vysoké učení technické v brně evoluční algoritmy - matlab gate toolbox

22
minimalizace či maximalizace, odkaz na definici účelové funkce, počet parametrů, kolika bity
jsou kódovány jednotlivé parametry, typ binárního kódování, aj.
Jako servisní metody jsou označovány v GATE toolboxu takové funkce, které jsou
nezbytné pro činnost výkonných metod, nebo mají ještě i další pomocné funkce.
Účelovou funkci je třeba sestavit jako vektorizovanou Matlab funkci. Musí být napsána
tak, aby byla schopna vypočítat matici s parametrovými vektory.
Problém celého řešení je, jak jsem již naznačil v úvodu kapitoly, velmi pomalá
implementace. Pro systém Matlab je evidentně velký problém, pokud se snažíme provádět
nějaké binární operace. Veškeré výpočty zřejmě provádí na hodnotách, které převede na datový
typ double. Každá taková hodnota je v paměti počítače zakódována 64 bity, ačkoliv se jedná o
binární číslo, které by bylo možno zakódovat pouze v jediném bitu. Proto je práce v binárních
operacích dost neefektivní.
Více informací a detailní popis struktur a funkcí GATE 2.0 je možno najít v [1].
3.2 Vylepšení GATE – DLL GATE
Počáteční nápad byl použít stávající GATE toolbox a k němu připojit externí
dynamicky linkovanou knihovnu DLL, ve které by byly veškeré stěžejní funkce pro práci
s binárním kódem. Postupem času jsem však zjistil, že takto postupovat nelze. GATE uchovává
binární populaci v matici s prvky typu double. Při každé operaci by se tak musela neustále
posílat z Matlabu do DLL velká matice čísel a v zápětí opět matice stejného rozměru zpět do
Matlabu, což by značně snižovalo rychlost celé implementace.
Rozhodl jsem se vytvořit DLL tak, aby pracovalo interně naprosto autonomně. Veškeré
datové struktury jsou uchovávány uvnitř DLL a teprve na požadavek uživatele jsou data (binární
populace) odesílána zpět do systému Matlab. Tato koncepce se později ukázala jako velice
výhodná a vysoce efektivní z hlediska rychlosti výpočtů.
Dále jsem se snažil, aby byl nový GATE-DLL toolbox z větší části kompatibilní
s původním toolboxem; aby se postup zadávání optimalizačního problému z hlediska uživatele
změnil co možná nejméně. Při inicializačním volání DLL knihovny se jí předá nastavení
z původní datové struktury, která zůstává kompatibilní s původním toolboxem.
Nový toolbox byl také vylepšen o rozhraní XML, které umožňuje v jakékoliv části
výpočtu uložit nastavení do XML datového souboru. Z tohoto XML je možné spustit znovu celý
optimalizační proces s uloženými parametry a hodnotami. Načtení parametrů z XML lze provést
v jakékoliv části výpočtu, nebo přímo inicializovat nový výpočet pomocí XML souboru.
Další věcí, která je v GATE-DLL nová, je podpora pro distribuované výpočty.
Umožňuje připojit jakýkoliv GATE-DLL před započetím optimalizačního procesu k serveru,
který registruje GATE klienty, umožňuje jejich sledování, automatické předávání lepší hodnoty
nalezeného optima horším klientům, apod. Koncepce klient - server je pojata poněkud
netradičním způsobem. Komunikace probíhá přes master XML soubor, který zakládá serverová
aplikace. Klienti komunikují se serverem prostřednictvím tohoto souboru.
3.2.1 Koncepce GATE-DLL
Jak jsem již zmínil v předchozím odstavci, knihovna DLL zcela nahrazuje většinu
funkcí GATE toolboxu a má také vlastní datovou strukturu, ve které uchovává nastavení,
binární populaci, hodnocení populace, aktuální vektor, aj. Všechny výpočty pracují s touto
interní datovou strukturou, čímž se značně zvyšuje výpočetní síla oproti původně navrhované
koncepci volaných funkcí z DLL. Jediné, v čem Matlab zůstává nadále nápomocen výpočtům,
je v ohodnocování jedinců pomocí vektorizované účelové funkce. Definice této funkce zůstává
(opět z důvodů kompatibility) naprosto stejná s původním GATE.