Monday, July 03, 2000

Ant Simulation

大學(1997)的程式設計課要求學生在網路上找一個 JAVA Applet 的程式,研究後寫一篇報告上來。我在網路上找到 Mark Miller 所撰寫的“Manna Mouse”JAVA Applet,檢閱了原始碼後,覺得它的程式架構太雜亂了。於是決定自己利用物件導向分析與設計的方法,將整個程式重新設計過。

如此,一方面可以加深自己對物件導向分析與設計方法的熟練程度;另一方面我對於這個Applet 所使用的遺傳演算法也有很大的興趣,想藉此有更深的探究…

Grady Booch 一向在物件導向(Object Oriented, OO)的方法論上執領導的地位,他在1986年率先提出OO開發方法,開啟物件導向分析與設計的研究。

Booch方法在進行分析時,不只是針對問題本身作分析,也針對問題的領域進行分析。因為在同一領域的問題,有很多非常類似。實在不需要對這些類似的問題,每次都一一地重新作類似的分析。

對於問題的整個領域作一徹底的分析,雖然在一開始的時候需要耗費相當的心力,可是隨著分析的進行,我們對於整個領域就會有更深入的瞭解,最後不但累積了領域相關的知識,也完成了富彈性、高度可重複使用的軟體元件,對於將來開發新的系統將帶來非常大的助益。

Booch 的開發方法非常強調領域內的可重用性(Reuseability),其將軟體開發分成以下三個階段:

  1. 需求分析(Requirement Analysis)
  2. 領域分析(Domain Analysis)
  3. 系統設計(System Design)

上面三個步驟並不是像傳統瀑布式的分析設計方法般僵硬地要求一定要一步步地執行;而是允許在步驟間回溯(backtrack),進行反覆地修改與調整,直到系統符合需求為止。

根據生物學的說法,曾經在地球上出現過或現存的所有生物都是由構造簡單的、原始的生物,經由長期的演化而逐漸產生的。

生物演化的理論,在早期可分成:相信後天獲得的性狀可遺傳給後代的拉馬克(Lamarck)學說,及相信後天性狀不可遺傳給後代的達爾文(Darwin)學說兩大派。

由於後來新證據不斷地出現,及這幾十年來分子生物學的快速發展,生物學上已經知道自然界生物的演化機制是採用達爾文式的。雖然有學者提出人類文化的演進可以看成是採用拉馬克式的演進方式,不過這不是這裡所要討論的重點。

達爾文的生物演化論可分成以下幾個步驟:

  1. 遺傳變異(genetic diversify):個體間因遺傳基因型(genotype)的差異而顯現出各式多樣的表現型態(phenotype)。
  2. 自然選擇(natural selection):自然界對於不能夠於所在環境中適應良好的個體發生淘汰的現象。
  3. 繁殖複製(reproduction):未被淘汰的個體經由繁殖,產生許許多多的後代。這其實是一種選擇放大(selection amplify)的情形。

新產生的後代間又稍有不同而產生了遺傳變異,因此不斷地變異-選擇-複製,變異-選擇-複製,變異-選擇-複製......一直反覆循環下去即發生了生物的演化。

遺傳演算法在電腦科學上屬於演化式計算(Evolutionary Computation)的一環。遺傳演算法其實是以電腦來模擬生物演化的過程。通常用來解一些對問題解法沒有很充分瞭解的例子,或在用傳統的解法成本過高的時候使用。

※請進一步參閱《模擬螞蟻──以物件導向分析遺傳演算法

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