การประยุกต์ใช้ขั้นตอนวิธีเชิงพันธุกรรม (Genetic Algorithm) ในการกำหนดกำลังรบ – กรณีศึกษากำลังรบทางเรือในภารกิจการช่วยเหลือประชาชน (ตอนที่ 2)

กระบวนการของขั้นตอนวิธีเชิงพันธุกรรม (Genetic Algorithm) เป็นการใช้ตัวดำเนินการ (Operator) เลียนแบบขั้นตอนการวิวัฒนาการตามธรรมชาติ ได้แก่การสืบพันธุ์ การผสมยีน และการกลายพันธุ์ ร่วมกับแนวคิดของการคัดเลือกโครโมโซม (ชุดของยีน) ที่มีความแข็งแรงหรือมีความเหมาะสมในการแก้ปัญหา เพื่อนำกลับไปเข้าสู่กระบวนการเดิม และทำซ้ำไปเรื่อยๆ ในลักษณะของการวิวัฒนาการตามธรรมชาติ เพื่อพัฒนาโครโมโซมหรือชุดคำตอบให้ดีขึ้นเรื่อยๆ

กระบวนการของขั้นตอนวิธีเชิงพันธุกรรม ประกอบด้วยตัวดำเนินการและการทำซ้ำเพื่อเลียนแบบวิวัฒนาการตามธรรมชาติ

ขั้นตอนแรกของการประยุกต์ใช้ขั้นตอนวิธีเชิงพันธุกรรมในการหาคำตอบเพื่อแก้ปัญหา คือการกำหนดรูปแบบของคำตอบในลักษณะของโครโมโซมหรือแถวของยีนในธรรมชาติ โดยโครงสร้างของชุดคำตอบหรือโครโมโซมหนึ่ง ประกอบด้วยองค์ประกอบย่อยของคำตอบ แทนยีนแต่ละตัวในโครโมโซมนั้น

องค์ประกอบของโครโมโซมในธรรมชาติคือแถวของยีน ซึ่งโครงสร้างของคำตอบของขั้นตอนวิธีเชิงพันธุกรรมก็ประกอบด้วยแถวขององค์ประกอบย่อยเช่นเดียวกัน

ในส่วนของการแก้ปัญหาการกำหนดกำลังรบทางเรือ เราสามารถกำหนดโครโมโซมเป็นแถวของประเภทเรือต่างๆ ซึ่งภายในแถวนั้นจะประกอบด้วยยีนซึ่งแทนด้วยจำนวนของเรือแต่ละประเภท โดยกำหนดเป็นโครโมโซม ๒๗ แถว แทนด้วยประเภทของเรือรบจำนวน ๒๗ ประเภท (รวมอากาศยานประจำเรือ) และโครโมโซมนี้เองจะทำไปใช้ในกระบวนการวิวัฒนาการของขั้นตอนวิธีเชิงพันธุกรรม

ตัวอย่างของชุดคำตอบที่ถูกกำหนดเป็นโครโมโซมยาว ๒๗ แถว แทนด้วยเรือ ๒๗ ประเภท

ชุดคำตอบในโครโมโซมที่ถูกกำหนดจะถูกนำไปผ่านตัวดำเนินการที่สำคัญคือการผสมยีนและการสืบพันธุ์ โดยโครโมโซมรุ่นพ่อ-แม่จะถูกคัดเลือกมาเพื่อสร้างโครโมโซมรุ่นลูกด้วยการแลกเปลี่ยนยีนระหว่างกัน ดังนั้นโครโมโซมรุ่นพ่อ-แม่ ๑ คู่ ก็จะสร้างโครโมโซมรุ่นลูกขึ้นมาอีก ๑ คู่ ซึ่งโครโมโซมทั้งหมดจะถูกนำไปทดสอบเพื่อประเมินค่าความเหมาะสมตาม Fitness Function ต่อไป

การผสมยีนของโครโมโซม ๑ คู่ จะได้โครโมโซมใหม่อีก ๑ คู่

ตัวดำเนินการที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งในขั้นตอนวิธีเชิงพันธุกรรม คือการกลายพันธุ์ หรือการสุ่มเปลี่ยนยีนของโครโมโซมโดยไม่จำเป็นต้องแลกเปลี่ยนยีนกับโครโมโซมชุดอื่น ซึ่งการสุ่มเปลี่ยนนี้จะช่วยให้เกิดโครโมโซมใหม่ขึ้นมาโดยไม่ยึดติดกับส่วนประกอบเดิมของโครโมโซมที่มี อย่างไรก็ดีการสุ่มเปลี่ยนกลายพันธุ์นี้หากทำมากจนเกินไปก็อาจทำให้เกิดคำตอบในลักษณะของการสุ่มมากจนเกินไปและทำลายแนวโน้มของการพัฒนาได้

เมื่อสร้างโครโมโซมชุดใหม่ขึ้นมาแล้ว จะใช้การประเมินโครโมโซมด้วย Fitness Function เพื่อคัดเลือกโครโมโซมที่จะอยู่รอดในรุ่นต่อไป ในลักษณะเดียวกันกับการคัดเลือกผู้อยู่รอดตามแนวคิดของดาร์วิน โดยในกรณีศึกษาภารกิจการช่วยเหลือประชาชน จะใช้การประเมินขีดความสามารถของเรือที่เกี่ยวข้องกับภารกิจ HADR ตามที่ Greenfield และ Ingram ได้วิเคราะห์ไว้ โดยเรือแต่ละลำ (แต่ละยีนในโครโมโซม) จะถูกประเมินคะแนนขีดความสามารถแต่ละด้าน ตามน้ำหนักความสำคัญของแต่ละขีดความสามารถ นอกจากนี้การคิดคะแนนจะถูกถ่วงน้ำหนักด้วยค่าใช้จ่ายและความสิ้นเปลืองของเรือแต่ละประเภท โดยคะแนนของชุดคำตอบทั้งโครโมโซมจะคำนวณจากผลรวมคะแนนของแต่ละยีนในโครโมโซมนั้น

การแบ่งขีดความสามารถที่เกี่ยวข้องกับภารกิจ HADR

การทดลองด้วย GA Optimization Tool เริ่มต้นจากการสุ่มกลุ่มประชากรโครโมโซมจำนวน ๑๐๐ ชุด และทำกระบวนการวิวัฒนาการจำนวน ๑๐๐ รุ่นประชากร ผลการทดลองพบว่าเมื่อผ่านการวิวัฒนาการไป ๑๐๐ รุ่นประชากร โครโมโซมจำนวนที่เหลืออยู่จะมีรูปแบบที่เหมือนกัน คือประกอบด้วยหรือขนาดใหญ่ที่มีระวางบรรทุกมาก และเรือที่มีขีดความสามารถในการสนับสนุนอากาศยานประจำเรือ ซึ่งจะสามารถลำเลียงสิ่งของที่จำเป็นต่อการให้ความช่วยเหลือ และสามารถเข้าถึงพื้นที่ด้วยอากาศยานประจำเรือได้

ผลคะแนนและรูปแบบโครโมโซมที่ดีที่สุดของกลุ่มประชากรชุดแรก

ผลคะแนนและรูปแบบโครโมโซมที่ดีที่สุดหลังการวิวัฒนาการจำนวน ๑๐๐ รุ่นประชากร

นอกจากผลการทดลองดังกล่าวแล้ว ยังมีการปรับน้ำหนักความสำคัญของค่าใช้จ่ายเพื่อทำการวิเคราะห์ผลกระทบ (Sensitivity Analysis) ของข้อจำกัดด้านงบประมาณต่อประเภทและจำนวนของกำลังรบ โดยผลการปรับเพิ่มน้ำหนักความสำคัญของค่าใช้จ่ายจะส่งผลให้มีการลดจำนวนของเรือที่มีค่าใช้จ่ายสูงลง และการปรับลดน้ำหนักความสำคัญของค่าใช้จ่ายจะทำให้มีการเพิ่มจำนวนของเรือที่มีค่าใช้จ่ายสูงเพิ่มมากขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับการตัดสินใจเพื่อรองรับสถานภาพทางด้านงบประมาณจริง

จากผลการทดลองแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้ขั้นตอนวิธีเชิงพันธุกรรมในการกำหนดกำลังรบทางเรือตามภารกิจและขีดความสามารถ โดยมีผลการคำนวณในการวิวัฒนาการเข้าหาคำตอบที่มีความสม่ำเสมอในการเข้าหาคำตอบที่ดีที่สุด (Optimum Solution) นอกจากนี้ยังสามารถปรับค่าน้ำหนักความสำคัญของค่าใช้จ่ายให้สอดคล้องกับสถานภาพทางด้านงบประมาณได้ อย่างไรก็ดีการจะนำไปประยุกต์ใช้ในการกำหนดกำลังรบจริงจำเป็นต้องทำการศึกษาวิเคราะห์เพิ่มเติมเพื่อให้ครอบคลุมภารกิจและขีดความสามารถในทุกด้านของกำลังรบทางเรือต่อไป

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s