JP2009069867A - Action route search device, method and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithm、以下「GA」という。)を用いて行動経路を探索する行動経路探索装置及び方法並びにプログラムに関するものである。 The present invention relates to an action route search apparatus, method, and program for searching an action route using a genetic algorithm (hereinafter referred to as “GA”).
GAは、生物の進化を模倣した確率的な最適化アルゴリズムである。以下、GAの概要について簡単に説明する。
まず、最適化問題の解候補を例えば、遺伝子の一次ストリングである染色体として表現し、様々な遺伝子をもつ解候補をランダムに選択して、初期世代の集団(母集団)を作成する。次に、各解候補の適合度(最適化問題での目的関数の値)を計算する。続いて、適合度に応じて複数の解候補を選択(複製選択)し、これらがもつ遺伝子の交叉(crossover;図5参照)、突然変異(mutation;図6参照)、逆位等の遺伝的操作を行うことにより、次世代の解候補の集団を作成する。このとき、解候補の選択では、環境(目的関数)への適合度が高い解候補ほど次の世代に高い確率で生き残るように選択される。そして、この世代交代を繰り返し行うことにより、適合度の低い遺伝子を持つ解候補は淘汰され、適合度の高い遺伝子を持つ解候補が生き残り、最終的に目的関数をより最適化する解を得ることができる。
First, solution candidates for the optimization problem are expressed as, for example, chromosomes that are primary strings of genes, and solution candidates having various genes are randomly selected to create an initial generation population (population). Next, the fitness of each solution candidate (the value of the objective function in the optimization problem) is calculated. Subsequently, a plurality of solution candidates are selected (replication selection) according to the fitness, and genetic crossover (crossover; see FIG. 5), mutation (see FIG. 6), inversion, etc. of these genes By performing the operation, a group of next-generation solution candidates is created. At this time, in selecting a solution candidate, a solution candidate having a higher degree of suitability to the environment (objective function) is selected so as to survive with a higher probability in the next generation. Then, by repeating this generation change, solution candidates with genes with low fitness are deceived, solution candidates with genes with high fitness survive, and finally obtain a solution that optimizes the objective function more Can do.
ところで、上述したようなGAを実際の最適化問題に運用する場合、運用の前段階として、様々な入力を教師データとして与え、それらの問題に適切な出力をすることのできるアルゴリズムを生成させる必要がある。換言すると、アルゴリズム自体を最適化対象として最適化を行うことにより、最適アルゴリズムを得る。このとき、解候補を構成する非終端記号には、条件分岐や演算子が割り当てられる。このようにして得られた最適アルゴリズムは、その後の最適化問題の運用時に用いられる。 By the way, when using the above-mentioned GA for actual optimization problems, it is necessary to generate an algorithm that can give various inputs as teacher data and output appropriate to those problems as a pre-stage of operation. There is. In other words, an optimization algorithm is obtained by performing optimization with the algorithm itself as an optimization target. At this time, conditional branches and operators are assigned to the non-terminal symbols constituting the solution candidates. The optimal algorithm obtained in this way is used in the subsequent operation of the optimization problem.
上述のようにアルゴリズムを最適化対象として最適化を行った場合、教師データとして与えられる入力データに限りがあるため、運用時において教師データとかけ離れた入力データが入力された場合には、最適な解を得ることができないという問題があった。
また、実際の運用の前段階として、最適化アルゴリズムを生成するための計算処理を行う必要があるため、実際の運用までに時間を要するという問題があった。
When the optimization is performed with the algorithm as the optimization target as described above, the input data given as the teacher data is limited. Therefore, when input data that is far from the teacher data is input during operation, There was a problem that the solution could not be obtained.
In addition, since it is necessary to perform calculation processing for generating an optimization algorithm as a stage before actual operation, there is a problem that it takes time until actual operation.
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、リアルタイムで最適解を得ることができるとともに、教師データの影響を受けない最適解導出を実現することが可能な行動経路探索装置及び方法並びにプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problem, and is an action path search apparatus and method capable of obtaining an optimal solution in real time and realizing optimal solution derivation that is not affected by teacher data. The purpose is to provide a program.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、計算機を備え、遺伝的アルゴリズムを用いて最適な行動経路を探索する行動経路探索装置であって、前記計算機が、複数の解候補を生成する解候補生成部と、各前記解候補の適合評価を行う評価部と、前記適合評価に基づいて前記解候補の選択を行う選択部と、前記選択部によって選択された前記解候補に遺伝的操作を行うことにより次世代の解候補を作成する遺伝的操作部とを備え、前記解候補を構成する少なくとも1つの非終端記号には、動きを決定付けるパラメータが割り当てられている行動経路探索装置を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
The present invention is an action path search device that includes a computer and searches for an optimal action path using a genetic algorithm, wherein the computer generates a plurality of solution candidates, and each of the solution candidates An evaluation unit that performs a conformity evaluation, a selection unit that selects the solution candidate based on the conformity evaluation, and a next-generation solution candidate by performing a genetic operation on the solution candidate selected by the selection unit A behavior path search device is provided in which a parameter for determining motion is assigned to at least one non-terminal symbol constituting the solution candidate.
本発明によれば、評価部により各解候補の適合評価が行われ、この適合評価に基づいて選択部により複数の解候補が選択、複製される。そして、選択、複製された解候補に対して、遺伝的操作部により交叉率、突然変異率、逆位率等の遺伝的操作が行われ、次世代における解候補の集団が生成される。そして、上記各部が順番に処理を遂行することにより解候補の世代交代が繰り返し行われ、最適な行動経路の探索が進められる。この場合において、解候補を構成する少なくとも1つの非終端記号には、動きを決定付けるパラメータが割り当てられているので、解候補として行動経路を直接的に導くことができ、最終的に得られた解候補をそのまま出力データとして出力することが可能となる。このように、解候補の構成を工夫することで、従来のように、運用時に先駆けて行われていた最適アルゴリズムの計算処理を省略することができ、リアルタイムで行動経路を求めることが可能となる。更に、教師データなどが不要となるため、如何なる入力データに対しても適切な行動経路を求めることが可能となる。 According to the present invention, the suitability evaluation of each solution candidate is performed by the evaluation unit, and a plurality of solution candidates are selected and duplicated by the selection unit based on this suitability evaluation. Then, genetic operations such as crossover rate, mutation rate, and inversion rate are performed on the selected and duplicated solution candidates by the genetic operation unit, and a solution candidate group in the next generation is generated. Then, the above-described units sequentially perform processing, so that generations of solution candidates are repeatedly changed, and the search for the optimum action route is advanced. In this case, since at least one non-terminal symbol constituting the solution candidate is assigned a parameter that determines the motion, the action path can be directly derived as the solution candidate, and the finally obtained solution is obtained. Candidates can be output as output data as they are. Thus, by devising the configuration of the solution candidates, it is possible to omit the calculation process of the optimal algorithm that was performed prior to operation as in the past, and to obtain the action route in real time. . Furthermore, since teacher data or the like is not necessary, it is possible to obtain an appropriate action route for any input data.
上記行動経路探索装置において、前記動きを決定付けるパラメータは、例えば、変針または変速である。
また、上記行動経路探索装置において、前記解候補を構成する少なくとも1つの非終端記号には、初期位置を設定するためのプログラムが割り当てられていてもよい。
In the behavior route search apparatus, the parameter that determines the movement is, for example, a needle change or a shift.
In the behavior route search apparatus, a program for setting an initial position may be assigned to at least one non-terminal symbol constituting the solution candidate.
本発明は、計算機により遺伝的アルゴリズムを用いて最適な行動経路を探索する行動経路探索方法であって、複数の解候補を生成する工程と、各前記解候補の適合評価を行う工程と、前記適合評価に基づいて前記解候補の選択を行う工程と、選択された前記解候補に遺伝的操作を行うことにより次世代の解候補を作成する工程とを含み、前記解候補を構成する少なくとも1つの非終端記号には、動きを決定付けるパラメータが割り当てられている行動経路探索方法を提供する。 The present invention is an action path search method for searching for an optimal action path using a genetic algorithm by a computer, the step of generating a plurality of solution candidates, the step of evaluating the suitability of each of the solution candidates, Selecting at least one solution candidate based on fitness evaluation, and creating a next-generation solution candidate by performing a genetic operation on the selected solution candidate. One non-terminal symbol is provided with a behavior route search method in which a parameter for determining movement is assigned.
本発明は、遺伝的アルゴリズムを用いて最適な行動経路を探索するための処理をコンピュータに実行させるための行動経路探索プログラムであって、複数の解候補を生成する処理と、各前記解候補の適合評価を行う処理と、前記適合評価に基づいて前記解候補の選択を行う処理と、選択された前記解候補に遺伝的操作を行うことにより次世代の解候補を作成する処理とを含み、前記解候補を構成する少なくとも1つの非終端記号には、動きを決定付けるパラメータが割り当てられている行動経路探索プログラムを提供する。 The present invention is an action path search program for causing a computer to execute a process for searching for an optimal action path using a genetic algorithm, a process for generating a plurality of solution candidates, A process of performing a fitness evaluation, a process of selecting the solution candidate based on the fitness evaluation, and a process of creating a next-generation solution candidate by performing a genetic operation on the selected solution candidate, An action route search program is provided in which a parameter for determining motion is assigned to at least one non-terminal symbol constituting the solution candidate.
また、本発明の行動経路探索装置及び方法並びにプログラムは、様々な技術分野に適用可能なものである。一例としては、例えば、カーナビゲーションにおける最適経路の探索、航空機、ヘリコプター、船舶、潜水艦等の最適な航路の探索等が挙げられる。 Moreover, the action route search apparatus, method, and program of the present invention can be applied to various technical fields. As an example, for example, search for an optimum route in car navigation, search for an optimum route such as an aircraft, helicopter, ship, and submarine can be cited.
本発明によれば、リアルタイムで最適解を得ることができるとともに、教師データの影響を受けない最適解導出を実現することができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to obtain an optimal solution in real time and to achieve optimal solution derivation that is not affected by teacher data.
以下に、本発明に係る行動経路探索装置及び方法並びにプログラムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る行動経路探索装置の概略構成を示したブロック図である。
図1に示すように、本実施形態に係る行動経路探索装置10は、コンピュータシステム(計算機システム)であり、CPU(中央演算処理装置)1、RAM(Random Access
Memory)などの主記憶装置2、ROM(Read Only Memory)、HDD(Hard Disk
Drive)などの補助記憶装置3、キーボードやマウスなどの入力装置4、及びモニタやプリンタなどの出力装置5などを備えて構成されている。
補助記憶装置3には、各種プログラムが格納されており、CPU1が補助記憶装置3からRAMなどの主記憶装置2にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。
Hereinafter, an embodiment of an action route search apparatus and method and a program according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the action route search apparatus according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, an action route search apparatus 10 according to the present embodiment is a computer system (computer system), which includes a CPU (Central Processing Unit) 1, a RAM (Random Access).
Drive) and the like, an
Various programs are stored in the auxiliary storage device 3, and the
図2は、行動経路探索装置10が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図2に示されるように、行動経路探索装置10は、複数の解候補をランダムに生成して母集団を作成する解候補生成部11と、解候補の適合評価を行う評価部12と、評価部12による適合評価に基づいて解候補の選択を行う選択部13と、選択部13によって選択された解候補に複製、交叉、突然変異、逆位等の遺伝的操作等のアルゴリズムを実行する遺伝操作部14と、最適解を決定し出力する最適解決定部15とを備えている。
行動経路探索装置10は、解候補の評価、選択、及び遺伝的操作を繰り返し行うことで、適合度の高い解候補の探索を行う。
FIG. 2 is a functional block diagram showing the functions provided in the action route search apparatus 10 in an expanded manner. As illustrated in FIG. 2, the behavior route search apparatus 10 includes a solution
The behavior route search apparatus 10 searches for a solution candidate having a high degree of fitness by repeatedly performing evaluation, selection, and genetic operation of the solution candidate.
次に、上述した行動経路探索装置10が備える各部において実行される処理内容について図3を参照して説明する。なお、図2に示した各部により実現される後述の各種処理は、CPU1が補助記憶装置3に記憶されている行動経路探索プログラムを主記憶装置2に読み出して実行することにより実現されるものである。
また、本実施形態では、航空機の最適航路を探索する場合を例示して説明する。
Next, the processing content performed in each part with which the action route search apparatus 10 mentioned above is provided is demonstrated with reference to FIG. 2 are realized by the
In the present embodiment, a case where an optimum route for an aircraft is searched will be described as an example.
まず、入力データとして、初期位置、目標位置、経由すべき中継点、速力、風速、風向等が与えられると、解候補生成部11は、これらの入力データに基づいて複数の解候補をランダムに生成する(図3のステップSA1)。ここで、解候補生成部11によって生成される解候補の一例を図4に示す。図4に示されるように、解候補は、非終端記号と終端記号とで表される複数のノードによって構成されており、非終端記号の少なくとも1つには動きを決定付けるパラメータが割り当てられる。動きを決定付けるパラメータは、行動経路を探索する対象物、すなわち、本実施形態においては、航空機がどのような行動をとるかを決定付ける情報となる。例えば、図5に示されるように、変速、変針等が挙げられる。
First, when an initial position, a target position, a relay point to be routed, speed, wind speed, wind direction, and the like are given as input data, the
非終端記号には、少なくとも1つの子ノードが接続される。これらの子ノードには、当該非終端記号に割り当てられた動きを決定付けるパラメータに応じた数値が任意に割り当てられる。例えば、変速が割り当てられた非終端記号20aには、どのような変速を行うかを示す子ノード21a、21b、例えば、+1kt/sec、5分間等の数値が割り当てられた子ノードが接続される。これは、毎秒1ノットで5分間変速することを示している。また、変速が割り当てられた他の非終端記号20bには、例えば、0kt/sec、10分間等の数値が割り当てられた子ノード22a、22bが接続される。これは、速度を変えずに移動することを示している。
また、変針が割り当てられた非終端記号20cには、どのような変針を行うかを示す子ノード23a、23b、例えば、−1deg/sec、7分間等の数値が割り当てられた子ノードが接続される。これは、毎秒−1度で7分間針路を変化させることを示している。
At least one child node is connected to the non-terminal symbol. These child nodes are arbitrarily assigned numerical values corresponding to parameters that determine the motion assigned to the non-terminal symbol. For example,
In addition,
そして、上述したような構成を持つ複数の解候補が生成されると、これらの解候補は評価部12(図2参照)に与えられる。評価部12は、各解候補の適合度評価を行う(図3のステップSA2)。例えば、評価部12は、飛行時間、消費燃費等を評価パラメータとした評価関数を用いて各解候補の適合度評価を行う。
選択部13は、評価部12によって得られた適合度評価に基づいて解候補の選択・複製を行う(ステップSA3)。遺伝的操作部14は、選択部13により選択・複製された解候補に対して交叉、突然変異、逆位等の遺伝的操作を行う(ステップSA4)。そして、上記適合度評価、解候補の選択・複製、並びに遺伝的操作が順番に繰り返し実行されることにより、解候補の世代交代が行われ、好ましくない行動経路は淘汰され、より最適な経路が残される。なお、このような解候補の探索手法については、公知の技術を採用することが可能であり、その手法については特に限定されない。
When a plurality of solution candidates having the above-described configuration are generated, these solution candidates are given to the evaluation unit 12 (see FIG. 2). The
The
次に、上述した解候補の世代交代が所定回数行われることにより、終了条件を満たした場合には(ステップSA5において「YES」)、評価部12から解候補とその適合評価値が最適解決定部15に出力される。ここで、終了条件とは、例えば、世代交代が予め設定されている所定の世代に到達したか、または、いずれかの解候補の適合評価値が予め設定されている最終適合評価値に到達したか、または、処理開始からの経過時間が所定の時間に達したか等である。
Next, when the above-mentioned solution candidate generation change is performed a predetermined number of times and the end condition is satisfied (“YES” in step SA5), the
最適解決定部15は、評価部12から取得した解候補の中から最高の適合評価値を持つ解候補を最適解として定め、この最適解を出力データとして出力し(ステップSA6)、当該処理を終了する。
The optimal
以上、説明してきたように、本実施形態に係る行動経路探索装置及び方法並びにプログラムによれば、解候補を構成する少なくとも1つの非終端記号には、動きを決定付けるパラメータが割り当てられているので、解候補として行動経路を直接的に導くことができ、最終的に得られた解候補をそのまま出力データとして出力することが可能となる。
このように、解候補の構成を工夫することで、従来のように、運用時に先駆けて行われていた最適アルゴリズムの計算処理を省略することができ、リアルタイムで行動経路を求めることが可能となる。更に、教師データなどが不要となるため、如何なる入力データに対しても適切な行動経路を求めることが可能となる。
As described above, according to the action route search apparatus and method and the program according to the present embodiment, since a parameter for determining motion is assigned to at least one non-terminal symbol constituting the solution candidate, The action route can be directly derived as a solution candidate, and the finally obtained solution candidate can be output as output data as it is.
Thus, by devising the configuration of the solution candidates, it is possible to omit the calculation process of the optimal algorithm that was performed prior to operation as in the past, and to obtain the action route in real time. . Furthermore, since teacher data or the like is not necessary, it is possible to obtain an appropriate action route for any input data.
なお、上述した実施形態では、航空機の最適航路を探索する場合について例示して説明したが、本発明の行動経路探索装置及び方法並びにプログラムは、様々な分野において適用が可能であることはいうまでもない。この場合、各適用に応じて入力情報、評価関数等が与えられる。例えば、カーナビゲーションシステム等の車両の最適経路を探索する場合には、入力データとして、現在地、目的地等が与えられ、また、到達時間、消費燃費等を評価パラメータとした評価関数が与えられる。また、車両の場合には、航空機や船舶等と異なり、道がないところを走行できないという制約があるため、動きを決定付けるパラメータとしては、交差点では、右折、左折、直進する等、車両独特のパラメータを用いることとなる。このように、動きを決定付けるパラメータは、対象物に応じて決められる。
また、図4に例示した解候補の構成において、初期位置を設定するためのプログラムが割り当てられた非終端記号を更に付加してもよい。このように初期位置を設定するためのプログラムを付加することで、初期位置が不明である場合でも適用することが可能となる。
In the above-described embodiment, the case of searching for the optimum route of an aircraft has been described as an example. However, it goes without saying that the action route search apparatus, method and program of the present invention can be applied in various fields. Nor. In this case, input information, an evaluation function, etc. are given according to each application. For example, when searching for the optimal route of a vehicle such as a car navigation system, the current location, the destination, etc. are given as input data, and an evaluation function using the arrival time, fuel consumption, etc. as evaluation parameters is given. In the case of vehicles, unlike airplanes and ships, there is a restriction that the vehicle cannot travel where there is no road, so the parameters that determine the movement are unique to the vehicle such as turning right, turning left, and going straight at intersections. Parameters will be used. Thus, the parameters that determine the movement are determined according to the object.
In the solution candidate configuration illustrated in FIG. 4, a non-terminal symbol to which a program for setting an initial position is assigned may be further added. By adding the program for setting the initial position as described above, the program can be applied even when the initial position is unknown.
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the specific structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
1 CPU
2 主記憶装置
3 補助記憶装置
4 入力装置
5 出力装置
10 行動経路探索装置
11 解候補生成部
12 評価部
13 選択部
14 遺伝的操作部
15 最適解決定部
1 CPU
2 Main storage device 3
Claims (5)
前記計算機が、
複数の解候補を生成する解候補生成部と、
各前記解候補の適合評価を行う評価部と、
前記適合評価に基づいて前記解候補の選択を行う選択部と、
前記選択部によって選択された前記解候補に遺伝的操作を行うことにより次世代の解候補を作成する遺伝的操作部と
を備え、
前記解候補を構成する少なくとも1つの非終端記号には、動きを決定付けるパラメータが割り当てられている行動経路探索装置。 An action path search device that includes a computer and searches for an optimal action path using a genetic algorithm,
The calculator is
A solution candidate generator for generating a plurality of solution candidates;
An evaluation unit that performs conformity evaluation of each of the solution candidates;
A selection unit that selects the solution candidates based on the fitness evaluation;
A genetic operation unit that creates a next generation solution candidate by performing a genetic operation on the solution candidate selected by the selection unit, and
A behavior route search device in which a parameter for determining motion is assigned to at least one non-terminal symbol constituting the solution candidate.
複数の解候補を生成する工程と、
各前記解候補の適合評価を行う工程と、
前記適合評価に基づいて前記解候補の選択を行う工程と、
選択された前記解候補に遺伝的操作を行うことにより次世代の解候補を作成する工程と
を含み、
前記解候補を構成する少なくとも1つの非終端記号には、動きを決定付けるパラメータが割り当てられている行動経路探索方法。 An action route search method for searching for an optimum action route using a genetic algorithm by a computer,
Generating a plurality of solution candidates;
Performing a fitness evaluation of each of the solution candidates;
Selecting the solution candidates based on the fitness evaluation;
Creating a next generation solution candidate by performing a genetic operation on the selected solution candidate,
A behavior route search method in which a parameter for determining motion is assigned to at least one non-terminal symbol constituting the solution candidate.
複数の解候補を生成する処理と、
各前記解候補の適合評価を行う処理と、
前記適合評価に基づいて前記解候補の選択を行う処理と、
選択された前記解候補に遺伝的操作を行うことにより次世代の解候補を作成する処理と
を含み、
前記解候補を構成する少なくとも1つの非終端記号には、動きを決定付けるパラメータが割り当てられている行動経路探索プログラム。 An action path search program for causing a computer to execute processing for searching for an optimal action path using a genetic algorithm,
Processing to generate multiple solution candidates;
Processing for evaluating the suitability of each of the solution candidates;
Processing for selecting the solution candidates based on the fitness evaluation;
Generating a next generation solution candidate by performing a genetic operation on the selected solution candidate,
A behavior route search program in which a parameter for determining motion is assigned to at least one non-terminal symbol constituting the solution candidate.
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A02 | Decision of refusal |
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