GPTIPSpy : A Python module for genetic programming

Abstract

Αυτή η διατριβή παρουσιάζει το GPTIPSpy, μια υλοποίηση της βιβλιοθήκης GPTIPS2 του MATLAB για συμβολική παλινδρόμηση, ως πακέτο Python. Οι τεχνολογικές εξελίξεις έχουν επιτρέψει στους ερευνητές να συλλέγουν πολλά δεδομένα από μετρήσεις μεταβλητών σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλόντων. Ωστόσο, αυτές οι ακατέργαστες μετρήσεις δεν συνιστούν επιστημονική γνώση, καθώς η επεξεργασία αυτών των δεδομένων είναι απαραίτητη ώστε να προκύψει επιστημονική γνώση. Η τεχνητή νοημοσύνη και η μηχανική μάθηση βοηθούν τους ερευνητές να αποκαλύψουν την σχέση μεταξύ των μεταβλητών ενός υπό μελέτη συστήματος, παράγοντας γνώση μέσα από την ανάλυση των δεδομένων με τη χρήση μιας ποικιλίας τεχνικών. Μία από αυτές τις τεχνικές είναι η συμβολική παλινδρόμηση, η οποία στοχεύει στην ανακάλυψη μαθηματικών εκφράσεων που συσχετίζουν τις ανεξάρτητες μεταβλητές ενός συστήματος με μία εξαρτημένη μεταβλητή. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω μιας διαδικασίας παρόμοιας με τον γενετικό προγραμματισμό. Ξεκινώντας με έναν πληθυσμό εκφράσεων που έχουν παραχθεί με τυχαίο τρόπο, κάθε έκφραση βαθμολογείται με βάση το πόσο καλά προσεγγίζει την τιμή της εξαρτημένης μεταβλητής. Τα καλύτερα μέλη του πληθυσμού χρησιμοποιούνται ως δομικά στοιχεία για τη δημιουργία της επόμενης γενιάς από εκφράσεις, οι οποίες με τη σειρά τους αξιολογούνται και αποτελούν τη βάση για τη δημιουργία περαιτέρω γενεών, μέχρι να βρεθεί μια ικανοποιητική λύση. Το GPTIPSpy επιτρέπει στους ερευνητές να εκτελούν συμβολική παλινδρόμηση χρησιμοποιώντας έναν γενετικό αλγόριθμο σε Python. Οι ερευνητές μπορούν να προσαρμόσουν τον γενετικό αλγόριθμο στις δικές τους ανάγκες και έχουν στη διάθεσή τους ένα ευρύ φάσμα εργαλείων για την ανάλυση των αποτελεσμάτων του γενετικού αλγορίθμου μέσω οπτικοποίησης και διερεύνησης. Μετά την παρουσίαση της διαδικασίας ανάπτυξης του GPTIPSpy, παρουσιάζονται αποτελέσματα δοκιμαστικών εκτελέσεων, τα οποία αφενός επιβεβαιώνουν την ορθή λειτουργία τού και, αφετέρου, δείχνουν ότι το GPTIPSpy παράγει παρόμοια αποτελέσματα με το GPTIPS2, αλλά σε μικρότερους χρόνους επεξεργασίας, καθιστώντας το μια αποτελεσματική εναλλακτική λύση.