比基亚

Pikaia Gracilens是一种蠕虫状的小动物，在5.3亿年前寒武纪早已消失的海底泥中爬行。虽然在牙齿和爪子方面并不令人印象深刻，但皮凯亚被认为是脊索动物门的创始人，其随后的进化产生的后果至今仍为生态系统的其他部分所深深感受。从优秀书籍中数字化图像鱼类的兴起John A.Long著（1995年，约翰霍普金斯大学出版社）。

欢迎访问PIKAIA主页。PIKAIA（发音为“pee-kah-yah”）是一个基于遗传算法的通用函数优化FORTRAN-77子程序。PIKAIA是一个公共域软件，可从高空天文台的匿名ftp档案中以电子方式获得。该子程序在处理多模态优化问题时特别有用（且健壮）。

基于遗传算法的反演方法的发展只是在长期太阳变率部门进行的太阳地震研究的一个方面(LSV公司)高海拔天文台(HAO公司)，是国家大气研究中心(NCAR公司)科罗拉多州博尔德。《PIKAIA 1.0》由Paul Charbonneau和Barry Knapp于1995年撰写，当时他们都在HAO/NCAR工作。1.2版于2002年4月发布。

  1. 遗传的算法
  2. 比基亚子程序
  3. 比基亚使用示例
  4. 获取复制PIKAIA的
  5. PIKAIA用户登记处
  6. PIKAIA用户列表
  7. 错误报告
  8. 比基亚IDL和f90，以及并行PIKAIA
  9. 工具书类以及进一步的读数
  10. 奥斯陆教程（亦称NCAR TN-450+IA）

1.遗传算法

遗传算法（以下简称GA）是一类受自然选择的生物进化过程启发的搜索技术。它们可用于构造数值优化技术，该技术在以不正常搜索空间为特征的问题上表现稳健。

考虑以下通用建模任务：使用依赖于一组可调参数的模型来拟合给定的数据集；这项任务包括找到单个参数集，以最小化模型预测与数据之间的差异。该任务的经典遗传算法的顶层视图如下：首先生成一组（“群体”）试验解决方案，通常通过选择随机的，随机的所有模型参数的值；然后：

  1. 评估当前人口中每个成员的拟合优度（“拟合度”）（例如，通过卡方测量数据）。
  2. 从当前总体中选择一对解决方案（“父”），选择给定解决方案的概率与该解决方案的适应度成正比。
  3. 培育（2）中选择的两种溶液，并产生两种新溶液（“后代”）。
  4. 重复步骤（2）-（3），直到产生的后代数量等于当前种群中的个体数量。
  5. 使用新的后代群体来取代旧的群体。
  6. 重复步骤（1）至（5），直到满足某个终止标准（例如，当前总体的最佳解决方案达到超过某个预设值的拟合优度）。

表面上看，这可能像是蒙特卡洛主题的一些特殊变化。有两个关键的区别：首先，一个给定的解决方案被选择参与繁殖事件的概率与该解决方案的适合度成正比（步骤2）；更好的试验解决方案更频繁地出现，计算等效于自然选择第二，从现有解决方案中生产新的试验解决方案育种。这涉及编码将每个解决方案定义为字符串结构（“染色体”）的参数，并执行遗传启发的操作交叉和突变对于编码双亲的一对染色体，这些操作的最终结果是定义两个后代的两条新染色体。应用将这些字符串解码为解决方案参数的反向过程完成育种过程，并产生两个包含双亲信息的新后代解决方案。

技术细节：

如上所述，基于遗传算法的给定优化任务方法相当于一种正向建模形式。一般来说，采用正向建模方法既有优点也有缺点；

优势：

  • 无需计算拟合优度函数相对于模型参数的导数；模型与其参数之间的关系是线性还是非线性无关紧要。
  • 上述程序中的任何内容都不依赖于使用最小二乘统计估计器；任何其他稳健估计都可以替代，而对整个过程几乎没有改变。

缺点：

  • 在大多数实际应用中，需要评估模型（即给定参数集，计算综合数据集及其相关的拟合优度）；如果这种评估在计算上是昂贵的，那么正向建模方法可能变得不切实际。

基于遗传算法的优化保留了正向建模的优点，同时将所需的函数求值数量减少到通常更易于计算管理的水平。

2.PIKAIA子程序

PIKAIA是一个完全独立的通用优化子程序。例行程序最大化用户提供的FORTRAN函数，其名称作为参数传入。一般来说，我们试图模仿数值分析方法库优化子程序（例如amobea）。打给PIKAIA的电话如下：

调用pikaia（ff、n、ctrl、xb、fb、status）

其中ff是要最大化的FORTRAN函数的名称，n是搜索空间的维度，ctrl是一个控制向量，其元素决定了算法的行为（内置稳健的默认值）。输出向量xb包含最优解参数，即进化结束时最终种群的最优解。标量fb是解的适应度（即ff以xb作为输入返回的值）。输出变量状态代码成功终止，或与非法输入参数值关联的错误条件。

（实）函数ff必须声明为：

函数ff（n，x）
尺寸x（n）
其中，浮点数组x定义了搜索空间中的一个点，函数返回与该点关联的（正定义）适合度（或适合度，或其他）度量。这就是一切。

技术细节：

PIKAIA只包含两个基本的遗传算子：一致的一点交叉和一致的一点突变。与许多商用或公共领域的GA软件包不同，PIKAIA中的编码基于由10个简单整数（0到9）组成的十进制字母表；这是因为二进制操作通常通过FORTRAN中依赖平台的函数执行。有三种复制计划可用：全代替换、稳定状态删除随机和稳定状态删除最差。精英主义是可用的，并且是默认选项。突变率可以通过监测种群中当前最佳值和中值之间的适应度差异来动态控制（也是默认选项）。利用轮盘算法，选择是基于等级的随机选择。

PIKAIA提供了一个基于Quicksort算法的排名子程序，以及一个基于Park和Miller（1988，ACM的通信,31, 1192).

3.PIKAIA用法示例

考虑一个由两个变量的函数最大化组成的优化问题f（x，y），使用x个和年在0和1之间有界。该功能定义了一个二维景观，其中一个是寻找最高海拔点。如果地形平坦简单，这个问题很容易用传统的爬山方法解决。然而，像以下这样的场景将是一项更加困难的任务：

这是函数的曲面图f（x，y），右上角的插图是同一函数的彩色编码版本。全局最大值（由箭头指示，位于（x，y）=（0.5,0.5），其中f=1)被次级极大值的同心环所包围，在那里，简单的爬山方法很可能会陷入困境。

用PIKAIA很容易解决这个问题。个人是指（x，y）pair和fitness可以直接定义为二维景观中的高度，即f（x，y）.相应的检查适应度函数和驱动程序代码显示了使用PIKAIA解决此类问题的简单性。以下动画演示了种群在参数空间中分布的演变。每个个体都显示为一个实心的绿色圆点，而每一代中最好的个体则显示为更大的黄色圆点。观察“最佳解决方案如何在次极值的最内环上停留一段时间，但最终“找到”薄的中心全局最大值。右上角的小图显示了错误生成计数的变化（定义为对数(第1页)用于种群中最佳（黄色）和中等（紫色）个体。误差的突然下降反映了有利突变的出现及其在人群中的传播。该解决方案是通过在默认设置下运行PIKAIA 50代而获得的。

单击此处查看动画[大小：574 KB]

4.获取PIKAIA副本

PIKAIA是一种公共域软件，可通过电子方式在高空天文台上使用匿名ftp存档。要到达那里，请单击前面的锚点；将所有文件保存为纯文本，但《用户指南》除外，该指南应另存为Postscript。或者，在自己的系统上键入：

ftp ftp.hao.ucar.edu 122

使用匿名的作为用户名和您的电子邮件地址作为密码。登录后类型：

cd存档/pikaia

根据您的计算机系统是如何防火墙的，您可能会遇到ftp问题；如果是，请将浏览器指向：

http://download.hao.ucar.edu/archive/pikaia（下载）/

不管怎样，您现在都在PIKAIA主目录中。此目录中的文件包括：

自述.txt
    此文件包含目录内容和最后一分钟的信息。请务必阅读。
皮卡亚。（f）
    该文件包含PIKAIA子程序本身，以及适当的随机数生成器，排名例程，以及驱动程序和适用性函数，用于安装检查问题。此文件是完全独立的，可以立即编译/链接。
用户指南.ps
    这是一个包含PIKAIA 1.0用户指南的Postscript文件，也称为NCAR技术说明418+IA[大小：约2MB]。
用户指南_errata.txt
    用户指南中发现了一些小错误和打字错误。这些已经在当前的userguide.ps中进行了更正，但可能会出现在指南的早期版本中，具体取决于报告输入错误的日期。请注意，NCAR于1995年12月出版的指南硬拷贝中也有打字错误。
示例
    包含《用户指南》第5章中讨论的示例问题的驱动程序和健身功能的子目录。
示例.tar
    示例子目录的UNIX tar文件。如果您正在使用或有权访问UNIX系统，这是一种方便的方法，可以一次性获取所有示例文件。

如果在安装或运行代码时遇到困难，请发送电子邮件至pikaia@hao.ucar.edu.

5.注册为PIKAIA用户

我们邀请PIKAIA的潜在用户发送一封简短的电子邮件至pikaia@hao.ucar.edu（如果可能的话，请包括一些关于该子程序要解决的问题的话；我们很好奇）。这将允许我们维护一个电子邮件列表，用于发送错误报告和/或新闻/升级公告。

请注意，通过注册为PIKAIA用户，您将不添加到一些打开的电子邮件列表中，通常会被淹没在大多数不需要的电子邮件中。再次使用列表唯一地发送错误报告和其他新闻/升级公告。

6.注册PIKAIA用户列表

当前和过去的用户：

Frank Crary特写/LASP尤金·拉维利·布莱克霍克（Eugene Lavely Blackhawk Geosc.）。地声波形反演吉列尔莫·托雷斯哈佛大学/CfAAlex Razoumov UBC/温哥华非线性函数最小化马克·法达尔CU/CASA博弈论Mihaly Horanyi CU/LASP臭氧反问题Isodoros Doxas CU/APAS Magnetotail建模Kelsey Johnson CU/APAS太阳磁图分析迪特尔·哈特曼·克莱姆森大学。Hal Levison SWRI/博尔德Deborah Haber CU/Boulder太阳黑子日震学阿德里安·韦伯斯特·罗伊。Obs.爱丁堡数据建模Martin Sperl U.维也纳时期的装修阿尔贝托·卡皮·博洛尼亚伊恩·霍沃思大学。伦敦Richard Boivin CERCA/蒙特利尔工程设计Jacques Richer CERCA/蒙特利尔非线性半经验拟合Gilles Fontaine U.de Montreal统计热力学Claude Carignan U.de Montreal非线性最小二乘法Robert Lamontagne U.de Montreal非线性函数最小化Paul Seagraves HAO/NCAR Stokes剖面拟合Tim Brown HAO/NCAR轨道参数拟合Karel Schrijver Lockheed/Palo Alto排放测量分析Ignaz Wanders俄亥俄州立大学混响图Burkhart Fuchs U.Heidelberg动态建模Russeil Delphine CNRS/Paris数据建模卢西亚诺·曼特加扎INFN/Pavia塔克·斯特宾斯特写/巨石Andreas Bobinger U.Muenchen逆向建模保罗·卡利·莫纳什（Paul Cally Monash U）。Th.Appourchaux ESA逆向建模Sarah Gibson NASA/Goddard日冕结构反转斯图亚特·杰弗里斯·诺奥罗尼·胡格沃夫·莱顿天文台丹佛太阳地震反演的Reyco Henning USami Solanki ETH/Zuerich Stokes型材配件英国Barry Lapthorn QMW学院太阳地震反演Daniel Carpintero U.拉普拉塔，阿根廷。Misha Haywood Obs.巴黎Steve Arendt CORA/博尔德Davis Valls-Gabaud Obs.Strasbourg拟合色差图Andreas Lagg Johns Hopkins光谱数据分析比尔·卓别林ESTEC/Noordwwijk太阳地震反演特拉维斯·梅特卡夫U.德克萨斯/奥斯汀白矮星地震学Christian Theis U.Kiel，德国。模拟星系相遇Hardi-Peter Kiepenheuer Inst.谱线分析Ladislav Hejna捷克学院。Sc.轨道安装何塞·阿道夫巴西大学。？热电阻传感器aR.Lantosoa Madagada Obs重力/磁力反演Olof Frieberg Chalmers U.，瑞典车辆设计（声学）Thierry Nieus比利时生物物理建模Antonio Emolo U.那不勒斯地震分析Luca Teriaca Armagh Obs.谱线分析凯瑟琳·曼森澳大利亚国家大学磁谱分析S.L.Hidalgo Rguez IAC/西班牙交互星系建模Steven Hale U.伯明翰，英国日震数据处理杰基·肖恩多夫数据建模丽东夏MPI Aeronomie SUMER光谱分析Simon Casassus U.智利Gordon Chin NASA戈达德安德烈亚·丰塔纳欧洲核子研究所反氢光谱巴斯蒂安·利布雷希特RWTH-阿肯飞机/航天器设计Waleed Hamdy NRIAG/埃及Stephane Courteau UBC/加拿大银河光曲线分解。Charlie Meyer ST微电子工程设计Kevin Flood SLAC/斯坦福粒子数据分析伊恩·罗宾逊U.伯明翰/英国太阳能风能活动Eric Depagne DASGAL/Obs.Meudon（埃里克·德帕涅·DASGAL）Scott McIntosh ESA排放测量建模Alan Miller CSIRO数学与信息。Frank Timmes U.芝加哥恒星不透明度Cesar Aaron Moya京都大学地震学Mohamed Abdelwahed NRIAG/埃及地震Mark Alston U.Strathclyde光谱建模I.R.De Souza Unicamp/巴西化工设计贝夫·史密斯（Bev Smith East Tennessee S.U）。Lee Rottler UC/Stanta Cruz周期拟合和频谱分析Roman Petryk UBC/物理与阿斯特。丹尼尔·库巴斯大学波茨坦引力微透镜Lapo Boschi U.Federico II地震成像安东尼奥·皮尔桑蒂INGV/罗马地幔流变学Volker Rath U.Aachen/RWTH地热反演建模Ivan Zevallos U.圣保罗地球物理反演Luciano Lamberti Politecnico di Bari结构优化Kiran Solanki密西西比州U约束优化Paola Rogata GMV S.A./马德里星际轨道Omur Cakirli Ege U.天文学气象学Jos de Bruijne ESA/ESTEC工程设计K.Gozdziewski Torun CfA轨道元件拟合Liz Humphreys哈佛CfAS.A.Klein U.威斯康星方程求解米歇尔·敏·阿斯托。仪器红外光谱分析

PIKAIA参考期刊中的出版物：

  • Kennelly，E.J.和12位合著者，1996年，《振荡模式》θ^2的Tauri，天文学和天体物理学 313, 571-580.
  • Kaastra，J.S.等人，1996年，排放测量分析方法：重访AR Lacertae电晕，天文学和天体物理学,314, 547-557.
  • Noyes，R.W.等人，1997年，一颗围绕北冕星运行的行星，天体物理学杂志,483，L111-L114
  • Charbonneau，P.、Tomczyk，S.、Schou，J.和Thompson，M.J.，1998年通过遗传正向模拟推断的太阳核心旋转，天体物理学杂志,496, 1015-1030.
  • Gibson，S.和Charbonneau，P.1998年使用遗传算法的太阳日冕，地球物理学杂志研究,103（A7），14511-14521。
  • McIntosh，S.W.，Diver，D.A.，Judge，P.G.，Charbonneau，P。，Ireland，J.和Brown，J.C.1998，谱分解通过遗传正向建模天文学和天体物理学（补遗）,132, 145-153.
  • Theis，C.1998，《星系相遇建模：NGC4449案例》，现代天文学回顾,12，正在印刷中。
  • Peter，H.1999，全磁盘过渡区发射线剖面分析使用SOHO上的SUMER仪器对太阳进行扫描，天体物理学杂志,516, 490-504.
  • Charbonneau，P.、Christensen-Dalsgaard，J.、Henning，R.、。，Larsen，R.M.、Schou，J.、Thompson，M.J.和Tomczyk，S.1999年太阳测速曲线结构的太阳地震约束，天体物理学杂志,527, 445-460.
  • Peter，H.1999，《日冕洞中的色球层与宁静的太阳》网络：SUMER/SOHO进行HeI（584 A）全磁盘扫描，天体物理学杂志,522，L77-L80。
  • Sevenster，M.、Saha，P.、Valls-Gabaud，D.和Fux，R.1999，银河系三轴模型的新约束条件，皇家天文学会月报,307, 584-594.
  • Peter，H.和Judge，P.G.1999，关于太阳紫外线发射线的多普勒频移，天体物理学杂志,522, 1148-1166
  • Teriaca，L.、Banerjee，D.和Doyle，J.G.1999，SUMER对平静太阳和活动区多普勒频移的观测，天文学和天体物理学,349, 636-648
  • Doyle，J.G.、Teriaca，L.和Banerjee，D.1999，冠状孔诊断输出至8R，天文学和天体物理学,349，956-960。
  • McIntosh，S.W.、Charbonneau，P.和Brown，J.C.2000，天体物理学杂志,529, 1115-1130.
  • Billeres，M.、Fontaine，G.、Brassard，P.、Charpinet，S.、Liebert，J.、。，和Saffer，R.A.2000，检测p型脉动和可能的椭球亮度变化在热次矮星B恒星KPD 1930+2752中，天体物理学杂志,530, 441-453.
  • Doyle，J.G.、Teriaca，L.和Banerjee，D.2000，太阳过渡区线加宽：边到边测量，天文学和天体物理学,356, 335-338.
  • Bobinger，A.2000，日食遗传图谱和黑羊的优势，天文学和天体物理学,357, 1170-1180.
  • McIntosh，S.W.2000，关于利用诊断线比率推断差异排放测量，天体物理学杂志,533, 1043-1052.
  • Skartlien，R.和Rast，M.P.2000年，p型强度-速度相位差和对流源，天体物理学杂志,535, 464-472.
  • Peter，H.2000，太阳和恒星过渡区的多组分结构，天文学和天体物理学,360, 761-776.
  • T.J.哈里斯和Howarth，I.D.2000，共生恒星的光谱极化轨道：五个S型系统，天文学和天体物理学,361, 139-152.
  • Banerjee，D.、Teriaca，L.、Doyle，J.G.和Lemaire，P.2000，SUMER在SOHO上观测到的极地羽流和云间区域，太阳物理学,194, 43-58.
  • Metcalfe，T.S.，Nather，R.E.，和Winget，D.E.2000，基于遗传算法的空间地震分析DBV白矮星GD358，天体物理学杂志,545, 974-981
  • Metcalfe，T.S.，Winget，D.E.和Charbonneau，P.2001，白矮星地震学对12C（α，γ）16O的初步限制，天体物理学杂志,557, 1021-1027
  • Theis，Ch.和Kohle，S.，2001年，相互作用星系的多方法建模。一、NGC 4449的独特场景？天文学和天体物理学,370, 365-383.
  • 托雷斯，G.2001，非倾斜双星SS Lacertae倾角的变化：未来的日食，天文学期刊,121, 2227-2238.
  • Peter，H.2001，色球到日冕过渡区的性质太阳，天文学和天体物理学,374, 1108-1120.
  • Bartzakos，P.、Moffat，A.F.J.和Miemela，V.S.2001，麦哲伦云WC。WO Wolf-Rayet明星。二、。双星中的碰撞风，皇家天文学会月报,324, 33-50.
  • Severino，G.、Magri，M.、Oliviero，M.和Straus，Th。，和Jefferies，S.M.2001，太阳强度-速度交叉谱：对太阳地震学，天体物理学杂志,561, 444-449.
  • Gelino，D.M.、Harrison，T.E.和Orosz，J.A.，2001年，软X射线瞬态原型的多波长、多历元研究，V616 Monocerotis、，天文学期刊,122, 2668-2678.
  • 梅特卡夫，T.S.2003，白矮星星震学与12C（α，γ）16O速率，天体物理杂志（快报），正在印刷中。

请发送您在以非普通方式使用PIKAIA的情况下进行的任何工作的预印本/重印本。正如我们所说，我们很好奇。

7.错误报告

自1996年1月正式发布PIKAIA 1.0以来，用户报告了几个小错误和一些非小错误。所有当时注册的用户都收到了要采取的纠正措施的通知。以下是迄今为止发布的错误报告的原始文本。根据相应错误报告的发布日期，所有错误均已纠正，如下所示：

发布的相关报告1号1996年1月20日错误的申报顺序子程序报告2号1996年2月14日随机数初始化中的小错误3号1996年2月14日各种次要错误和一个非次要错误在一些示例驱动程序和适应度函数编号4 05/20/96随机数生成器例程

8.其他计算语言中的PIKAIA

多亏了PIKAIA用户的努力和慷慨，IDL和f90版本现在可以公开使用。Sarah Gibson制作了原版FORTRAN-77的IDL音译，可直接从单击此处。Scott McIntosh还制作了一个更精简、更高效的IDL版本，可以通过以下方式访问单击此处。Scott目前（2003年4月）正在修复一些剩余的零碎东西，但代码似乎运行正常。

对于FORTRAN-90版本，请访问Alan Miller的软件页面并向下滚动到Miscellaneous Software，查找皮开亚.f90

多亏了Travis Metcalfe的努力，PIKAIA的一个并行版本现在可以使用了。MPI和PVM中都有版本，可以在Travis找到并行PIKAIA网页. [技术细节：这些并行版本中只能使用全代替换复制计划，因为稳态计划很难以健壮高效的方式并行化].

9.参考文献和进一步阅读

关于子程序PIKAIA本身，请参见：

  • Charbonneau，P.，1995年，《天文学和天体物理学中的遗传算法》，天体物理学杂志（增刊）,101, 309 [摘要]
  • Charbonneau，P.和Knapp，B.1995，PIKAIA 1.0用户指南，NCAR技术说明418+IA（博尔德：国家大气研究中心）[目录]
  • Charbonneau，P.，2002，PIKAIA 1.2的发行说明，NCAR技术说明451+STR（博尔德：国家大气研究中心）[全文，附言]
  • Charbonneau，P.，2002，数值优化遗传算法导论，NCAR技术说明450+IA（博尔德：国家大气研究中心）[全文，附言]; 以前称为奥斯陆指南

关于一般的遗传算法，请参见：

  • Davis，L.1991年，遗传算法手册（纽约：Van Nostrand Reinhold）。
  • Goldberg，D.E.1989，搜索、优化和机器学习中的遗传算法（阅读：Addison-Wesley）
  • Holland，J.H.1975，自然和人工系统中的适应（安娜堡：密歇根大学出版社；1992年第二版，麻省理工学院出版社）
  • 米切尔，M.1996，遗传算法简介（剑桥：麻省理工学院出版社）
  • Baeck，T.1996年，遗传算法的理论与实践（牛津：牛津大学出版社）
  • Michalewicz，Z.1994，遗传算法+数据结构=进化程序（柏林：Springer）

最后，我们对涉及进化生物学相关方面的前五本书的选择并不是特别明智：

  • 道金斯，R.1986，盲眼钟表匠（纽约：W.W.诺顿）
  • Eldredge，N.1985，时间框架（纽约：西蒙和舒斯特）
  • Gould，S.J.1989，美好的生活（纽约：W.W.诺顿）
  • 梅纳德·史密斯，J.1989，进化遗传学（牛津：牛津大学出版社）
  • Stebbins，G.L.1966，有机进化过程（恩格尔伍德悬崖：普伦蒂斯·霍尔）

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