人工智慧的第三條路 ─ 演化以基因規劃法設計電路為例

人工智慧的第三條路─演化 以基因規劃法設計電路為例會議名稱：教師自製媒體觀摩會會議課程名稱：人工智慧主講者：南榮技術學院電子系侯浩生日期：97年4月23日（上午8：30～9：30）南榮技術學院電子系侯浩生製作

大綱 • 「人工智慧」與「演化」的關係 • 何謂演化電子學 • 如何利用基因規劃法設計濾波器 • 濾波器的設計考量 • 實驗結果南榮技術學院電子系侯浩生製作

「人工智慧」與「演化」 J.R. Koza et al.,“演化，AI的第三條路！”，科學人雜誌(中文版)，13期，p.86-94，2003年三月號過去50年採用的兩條路（讓機器模擬人類智慧）：（一）演繹式 ─ 撰寫程式（邏輯推演式的）。（二）歸納式 ─ 囊括人類集體知識與專門技術的資料庫（也就是所謂的「專家系統」）。計算理論先驅Tuning提過AI的第三條路：（三）搜尋式 ─ 藉由遺傳或演化搜尋的方式。南榮技術學院電子系侯浩生製作

「人工智慧」與「演化」 ＊電腦不僅會「撿土豆」，還會「設計電路」。＊在電子學的領域，基因演算法已經「重新發現」（演化）出15種先前已取得專利的電路設計，其中數種當初在各自領域發表時，都被推崇為極具潛力的重要發明。＊甚至設計出以前沒有人想到過的「具有原創性的」且「效能更好」的新奇電路電路。（這是因為人類工程師看待問題時，經常以理想的數學模型為基礎）」。＊以美國專利局的考驗來代替涂林測試（Tuning Test）。南榮技術學院電子系侯浩生製作

演化電子學 • 演化計算 → 達爾文理論 + 摩爾定律 • 在電腦上模擬自然演化 • 藉助自然演化原理解決計算機科學上的問題 • 演化電子學 → 利用演化計算來設計電子電路與系統南榮技術學院電子系侯浩生製作

演化電子學 • 演化電子學 — 將電路設計視為一種搜尋問題（Search problem） ─ 能有如下的好處： • 可能發現新的電路 • 能同時考慮多個設計目標（Multi-objectives） • 演化演算法在搜尋大空間時非常有效率南榮技術學院電子系侯浩生製作

演化過程（黑森林裡的黑昆蟲）  初始世代 • 個體 • 族群 • 適應度 • 天擇 • 交配 • 突變 • 淘汰交配  南榮技術學院電子系侯浩生製作

三個主要議題： 1. 如何表示？ 2. 如何做基因運算？ 3. 適應度如何量化？基因規劃法的流程與三個主要議題產生初始世代基因運算： 1、交配 2、突變 3、天擇新的子代符合條件? No Yes 結束南榮技術學院電子系侯浩生製作

如何表示？─ DNA的表示法 ……………………………… ……………………………… ……ATCCGACATACGG… ……………………………… ……………………………… 編碼為了資訊處理方便資料結構南榮技術學院電子系侯浩生製作

資料結構 – (I) 資料結構串列（List）南榮技術學院電子系侯浩生製作

資料結構 – (II) 高雄台中花蓮台北台南圖形（Graph）資料結構南榮技術學院電子系侯浩生製作

資料結構 – (III) 我叔叔2 父親叔叔1 祖父兒子2 兄弟孫子1 孫子2 兒子1 樹（Tree）資料結構南榮技術學院電子系侯浩生製作

+ // RS + C1 R1 // C2 RL RLC電路的兩種表示法 1 2 3 0 0 0 0 Name Value Node1Node2 RS 1.2 Ω 1 2 R1 0.8 Ω 2 3 C1 2.3 F 2 0 C2 7.2 F 3 0 RL 1.0 Ω 3 0 圖形 (Netlist) 樹狀結構南榮技術學院電子系侯浩生製作

第一種表示法 ─ 圖形 實際問題 One Gene : Component Chromosome representing bridged-T filter --------------------------------------------------------------------------------- Gene1 Gene2 Gene3 Gene4 Gene5 Gene6 --------------------------------------------------------------------------------- Type R Empty C R C Empty Node1 3 - 3 1 2 - Node2 2 - 0 3 1 - --------------------------------------------------------------------------------- GA netlist-liked form 南榮技術學院電子系侯浩生製作

+ // Rs + C1 R1 // + : Operator (運算、動作) + : series; // : parallel C2 RL C2 : Operand (數值、對象) R, jωL, 1/jωC 第二種表示法 – 樹狀結構南榮技術學院電子系侯浩生製作

邱吉爾 頭腦外表金髮美女 … 10110110 10010001 … … 10110001 10010110 … Crossover 子代： (n+1)th generation 親代： nth generation 基因運算 (1) • 交配（Crossover）： • 子代能繼承親代的特徵的組合南榮技術學院電子系侯浩生製作

基因運算 (2) • 突變（Mutation）： … 10011100 … Mutation … 10011000 … With Pm << 1 • 能產生新的特徵南榮技術學院電子系侯浩生製作

圖形表示法的交配 ─ (改變topology) 交配 R C R Empty 3 3 3 - 1 0 2 - Empty C Empty R - 1 - 2 - 2 - 0 Empty C R Empty - 3 3 - - 0 2 - R C Empty R 3 1 - 2 1 2 - 0 南榮技術學院電子系侯浩生製作

// // + C1 R2 RL RL R1 樹狀表示法的交配 ─ (改變topology) 交配 + + + Rs Rs C2 南榮技術學院電子系侯浩生製作

H H Hz Hz 適應度（Fitness）的計算個體 (Circuits) 電路特性規格(演化目標) : 低通濾波器 Fitness = – Error Error = Σ | Spec. – Performance | 南榮技術學院電子系侯浩生製作

+ // 1 3 + 2 4 適應度（Fitness）的計算電路分析→ 電路特性 → 適應度 Example: 南榮技術學院電子系侯浩生製作

電路分析演算法 (1) – 計算阻抗（Impedances）Bottom-Up 3 + 2 // 1 6 3 + 2 4 南榮技術學院電子系侯浩生製作

3 + 2 // 1 6 3 + 2 4 電路分析演算法 (2) – 計算電流（Current）Top-Down 3 3 3 2 1 1 1 南榮技術學院電子系侯浩生製作

3 + 2 // 1 6 3 + 2 4 電路分析演算法 (3) – 計算電壓（Voltages） 3 3 3 3 2 1 6 1 1 4 2 南榮技術學院電子系侯浩生製作

問題描述 ─ 低通濾波器的合成 分析電路 - Topology結構 - Component values元件值電路特性 H Hz 合成給定規格南榮技術學院電子系侯浩生製作

H Hz 利用基因規劃法合成濾波器電路 GP ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ 南榮技術學院電子系侯浩生製作

演化架構 (a) Schematic (b) Tree representation 南榮技術學院電子系侯浩生製作

四種演化所用的基材（Building blocks ） (a) Schematic (b) Tree representation 南榮技術學院電子系侯浩生製作

濾波器設計時的實際考量 1. 電路大小（所使用的元件數） 2. 元件值的誤差（ Component Tolerance ） 3. 寄生效應（Parasitic Effects） 4. 群延遲響應（Group Delay） 5. 元件值不連續南榮技術學院電子系侯浩生製作

H(jω) Vout Vin Group Delay（群延遲）─ (1) • 什麼是群延遲 group delay？ • Transfer function: • Magnitude: • Phase: • Group delay: 南榮技術學院電子系侯浩生製作

Group Delay ─ (2) • 為什麼group delay很重要？ Assume: Vin time Vout 越平坦越好！ time 南榮技術學院電子系侯浩生製作

Group Delay ─ (3) • 如何將 group delay 納入考量？ • 傳統方法： filter order (size) ↑ => group delay deviation↓ => cost↑ • 演化的方法─ 利用適應度函數引導演化方向兩階段適應度函：第一階段追求error最小化，求符合頻率響應的規格；第二階段求 diff 的最小化，以求group delay的最佳化。南榮技術學院電子系侯浩生製作

Group Delay ─ (4) • 基因規劃法所演化出來的濾波電路南榮技術學院電子系侯浩生製作

Group Delay ─ (5) 南榮技術學院電子系侯浩生製作

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