الحلقة 1 : خوارزمية محاكاة التلدين Simulated Annealing Algorithm

facebook-groupالسلام عليكم ورحمة الله وبركاته

عدنا من جديد لنتناول بالشرح والتفصيل خوارزمية اخرى من خوارزميات الذكاء الصناعي, الا وهي

خوارزمية محاكاة التلدين Simulated Annealing Algorithm

لقد عرضنا فيما سبق عدة خوارزميات, منها:

الخوارزميات الجينية Genetic algorithmgen

من الخوارزميات التطورية Evolutionary algorithms EA وهي مستوحاة من الاختيار الطبيعي وبيولوجيا الجينات – ذات اساس بيولوجي

خوارزميات Memetic algorithmdual-evolution-system - memetic algorithm ma

تبني ثنائية للتطور الجيني والثقافي مع بعضهم البعض

ذات اساس بيولوجي وثقافي اجتماعي

خوارزمية امثلة اسراب الطيور PSOswarm

مستوحاة من السلوك الطبيعي لاسراب الطيور

 

اما خوارزمية اليوم

محاكاة عملية التلدين Simulated Annealing SA

erlenmeyer-full-of-liquid-with-bubbles-md.png

في مستوحاة من الفيزياء والقوانين الفيزيائية

وتُستخدم خوارزمية محاكاة عملية التلدين في حل العديد من مسائل الأمثلة Optimization problems

حيث تعتمد الخوارزمية على طريقة عشوائية حسابية بهدف ايجاد الحلول القصوى extremum – العليا والدنيا – للعديد من مسائل الأمثلة.

 

ولكن بالبداية, وقبل الاستفاضة بالحديث عن الجوانب التقنية والرياضية للخوارزمية, دعونا بالبداية نشرح الاسس والقوانين الفيزيائية التي تم استيحاء الخوارزمية منها

 

عملية التلدين باختصار  Annealing

عندما نقوم بتسخين مادة صلبة الى درجة حرارة مرتفعة, ومن ثم نقوم بتبريدها, عندها فإن الخواص البنيوية structural properties لهذه المادة الصلبة سوف تتغير اعتمادا على معدل التبريد وسرعته.

فإذا بردنا الشكل السائل للمادة – بعد تسخينها – بشكل بطيء كفاية, عندها سنحصل على بنية كرستالية بلورية.

اما في حال تم تبريد المادة بشكل سريع, عندها لن تكون البنية الجديدة مثالية, اي غير بلورية.- مثل الزجاج

glass

الشكل يوضح فكرة التبلور والفرق بين الزجاج الغير متبلور وجزئيات مادة اخرى متبلورة في بنيتها

وكما هو واضح فإن عملية التبريد البطيء تعطينا بنية أفضل للمادة, وهو المطلوب محاكاته في خوارزميتنا هذه

كان هذا شرح مبسط جدا لعملية التلدين, اما الآن فسنقدم شرح اكتر دقة وتفصيلا لعملية التلدين  الفيزيائية

كيف تتم عملية التلدين Annealing Process

عندما يتم تسخين معدن في وعاء للانصهار, فإن طاقة المعدن الداخلية الحراريةinternal thermal energy تزداد مع التسخين, وتتحول حالة المعدن من الحالة الصلبة للحالة السائلة. عند هذه الحالة, تكون جزئيات molecules المعدن في اوضاع عشوائية وتتحرك بحرية وبسرعة عالية ضمن وعاء التسخين – كما هو موضح بالجزء a من الشكل رقم 1  ادناه.

1 introduction sa

سيتم الاشارة الى اجزاء هذا الرسم المختلفة فيما يلي ضمن هذه الحلقة, وذلك بحسب الاحرف المدرجة تحت كل جزء

بعبارة اخرى, فإن حالة الجزئيات – من حيث مواضعها وتحركها السريع – تزيد من الطاقة الداخلية الحرارية للمعدن thermal energy .

وبما انه يتم تحديد الطاقة الداخلية للمعدن بشكل عشوائي stochastically, وفقا لسلوك الجزيء, لذلك فإن الطاقة الداخلية تكون كبيرة, عندما درجة حرارته كبيرة بشكل كافي.

اذا انطلقنا من درجات حرارة مرتفعة – يتم تعريض المعدن لها, عندها اذا تم تبريد درجة حرارة المعدن بشكل بطيء, ستنخفض عندها طاقته الداخلية الحرارية internal thermal energy ايضا, بالرغم من انه قد تزداد في بعض الأحيان وفقا لقاعدة بولتزمان Boltzmann الاحتمالية, الموضحة ادناه, والتي تبين الاحتمالية الاخيرة بالزيادة.

Boltzmann Propability.JPG

 حيث ان

boltzmann delta.JPG : يمثل فرق الطاقة الحرارية بين الحالتين

T : درجة الحرارة المطلقة

KB : ثابت بولتزمان

————–

نتابع

عندما يتم تبريد المعدن, فإن سرعة حركة الجزئيات تنقص مع تناقص طاقتها الداخلية internal energy, كما هو موضح بالشكل 1-b.

وما تلبث ان تتحول حالةالمعدن الى الحالة الصلبة solid state مجددا, وتقل سرعة حركة الجزئيات اكثر فأكثر.

وبما ان عملية تبريد المعدن هي عملية محكومة بقوانين الديناميكا الحرارية العشوائية stochastic thermodynamics, فإن الحالة النهائية للجزئيات – المواضع – يتم تحديدها بشكل عشوائي وفقا لسلوك الجزئيات او سرعة برودتها.

في حال تم تبريد المعدن بشكل سريع, عندها تكون الحالة النهائية للمعدن غير متبلورة وغير منتظمة amorphous – مثل الزجاج

c5fd9d0c-9082-4c43-b017-7598b800cbea

في الحالة الصلبة المتبلورة – إلى اليمين – تنتظم جزيئات المادة بشكل متجانس يتخذ نمط متكرر، إنه ذلك الجزيء سداسي الشكل هو ما يتكرر في كل مكان بالبلورة، على عكس الحالة الصلبة اللابلورية -إلى اليسار- التي تتوزع بشكل عشوائي بحيث لا يمكن أن نلاحظ أي نمط متكرر ومنتظم

 

اما في حال تم تبريد المعدن بشكل بطيء جدا, عندها نحصل على حالة ارضية ground state, وتكون متبلورة Crystal, حيث تكون كل الجزئيات مصفوفة بشكل منتظم كما هو موضح بالجزء رقم 1-c  من الرسم.

 تدعى عملية تسخين المعدن, ومن ثم تبريده بهذه الطريقة باسم التلدين annealing.

———————-

ارجو ان تكون القوانين الفيزيائية – التي تم استيحاء الخوارزمية منها – قد توضحت.

والى لقاء في الحلقة القادمة التي سنشرح خلالها هذه الخوارزمية.

والى ذلك الحين استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته

مع تحيات

م. نور الصباحي

سلسلة الحلقات

  1. خوارزمية محاكاة التلدين – الحلقة الاولى
  2. خوارزمية محاكاة التلدين – الحلقة الثانية
  3. خوارزمية محاكاة التلدين – مثال – الحلقة الثالثة
  4. خوارزمية محاكاة التلدين – برنامج التبريد – الحلقة الرابعة
  5. خوارزمية محاكاة التدلين – التطبيقات – الحلقة الخامسة والاخيرة
المصطلح الترجمة
Simulated Annealing محاكاة التلدين
molecules الجزيئات
internal thermal energy الطاقة الداخلية  الحرارية
stochastically بشكل عشوائي
algorithm خوارزمية
Crystal   بلوري
amorphous غير متبلور
thermodynamics الديناميك الحراري
annealing التلدين
Optimization problems مسائل الأمثلة
 solid state الحالة الصلبة
 Liquid state الحالة السائلة
stochastic computational method طريقة عشوائية حسابية

 

 

المراجع

Simulated Annealing Algorithms

http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/binder/node87.html

The Simulated Annealing Algorithm

http://katrinaeg.com/simulated-annealing.html

SIMULATED ANNEALING APPLICATIONS

K. Nara

Ibaraki University

/2-1 Nakanarusawa 4 Chome

Hitachi 316-8511 JAPAN

An Introduction to Simulated Annealing

https://www.aero.iitb.ac.in/~rkpant/webpages/DefaultWebApp/salect.pdf

Simulated Annealing

Link to download pdf document

https://www.google.com.tr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiawauM0c3VAhUDaVAKHc1nCp4QFghZMAc&url=http%3A%2F%2Fwww.springer.com%2Fcda%2Fcontent%2Fdocument%2Fcda_downloaddocument%2F9783319411910-c2.pdf%3FSGWID%3D0-0-45-1579890-p180080441&usg=AFQjCNE6X9vSDzVMyd4JATIbyOIsuWH1DA

Simulated Annealing

Link to download word document

https://www.google.com.tr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=10&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiawauM0c3VAhUDaVAKHc1nCp4QFghkMAk&url=http%3A%2F%2Fwww.cs.nott.ac.uk%2F~pszgxk%2Faim%2Fnotes%2Fsimulatedannealing.doc&usg=AFQjCNFlbfpKGnne-ZnM137yivTkepFZfA

 

 

Advertisements

, , , , ,

  1. أضف تعليق

اترك رد

Please log in using one of these methods to post your comment:

WordPress.com Logo

أنت تعلق بإستخدام حساب WordPress.com. تسجيل خروج   / تغيير )

صورة تويتر

أنت تعلق بإستخدام حساب Twitter. تسجيل خروج   / تغيير )

Facebook photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Facebook. تسجيل خروج   / تغيير )

Google+ photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Google+. تسجيل خروج   / تغيير )

Connecting to %s

%d مدونون معجبون بهذه: