Evolutionsstrategie: Optimierung technischer Systeme nach Prinzipien der biologischen Evolution

180 Pages·1973·2.502 MB·German

by  Ingo Rechenberg

Ingo Rechenberg
Evolutionsstrategic
Nachwort von
Mantred Eigen

problemata
frommann-holzboog
Der Autor stellt seine Arbeit
aut den Seiten 5 und 6 in deutscher
und englischer Sprache vor.
Weitere Bande sind auf der zwei-
ten Umschlagklappe angezeigt.
Die Reihe ,problemata“ erscheint
seit 1971 und wird von Gunther
Holzboog herausgegeben. Sie ver-
steht sich als ein Marktplatz,
auf dem akute Probleme und In-
teressen offen — nach den Spiel-
regeln der Wissenschaft, aber
fre. von Fachgrenzen — verhan-
delt werden.
On p. 5 and 6 of this volume the
author gives a summary of his
work in English and in German.

Further volumes available in this
series are listed on the back flap
of the jacket.
The ,problemata“ series is edited
by Giinther Holzboog and has
been published since 1971. The
series ,problemata“ is intended
to be a forum for the discussion
of urgent problems and interests;
these are dealt with according
to the rules of scholarship,
while not, however, beeing re-
stricted within the bounds of
individual disciplines.
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Experimente
mit der
Evolutionsstrategie
Ein gelenkiges Plattensy-
stem entfaltet sich im Luft-
strom eines Windkanals
zu einem ebenen Brett. tt
Ergebnis: kleinster Stré- t
mungswiderstand.

Bei veranderter Randbe-
dingung verbiegt sich das
gleiche Plattensystem zu
einem S-Schlag-Profil.
Ergebnis: kleinster Stré-
mungswiderstand.

Ein biegsamer. Viertelkreis-
kriimmer verformt sich zu
einer bisher nicht bekann-
ten Optimalform. Ergeb-
nis: geringste Verluste der
Strémungsumlienkung.

Eine aus Segmenten zusam-
mengesetzte Zweiphasen-
Uberschalldiise entwickelt
sich zu einer unerwarteten
neuen Bestform. Ergebnis:
groBter Schub.

Ein pneumatischer Regler
erhalt seine gunstigste
Einstellung. Ergebnis: op-
timaler Verlauf des Ein-
schwingvorganges nach
einer Storung.
Ingo Rechenberg 5F0or0s0c huBnrag szekne Nuomt e“ Btrlauugnshcahtweeing
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Optimierung technischer Systeme
nach Prinzipien
der biologischen Evolution
oth
mit einem Nachwort von
Manfred Eigen AGA ZO
problemata
trommann-holzboog 15
Meinen Eltern
In der Reihe problemata kann zum selben Problem eine Monographie, Anthologie
und ein Essay-Band erscheinen.
© Friedrich Frommann Verlag (Giinther Holzboog KG.)
Stuttgart-Bad Cannstatt 1973
ISBN 3 7728 0373 3 (Ln.) ISBN 3 7728 0 374
Ingo Rechenberg, Dr.-Ing., Professor fiir das Fachgebiet Bionik und
Evolutionstechnik am Institut fiir Me8- und Regelungstechnik (Fachbe-
reich Verfahrenstechnik) der Technischen Universitat Berlin.
Es wird die Hypothese aufgestellt, dafi die biologische Evolutions-
methode eine optimale Strategie zur Anpassung der Lebewesen an ihre
Umwelt darstellt. Deshalb sollte es sich lohnen, Prinzipien der biologischen
Evolution auch zur Optimierung technischer Systeme heranzuziehen.
Laboratoriums-Experimente zeigen, daf sich bereits das einfache biolo-
gische Prinzip von Mutation und Selektion mit Erfolg zur Entwicklung
stromungsginstiger Kérperformen anwenden lift. Kopiert man die Ver-
erbungsregeln genauer, so lat sich die Wirksamkeit der Evolutionsstra-
tegie noch erheblich steigern.
AnschlieSend wird eine Theorie vorgestellt, die auf der Annahme auf-
baut, dafi die Qualitaét eines technischen Systems und die Tauglichkeit
eines Lebewesens austauschbare Begriffe darstellen. Das Ergebnis ist eine
Formel fiir die Konvergenzgeschwindigkeit der Evolutionsstrategie. Diese
Formel wird dann benutzt, um die Evolutionszeit zum Erreichen des heu-
tigen Entwicklungsstandes héherer Lebewesen mathematisch abzuschit-
zen.
The biological method of evolution is postulated to be an optimal
strategy to adapt organisms to their environment. Therefore it may be
promising to optimize engineering systems applying principles of biologi-
cal evolution.
Laboratory experiments demonstrate that the simple biological me-
chanism of mutation and selection can be used successfully to evolve
optimal systems in the field of fluid dynamics. A better imitation of the
hereditary rules of higher organisms considerably improves the effective-
ness of the evolutionary strategy.
Finally a theory is developed, which is based upon the assumption,
that the quality of an engineering system can be compared with the
)
fitness of a living organism. It results in a formula for the rate of conver-
gence of the evolutionary strategy. This formula is then used to calculate
the time of evolution required for the transition from the first living
cell to present-day species.
Inhaltsverzeichnis
VOLWOMtT. 2ce nn t enn ees 9
Einleitung:
1. Biologie, Technik und Evolution........00.. ....0.00. .08. 13
Teil A:
Vereinfachte technische Nachahmung des biologischen Evolutionsvor-
ganges
2. Das Mutations-Selektions-Prinzip.....00...00. .ee.e. e.e.e 19
3. Wariabilitat der Versuchsobjekte...................000005. 23
4, Optimierungsversuche mit dem Mutations-Selektions-Verfahren.. 25
5. Folgerungen ausdenErgebnissen ...............-0ee0e0 e+e. 40
Teil B:
Hohere Nachahmungsstufen der biologischen Evolution
6. Modelldarstellung eines Entwicklungsvorganges in Biologie und
Technik. 2.0.0... 00. octe en ens 45
6.1 Der technische Variablenraum ................ 00000005 45
6.2 Der biologische Variablenraum ............ 0.0... 005 49
7. Zwischenbetrachtung zur Konvergenz des Mutations-Selektions-
PLINZIPS. eee 57
7.1 Der optimale Code... 2.2... 6... cee eee eee 57
7.2 Tauglichkeitsdichtefeld und Phylogenie ................ 61
8. Strategien der technischen und biologischen Entwicklung. ..... 63
8.1 Die technische Methode der Optimierung............... 64
8.2 Die biologische Methode der Optimierung.............. 70
9. Programm der erweiterten Evolutionsstrategie............... 78
10. Erster Testversuch mit der erweiterten Evolutionsstrategie .... 83
11. Mehrgliedrige Evolution zur technischen Optimierung........ 87
Teil C:
Zur Theorie der Evolutionsstrategie
12. Aufgabe der Theorie .......0..0.00. .cec.e .ee.e .ea e 91
13. Konvergenz des Mutations-Selektions-Verfahrens............ 92
14. Fortschrittsgeschwindigkeit des Mutations-Selektions-Verfahrens . 100
14.1 Das Korridormodell .........0.000. .c .ce.ce. e0e0ns 104
14.2 Das Kugelmodell.........00. c.c.c. 0c0ec0e .0e0ee 115
15. Optimales Fortschreiten beim Korridor- und Kugelmodell .... 120
16. Vergleich des Mutations-Selektions-Verfahrens mit der Gradien-
tenstrategie. ccccece eee eeen 123
Schluf:
17. Zusammenfassung ...0..0..00 ..... es 131
18. Die lernende Population .....0.000..... c.ece. e.ee .eee ee 132
19. Das Evolutionsfenster .......00.00. c.ec.e 0ce c.cc.ce 0eee . 137
20. Evolutionsdauer und Entwicklungshéhe................... 141
21. Nachtrag 2... cece eee neneey 145
Nachwott ....... 0000 o ccc ccc cece cece ccc cece. 151
Schrifttum 2.2.0.0... 000000000 occ ccc ccc cece eee 155
Register 000.00. e cece cece e eee, 161