الگوریتم رقابت استعماری Imperialist Competitive Algorithm (ICA)

1. الگوریتم رقابت استعماریImperialist Competitive Algorithm(ICA) سهیل مهرعلیان 22 آذر 1389 دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه صنعتی اصفهان

2. مقدمهIntroduction • اسماعیل آتش پز گرگری و دکتر کارولوکس (دانشگاه تهران، 1387) • الگوریتم جستجو عام (Global Search) برای بهینه سازی • با داشتن تابع f(x) میخواهیم آرگومان x را به گونه ای بیابیم که هزینه متناظر آن بهینه باشد(معمولا کمینه). • مبتنی بر تکامل سیاسی و اجتماعی انسان است.

3. ساختار ارائهPresentation Outline • مقدمه • زمینه سیاسی – اجتماعی الگوریتم • مروری بر پدیده استعمار(Imperialism) • مفاهیم اولیه • الگوریتم رقابت استعماری • شکل دهی امپراطوری اولیه • سیاست جذب • رقابت استعماری • یک مثال • بررسی چند کاربرد و مقایسه با الگوریتم ژنتیک • تشکر و ...!

4. زمینه سیاسی-اجتماعیSocio-Political Background • امپریالیزم در لغت به معنای سیاست توسعه قدرت و نفوذ یک کشور در حوزه خارج از قلمرو شناخته شده برای آن، اطلاق می شود. • مستقیم: قانون گذاری و انتخاب حاکم • غیر مستقیم: کنترل کالا و مواد خام • استعمار با هدف (1)بهره برداری از منابع زیر زمینی، انسانی و ... (2) جلوگیری از نفود استعمارگران دیگر در آن محدوده. • استعمار اولیه • فقط بهره برداری از منابع • سیاست جذب • عمران و آبادانی مستعمرات با هدف سلطه فرهنگی و کسب اقبال عمومی

5. مروری بر پدیده استعمارA Survey of Imperialism • هند (بریتانیا) • در قرن هجدهم خاندان مغول در حال اضمحلال بود و با جنگهاي داخلي و دخالت خارجي، قدرت سياسي آنها تجزيه گرديد. • در نيمه قرن هجدهم، هند، طعمه امپرياليست هاي رقيب، بريتانيا و فرانسه شده بود. بريتانيا و فرانسه بر سر توفق استعماري بر جهان در حال نبرد با يكديگر بودند و بريتانياي كبير در هند به پيروزي رسيد. • تاسيس مدارس انگليسي زبان و احداث جاده، راه آهن و خط تلگراف • اصلاح رسوم اجتماعي • خودسوزي بيوه زنان كه براي نشان دادن وفاداري به شوهر انجام مي شد. • سركوب مجرماني كه به نام مذهب، دزدي و جنايت مي كردند. • افزايش حداقل سن ازدواج براي دختران.

6. مروری بر پدیده استعمار(ادامه)A Survey of Imperialism(Cont.) • ویتنام (فرانسه) • از لحاظ فرهنگي و سياسي، فرانسه سياست دو محوري "جذب" و "همراهي" را تعقيب مي كرد. • فرانسه اميدوار بود، سر انجام در ميان ويتنامي ها طبقه ممتاز جديدي به وجود آيد كه با حاكميت فرانسه موافق باشد. • تاسيس مدارس فرانسوی زبان و احداث جاده، راه آهن ، توسعه سيستم آبياري و ارائه تسهيلات آموزشي و بهداشت عمومي مدرن • اما جريان امور به اين صورت پيش نرفت. اقليت كوچك ويتنامي كه به فرهنگ فرانسوي دست يافته بودند، مانند هندي هاي صاحب تحصيلات بريتانيايي، دانش جديد خود را در راه مخالفت با سلطه فرانسه و حمايت از استقلال ويتنام، به كار گرفتند.

7. مروری بر پدیده استعمار(ادامه)A Survey of Imperialism(Cont.) • هند شرقی (هلند) • هلنديها از آغاز، مستعمرات خويش را به عنوان منابع ارزشمند مواد خام و بعدها به عنوان بازاري براي فروش محصولات صنعتي، قلمداد مي كردند. • دوره اي از توسعه اقتصادي به هند شرقي آمده بود. • هلند بر خلاف فرانسه به سياست "جذب"، علاقه اي نداشت و براي اشاعه نظريات و شيوه هاي غربي در ميان مردم بومي كوششي نكرد. • اما اين رفاه به جاي اندونزيايي ها، نصيب هلندي ها شد.

8. اثرات مثبت استعمارProfitable Impacts of Imperialism • از ديد بهينه سازي،استعمار بعضي از كشورها را كه در يك دره معمولي تمدن قرار داشتند، خارج كرده و آنها را به يكحوزه مينيمم ديگر برد كه در بعضي موارد وضعيت اين حوزه مينيمم بهتر از موقعيت قبلي كشورمستعمره بود. • رقابت به نوبه خود باعث رشد و توسعه كشورهاي استعمارگر از لحاظ سياسي، نظامي و اقتصادي گرديد.زيرا كشورها براي داشتن امكان رقابت، مجبور به توسعه بودند.

9. مفاهیم اولیهPreliminaries • كشورها در حقيقت جوابهاي ممكن مساله هستند و معادل كروموزوم در الگوريتم ژنتيك و ذره دربهينه سازي گروه ذرات هستند. • همه ي كشورها، به دو دسته تقسيم مي شوند: • استعمارگر (Imperialist) • مستعمره (Colony) • هر امپراطوری از یک استعمارگر و کشورهای تحت استعمارش تشکیل شده ست. • سياست جذب یا همگون سازي (Assimilation) • كشورهاي استعمارگر با اعمال سياست جذب (همگون سازي) در راستاي محورهاي مختلف بهينه سازي،كشورهاي مستعمره را به سمت خود مي کشند.

10. هزینه کل یک امپراطوریTotal Cost of a Empire • هزینه یک کشور • هزینه يك امپراطوري برابر است با هزینه كشور استعمارگر، به اضافه درصدي از هزینه كلمستعمرات آن.

11. فلوچارت الگوریتم رقابت استعماریICA Flowchart Start Eliminate this empire Exchange the position of that Imperialist and the colony Initialize the Empires Compute the total cost of an Empire Stop condition satisfied? No Pick the weakest colony From the weakest empire and give it to the empire that has most Likelihood to posses it. Move colonies toward their relevant imperialist Yes Done Is there a colony in an empire Which has lower cost than That of imperialist Yes Is there an empire With no colony? Yes No No

12. شکل دهی امپراطوری های اولیهEmpires Initialization • در یک مسئله بهینه سازی بعدی، یک کشور یک آرایه1× است. این آرایه به صورت زیر تعریف می شود: • مقادير متغيره ها در يك كشور، به صورت اعداد اعشاري نمايش داده مي شوند. • از ديدگاهتاريخي فرهنگي، اجزاي تشكيل دهنده يك كشور را مي توان ويژگي هاي اجتماعي– سياسي آن كشور،همچون فرهنگ، زبان، ساختار اقتصادي و ساير ويژگيها در نظر گرفت.

13. شکل دهی امپراطوری های اولیه (ادامه)Empires Initialization(Cont.) • برای شروع الگوریتم تعداد کشور تولید می کنیم. تا از بهترین کشور های را به عنوان امپریالیست انتخاب می کنیم. کشور باقی مانده مستعمرات را تشکیل می دهند. • به نسبت قدرت هر امپریالیست تعداد مستعمرات آن را تعیین می شود. برای این کار ابتدا هزینه نرمالیزه آنها را به صورت زیر در نظر میگیریم: • با داشتن هزينه نرماليزه، قدرت نسبي نرماليزه ي هر امپرياليست، به صورت زير محاسبه می شود: هزینه نرمالیزه شده امپریالیست nام هزینه امپریالیست nام قدرت نرمالیزه شده امپریالیست nام

14. شکل دهی امپراطوری های اولیه (ادامه)Empires Initialization(Cont.) • قدرت نرماليزه شده يك امپرياليست، نسبت مستعمراتي است كه توسط آن امپرياليست اداره مي شود. بنابراين تعداد اوليه ي مستعمرات يك امپرياليست برابر خواهد بود با: تعداد مستعمرات امپریالیست nام

15. مدل سازی سیاست جذبAssimilation Policy Modeling • سياست همگون سازي (جذب) با هدف تحليل فرهنگ و ساختار اجتماعي مستعمرات در فرهنگحكومت مركزي انجام مي گرفت. عدد بزرگتر از یک و نزدیک 2

16. مدل سازی سیاست جذب(ادامه)Assimilation Policy Modeling(Cont.) • اما وقايع بطور كامل مطابق سياستجذب پيش نمي رفت و انحرافاتي در نتيجه كار وجود داشت.

17. جابجایی موقعیت مستعمره و امپریالیستImperialist And Colony Position Exchange F(x) x

18. رقابت استعماریImperialists Compete • هر امپراطوري اي كه نتواند بر قدرت خود بيفزايد و قدرت رقابتخود را از دست بدهد، در جريان رقابت هاي امپرياليستي، حذف خواهد شد. • به مرور زمان، امپراطوري هاي ضعيف، مستعمرات خود را از دست داده و امپراطوري هاي قويتر، اين مستعمرات را تصاحب كرده و بر قدرت خويش مي افزايند. • هر چقدر امپراطوری قوی تر باشد احتمال تصاحب بیشتری دارد.

19. رقابت استعماری(ادامه)Imperialists Compete(Cont.) • ابتدا از روی هزینه کل امپراطوری، هزینه کل نرمالیزه شده آن را حساب می کنیم: • با داشتن هزینه کل نرمال شده احتمال تصاحب مستعمره مورد رقابت توسط هر امپراطوری به صورت زیر محاسبه می شود: • با داشتن احتمال تصاحب با استفاده مکانیزمی مانند چرخ رولت مستعمره مورد رقابت را در اختیار یکی از امپراطوری ها قرار می دهیم.

20. رقابت استعماری(ادامه)Imperialists Compete(Cont.)

21. مروری بر شمای کلی الگوریتمAn overview to ICA schema

22. مزایای الگوریتم رقابت استعماریAdvantages of ICA • نو بودن ايده ي پايه اي الگوريتم: به عنوان اولين الگوريتم بهينهسازي مبتني بر يك فراينداجتماعي-سياسي • توانايي بهينه سازي هم تراز و حتي بالاتر در مقايسه با الگوريتم هاي مختلف بهينه سازي، درمواجهه با انواع مسائل بهينه سازي • سرعت مناسب يافتن جواب بهينه

23. مثالAn Example • بهینه سازی تابع f با مقدار مینیمم 18.5547- در بازه 0<x,y<10 و در نقطه ( 9.039,8.668 ) f = x.sin(4x)+1.1y.sin(2y) =80 =8 =72

24. مثال(ادامه)An Example(Cont.) • امپراطوري هاي اوليه؛ هر رنگ نمايش دهنده ي يك امپراطوري مي باشد.

25. مثال(ادامه)An Example(Cont.) • امپراطوري ها در نسل 10 ام؛ 4 تا از امپراطوري ها باقي مانده اند.

26. مثال(ادامه)An Example(Cont.) • امپراطوري ها در نسل 30 ام؛ تنها دو امپراطوري باقي مانده اند.

27. مثال(ادامه)An Example(Cont.) • امپراطوري ها در نسل 33 ام (همگرايي)؛ تنها يك امپراطوري واحد داريم.

28. مثال(ادامه)An Example(Cont.) • هزینه مینیمم و میانگین همه امپراطوری ها بر حسب تعداد تکرار الگوریتم

29. کاربردهاApplications • Simulation of Energy Demand Based on Economic Indicators[2] • Schedule of receivingand shipping Trucks in Cross-Docking systems[3] • Design of a Linear Induction Motor[4] • Material Properties Characterization from Sharp Indentation Test[5] • Artificial Neural Network Weights Optimization [6] • Minimum bit error rate beam forming[7]

30. منابع و ماخذReferences • 1) اسماعیل آتش پز گرگری، توسعه الگوریتم بهینه سازی اجتماعی و بررسی کارایی آن، تز کارشناسی ارشد،دانشگاه تهران، 1387 • 2) Hosseininasab E., et al. , An application of Imperialist Competitive Algorithm to Simulation of Energy Demand Based on Economic indicators: Evidence from Iran, European Journal of Scientific Research , ISSN 1450-216X Vol.43 No.4 (2010), pp.495-506 • 3) S. Forouharfard & M. Zandieh, An imperialist competitive algorithm to schedule of receiving and shipping trucks in cross-docking systems, Springer-Verlag London Limited 2010 • 4) Caro Lucas, et. al, Application of an imperialist competitive algorithm to the design of a linear induction motor, Energy Conversion and Management 51 (2010) 1407–1411 • 5) A. Biabangard-Oskouyi, et. al, Application of Imperialist Competitive Algorithm for Material Properties Characterization from Sharp Indentation Test

31. منابع و ماخذReferences • 6) Maryam, TayefehMahmoudi, Artificial Neural Network Weights Optimization based on Imperialist Competitive Algorithm • 7) ArashKhabbazi, et. al, Imperialist competitive algorithm for minimum bit error rate beamforming, Int. J. Bio-Inspired Computation, Vol. 1, Nos. 1/2, 2009

32. End of slide show, click to exit. The End. Presentation Subject: Imperialist Competitive Algorithm Course: Evolutionary Algorithms Producer: Soheil Mehralian Advisor: Dr. A. Mirzei Special Thanks to: Audiences for their attention and B. Moradi Affiliation: Artificial Intelligence & Robotic Group Electrical and Computer Engineering Department Isfahan University of Technology December, 2010