの関係を満たすような
関数を、遺伝的プログラミング手法によりコンピュータ
で自動的に生成する人口生命型発見システムのプログラ
ムであって、 初期状態でそれぞれランダムに任意の関数をもつ遺伝子
を組み込んだ複数個の虫機能体を生成するステップと、 虫機能体の遺伝子の関数を僅かに変化させるステップ
と、 虫機能体に上記の入力データと出力データを与え、遺伝
子の関数の適応度を評価するステップと、 複数個の虫機能体から次の世代の複数個の虫機能体を生
成するステップとを有し、 生成した複数個の虫機能体の各々に、順次入力データと
出力データを与え、関数を僅かずつ変化させながら関数
の適応度を評価し、目標の関数が得られたならば終了
し、目標の関数が得られなければ次の世代の複数個の虫
機能体を生成して、同様な処理を繰り返し、 次の世代の虫機能体を生成する際には、少なくとも現世
代の虫機能体間でそれぞれの遺伝子の定数要素の一部ま
たは全部を交換することにより、次世代の新しい虫機能
体を生成するようにしたプログラムを記憶しているコン
ピュータ読み取り可能な記憶媒体。
11. A function that satisfies the relationship between given input data and output data is generated by using an insect function body incorporating a gene consisting of an array of operators, constants, and variables. Generating a plurality of insect functional bodies, each of which incorporates a gene having an arbitrary function at random in an initial state, the method comprising: A step of slightly changing the function of the gene of the functional body; a step of providing the above-described input data and output data to the insect functional body to evaluate the fitness of the function of the gene; Generating a plurality of insect function bodies, input data and output data are sequentially given to each of the plurality of generated insect function bodies, and the function is slightly changed. The fitness of the function is evaluated while performing, and if the target function is obtained, the process is terminated.If the target function is not obtained, a plurality of insect functions of the next generation are generated, and the same processing is repeated. However, when generating the next generation of insect function bodies, at least some or all of the constant elements of each gene are exchanged between the current generation of insect function bodies to generate the next generation of new insect function bodies. A computer-readable storage medium storing a program adapted to be executed.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2010047388A1 (en) * 2008-10-24 2010-04-29 独立行政法人情報通信研究機構 Calculation processing system, program creation method, and program creation program

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