Evolutionsstrategien als technische Optimierungsverfahren

Inhaltsverzeichnis

II Abbildungsverzeichnis

III Tabellenverzeichnis

IV Formelverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Zielsetzung
1.2 Aufbau der Arbeit

2 Evolutionstheorie
2.1 Evolutionsforschung
2.2 Evolutionstheorie von Charles Darwin
2.3 Gemeinsame Abstammung aller Lebewesen
2.4 Anpassung der Arten an die Umweltbedingungen
2.5 Survival of the fittest: Mutation, Selektion und Adaption

3 Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren
3.1 Definition und Entwicklung der Evolutionsstrategie
3.2 Basisalgorithmen
3.3 Starke und schwache Kausalität
3.4 Zentrales Gesetz des evolutionären Fortschritts
3.5 Zufallszahlen oder Pseudozufallszahlen

5 Zusammenfassung

V Literaturverzeichnis

VI Internetverweise V

VII Anhang: Praxisbeispiele der Evolutionsstrategie
i. Beispiel 1: Optimierung 90° Rohrkrümmer
ii. Beispiel 2: Produktionssteuerung
iii. Beispiel 3: Querbalken einer Portalfräsmaschine

II Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Stammbaum der Primaten

Abbildung 2 Artenentstehung - Darwinfinken

Abbildung 3 Das zentrale Fortschrittsgesetz der Evolutionsstrategie - Darwinweg

Abbildung 4 Zentrale Fortschrittsgesetz der Evolutionsstrategie

Abbildung 5 Darstellung der Ausgangssituation - 90° Rohrkrümmer

Abbildung 6 Schematische Darstellung der Ausgangssituation - 90° Rohrkrümmer

Abbildung 7 Optimierungsprozess - 90° Rohrkrümmer

Abbildung 8 Darstellung der Optimierungsergebnisse - 90° Rohrkrümmer

Abbildung 9 Simulationsmodell - Produktionssteuerung

Abbildung 10 Querbalken einer Portalfräsmaschine

III Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Basisalgorithmen der Evolutionsstrategie

Tabelle 2 Erweiterung der Basisalgorithmen

Tabelle 3 Vergleich Evolutionstheorie und Evol utionsstrategie

Tabelle 4 Parameter - Produktionssteuerung

Tabelle 5 Ergebnisse der Materialflusssimulation mit konstanten Werten - Produktionssteuerung

IV Formelverzeichnis

Formel 2 Fortschrittgeschwindigkeit

1 Einleitung

Unseren Planeten gibt es seit knapp vier Milliarden Jahren.¹ Die Natur hat in dieser Zeit Antworten auf nahezu alle Fragen des Lebens entwickelt und optimiert. Auch viele technische Errungenschaften, wie Sonar und Propeller, sind natürlichen Vorbildern entsprungen und haben ihren Ausgangspunkt in der Natur. Mit der Übertragung natürlicher Phänomene auf die Technik beschäftigt sich die Bionik, um ökologische und optimierte Lösungen abzuleiten.² Die Bionik ist als Wissenschaft noch recht jung und es werden ihr verheißungsvolle Potenziale zugeschrieben, da die Rechenleistung der Computer stark zugenommen hat.³

Im Laufe der Zeit verändern sich Lebewesen, Pflanzen und Tiere, und passen sich ihrer Lebenswelt immer besser an. Darwins Evolutionstheorie beschreibt u.a. diesen Prozess. Er beschäftigt sich zudem mit der natürlichen Auslese, wobei Änderungen im Erbgut über zufällige Rekombination an die Nachkommen vererbt werden.⁴

Um konkurrenzfähig zu bleiben, gilt es auch Produkte, Dienstleistungen und Prozesse kontinuierlich zu verbessern. Die Evolutionsstrategie, die auf den Prinzipien der Evolutionstheorie aufbaut, bietet hierzu eine Möglichkeit.⁵ Ähnlich wie in der Natur Pflanzen und Tiere anhand den entsprechenden Randbedingungen und Faktoren „optimiert“ werden, lässt sich dieser evolutionäre Prozess auf Produkte und Prozesse übertragen.⁶

1.1 Zielsetzung

Die Ausarbeitung thematisiert die Evolutionstheorie von Darwin und die aus ihr abgeleitete Evolutionsstrategie als bewusst geplante Optimierungsstratege für technische Produkte und Prozesse.

Ziele hierbei sind die Erläuterung der Evolutionstheorie von Charles Darwin in allen Einzelheiten und die Beschreibung und Erklärung der Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren. Hierzu gehört die Entwicklung der Evolutionsstrategie, die Darstellung der Basis-Algorithmen der Evolutionsstrategie, die Bedeutung von schwacher und starker Kausalität sowie die Erklärung des zentralen Gesetzes des evolutionären Fortschritts sowie die ihm zugrunde liegende Bedingung. Zudem wird betrachtet, ob es sich bei dem Optimierungsverfahren um echte Zufallszahlen oder Pseudozufallszahlen handelt. Die Stärken, Schwächen und Unterschiede zur Evolutionstheorie der Evolutionsstrategie werden herausgearbeitet und abschließend erfolgt die Beschreibung von drei praktischen Anwendungen der Evolutionsstrategie.

1.2 Aufbau der Arbeit

Nach dem ersten einleitenden Kapitel befasst sich das zweite Kapitel mit der Evolutionstheorie von Charles Darwin. Zunächst wird hierbei ein Blick auf die Evolutionsforschung geworfen. Daraufhin erfolgt die Einführung in die eigentliche Evolutionstheorie und deren Vertiefung. Das dritte Kapitel hat das Thema der Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren und deren wesentliche Merkmale und Annahmen sowie die Stärken und Schwächen. Im darauffolgenden Kapitel vier wir die Evolutionstheorie mit der Evolutionsstrategie verglichen. Im abschließenden sechsten Kapitel erfolgen eine Zusammenfassung und kritische Reflexion der erarbeiteten und dargelegten Ergebnisse.

Aufgrund des begrenzten Rahmens der Ausarbeitung werden die eigentlich elementaren Beispiele für Anwendungen der Evolutionsstrategie im Anhang vorgestellt.

2 Evolutionstheorie

In diesem Kapitel wird die Evolutionstheorie von Charles Darwin betrachtet. Hierbei wird zunächst ein Blick auf die Evolutionsforschung geworfen. Daraufhin wird die Evolutionstheorie und deren Vertiefung beschrieben.

2.1 Evolutionsforschung

In der Biologie ging man bis zu den Anfängen des 18ten Jahrhunderts davon aus, dass ein natürliches System ein statisches Gebilde ist, das keine Arten neu entstehen oder bestehende Arten verändern lässt. Doch die Zweifel in der Wissenschaft an der Unveränderlichkeit der Arten mehrten sich zum Ende des 18ten Jahrhunderts.⁷ Lamarcks Werk „Philosophie Zoologique“ erregte neben vereinzelten Forschen im Jahr 1809 als eine der ersten systematischen Evolutionstheorien breites Aufsehen.⁸ Er ging davon aus, dass sich Organismen aktiv an ihre Umwelt anpassen. Durch die Bewegung von Gasen und Flüssigkeiten sowie erregende Ursachen, wie Licht, Wärme und Elektrizität, bilden und umbilden sich Organe. Seiner Ansicht nach, wird die Evolution durch eine Tendenz zu immer größerer Komplexität angetrieben bis hin zur Spitze, wo die am höchsten entwickelten Lebewesen stehen. Aus unbelebter Materie bilden sich mikroskopisch kleine Organismen. Nach Lamarcks Glaube richtet sich die Evolution nach den innersten Bedürfnissen der Lebewesen. Der Lamarckismus besagt, dass Körperteile, die intensiv genutzt werden, sich weiterentwickeln und solche, die nicht genutzt werden, verkümmern.⁹ So entstandene positive Veränderungen waren erblich und wurden daher auf die nächste Generation übertragen. Eigenschaften und Verhaltensweisen wurden so genetisch erklärbar.¹⁰ Lamarcks Theorie ist mittlerweile widerlegt.¹¹ Sie war jedoch ein wesentlicher Ausgangspunkt für die Erkenntnisse der Vererbung von bestimmten, sich als vorteilhaft herausstellenden Merkmalen.

2.2 Evolutionstheorie von Charles Darwin

Charles Darwin (1809 - 1882) wurde im gleichen Jahr in Shrewbury (West-England) geboren als Lamarck seine Theorie veröffentlichte. Auf Anweisung seines Vaters, der ein sehr angesehener Arzt war, begann Darwin mit 16 Jahren ein Medizinstudium an der Universität Edinburgh. Dieses beendete er jedoch vorzeitig ohne Abschluss, da er sich für die Medizin nicht begeistern konnte. Daraufhin schrieb er sich am Christ College zum Theologiestudium ein, was er erfolgreich nach drei Jahren im Jahr 1831 abschloss. Fast alle Naturwissenschaften waren damals eng mit der Welt der Theologie verflochten. Sein Professor für Botanik, John Stevens Henslow, riet ihm zu einer Forschungsreise auf dem Forschungsschiff Beagle, das unter Kapitän Fritz Roy von Plymouth, England aus zu einer Weltumsegelung vorbereitet wurde. Darwin begab sich mit 22 Jahren auf die fünf Jahre dauernde Reise. Die Vermessung der südamerikanischen Küste, um so die Seekarten der britischen Marine aktualisieren zu können, war das Ziel der Reise.¹²

Zu diesem Zeitpunkt war Darwin selbst noch von der Konstanz der Arten überzeugt. Er beobachtete auf seiner Reise, wie sich unterschiedliche Lebewesen an die verschiedenen Lebensräume, wie der Dschungel oder Hochlagen der Anden, anpassen. Zudem bemerkte er, dass sich Tiere und Pflanzen in Südamerika von denen in Europa unterschieden. Seine Feststellung, dass Flora und Fauna aus den gemäßigten Zonen Südamerikas denen aus den südamerikanischen Tropen ähnlicher waren als die Tiere und Pflanzen aus vergleichbaren Klimazonen Europas, war noch bemerkenswerter. Zudem fand er Fossilien, die sich zwar erheblich von heutigen Lebewesen unterschieden, jedoch gewisse Ähnlichkeiten mit ihnen aufwiesen.¹³

Ein Schlüsselereignis war für Darwin der Besuch der Galapagos Inseln. Dort fand er u.a. finkenähnliche Vogelarten. Diese hatten zwar eine große Ähnlichkeit mit Vogelarten auf dem südamerikanischen Festland, kamen jedoch nur auf den Galapagos Inseln vor. Seine Vermutung war, dass sie sich versehentlich vom Festland auf die Galapagos Insel verirrt und sich danach auseinanderentwickelt haben.¹⁴ Da sich Darwin nicht sicher war, ob die Galapagos-Finken verschiedene Arten oder lediglich Varianten einer Art waren, beauftragte er nach seiner Rückkehr nach England Vogelkundler. Diese kamen zu dem Ergebnis, dass die Finken verschiedene Arten waren.¹⁵ Zu einer Art gehören alle Lebewesen und Populationen, die untereinander ohne künstlichen Eingriff fortpflanzungsfähige Nachkommen erzeugen.¹⁶

Seine Erkenntnisse und das Werk „Principles of Geology“ von dem damals führenden Geologen Charles Lyell weckten in ihm Zweifel an der kirchlichen Lehre. Diese besagte, dass die Erde erst wenige tausend Jahre alt war. Darwin wurde bewusst, dass die Erde deutlich älter sein muss und sich zudem stetig verändert, wie auch das Leben sich ständig verändert. In der damaligen Zeit war es ein heikles Unterfangen eine solche Erkenntnis kundzutun. Aufgrund der Angst vor der Brisanz, die sein Werk zu der damaligen Zeit beinhaltete, veröffentlichte Darwin seine Theorie erst 23 Jahre nach seiner Weltreise auf der Beagle.

2.3 Gemeinsame Abstammung aller Lebewesen

Im Jahr 1859 erschien Darwins Werk „Die Entstehung der Arten“, indem er die Entwicklung der unterschiedlichen Arten aus einer einzigen beschreibt. Diese Entwicklung vergleicht er mit der Struktur eines Baumes mit einem Stamm und vielen Ästen, die sich immer weiter verzweigen und frische, junge Triebe, die gegenwärtigen Lebewesen, hervorbringen (Vgl. Abbildung 1). Jede Astgabel stellt eine neue Art dar und hat einen gemeinsamen Vorfahren. Durch viele gemeinsame Merkmale lassen sich verwandte Arten identifizieren, bspw. Pferd und Esel. Es gibt jedoch auch ähnliche Merkmale, die sich unabhängig voneinander entwickeln, bspw. die Stromlinienform von Fischen und Delfinen. Hierbei führen äußere Bedingungen, wie das schnelle Fortkommen im Wasser, zur Entstehung dieser Merkmale. Diese Herausgestaltung ähnlicher Merkmale trotz fehlender naher Verwandtschaft der Arten, nennt man Konvergenz.¹⁷

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Stammbaum der Primaten¹⁸

2.4 Anpassung der Arten an die Umweltbedingungen

Eine wesentliche Erkenntnis von Darwin war, dass es einen Zusammenhang zwischen veränderten Umweltbedingungen und der Entstehung neuer Arten geben muss. Eine neue Art entsteht demnach durch die Anpassung einer bereits bestehenden Art an die veränderte Umwelt. Lebewesen einer Art werden sich durch andere Umweltbedingungen und geografische Trennung über Generationen immer unähnlicher, bis sie sich letztlich so weit voneinander entfernt haben, dass sie verschiedene Arten darstellen. Es hat eine reproduktive Isolation stattgefunden.¹⁹ Die Aufspaltung der Art nennt man Kladogenese und Darwin beschreibt den Vorgang als Descendenz mit fortlaufender Abänderung.²⁰

Auch bei den Finken, die Darwin von den Galapagos Inseln mitbrachte, unterschieden sich bspw. die Schnäbel dahingehend voneinander, je nachdem welche Nahrungsquellen auf ihren Heimatinseln verfügbar waren.²¹ Darwin vermutet, dass sie alle auf eine einzige Stammform zurückgehen, die vor zwei bis drei Millionen Jahren im Späten Tertiär vom Festland auf eine Galapagos Insel verschlagen worden ist (siehe Abbildung 2). 1999 hat sich diese Vermutung durch biochemische und molekularbiologische Untersuchungen bestätigt.²²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Artenentstehung - Darwinfinken²³

Die Anpassung ist jedoch nur ein Nebenprodukt der natürlichen Auslese (Selektion). Es darf nicht darauf geschlossen werden, dass Lebewesen eine angeborene Eigenschaft haben, ständig vollkommener zu werden.²⁴ Anpassung ist ein rein passiver Vorgang. Lebewesen passen sich nicht an, sondern werden angepasst.²⁵

2.5 Survival of the fittest: Mutation, Selektion und Adaption

Eine der wesentlichen Faktoren der Darwinschen Evolutionstheorie ist die natürliche Auslese (Selektion). In dem ständigen Konkurrenzkampf, Struggle of life, überleben nur diejenigen, die durch Zufall besser angepasst sind als ihre Artgenossen, Survival of the fittest.²⁶ Alle Arten verfügen über ein so hohes Fortpflanzungspotenzial, dass, wenn sich alle Nachkommen ebenfalls erfolgreich fortpflanzen könnten, die Populationen sämtlicher Arten exponentiell zunehmen würde. In den meisten Fällen bleibt die Fortpflanzung jedoch recht stabil, dadurch, dass es natürliche Feinde gibt und die Lebensbedingungen dahingehend begrenzt sind, dass die Umwelt nicht alle Nachkommen tragen kann. Den Kampf ums Überleben und dem Veränderungswettbewerb kann in jeder Generation nur ein Bruchteil der Individuen durchstehen und sich fortpflanzen. Innerhalb einer Population sind nicht alle Individuen identisch, denn sie verfügen über leicht unterschiedliche, von den Eltern vererbte Merkmale. Einen komparativen Vorteil besitzen Individuen, die von ihren Eltern Eigenschaften vererbt bekommen haben, die sie besser an die vorherrschende Umwelt anpasst. Dieser Prozess ist fortlaufend und entwickelt sich von Generation zu Generation weiter. Letztlich verbleiben die Individuen mit den höchsten Überlebens- und Fortpflanzungschancen, die in der betreffenden Umwelt am besten zurechtkommen (Survival of the fittest). Es ist zu beachten, dass nicht jedes Merkmal vererbbar ist. Bspw. können erworbene Eigenschaften nicht vererbt werden.²⁷

Ein Kampf ums Dasein ist unvermeidlich, da mehr Individuen erzeugt werden (Reproduktion) als möglicherweise fortbestehen können.²⁸ Jede Anpassung (Mutation) kann dabei eines oder mehrere Probleme lösen.²⁹ Anpassungen werden in der Biologie als genetisch bedingte Anpassungen bezeichnet, die durch Mutation und Selektion entstehen.³⁰ Demnach sind Mutationen die Ursache für die Veränderungen und Treiber der Evolution.³¹ Diese Änderungen schreibt Herbert Spencer 1852 in seiner „Schöpfung und Entwicklung organischer Wesen“ dem Wechsel der Umstände zu.³² Lebewesen erfahren Änderungen wenn sie neuen Lebensbedingungen ausgesetzt sind. Die Anpassung ist somit ein Nebenprodukt der Selektion.³³ Zudem sind Nachkommen der gleichen Eltern nie identisch. Diese Verschiedenheiten werden oft vererbt und liefern der natürlichen Zuchtwahl Material zur Einwirkung und zur Häufung.³⁴ Die Natur strebt nach der Erhaltung vorteilhafter Abänderungen und der Vollkommenheit, sodass bei der natürlichen Zuchtwahl meist die Wahl auf die überlegensten Individuen fällt und überflüssige Merkmale weniger oft vererbt werden, sodass diese nach und nach verschwinden.³⁵ Für die natürliche Zuchtwahl ist die Erblichkeit unerlässlich und die Divergenz der Charaktere wird gefördert.³⁶ Der Gradualismus sagt aus, dass jene Divergenz in einem langsam fortschreitenden Wandel mit nur geringen Veränderungen von statten geht.³⁷ Damit spricht sich Darwin gegen eine sprunghafte Änderung der Arten aus (Salationismus) und übernimmt die Theorie der Geologie.

3 Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren

Das dritte Kapitel beinhaltet das Thema der Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren und deren wesentliche Merkmale und Annahmen. Zudem wird auf die Stärken und Schwächen des Verfahrens eingegangen.

3.1 Definition und Entwicklung der Evolutionsstrategie

Bionik ist eine Wortkomposition aus Biologie und Technik. Das Ziel der Bionik ist, durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die an biologischen Vorbildern gewonnen werden, technische Fragestellung zu lösen.³⁸ Basierend auf der Vielfalt der biologischen Vorbilder ergeben sich dadurch enorme Antwortmöglichkeiten auf technische Fragestellungen.³⁹

Die Evolutionsstrategie lässt sich von der Evolution natürlicher Lebewesen inspirieren und ist im Bereich der Informationsbionik (Untergruppe der Evolutionsbionik) zu finden. Mithilfe von stochastischen und metaheuristischen Optimierungsverfahren werden Lösungen für bestimmte Probleme entwickelt. Es handelt sich um ein naturanaloges Optimierungsverfahren.⁴⁰

Von den Wissenschaftlern Ingo Rechenberg und Hans-Paul Schwefel von der Technischen Universität Berlin wurde die Evolutionsstrategie im Jahr 1964 entwickelt.⁴¹ Als Richtlinie zur Entwicklung seiner Evolutionsstrategien nutzt Rechenberg die biologische Evolution. Ähnlich wie bei Charles Darwin Evolutionstheorie, die sich auf die beiden Mechanismen Variation und Selektion stützt, können Prinzipien, die für die biologische Evolution Gültigkeit haben, auch als technische Optimierungsverfahren eingesetzt werden.

Die Evolutionsstrategie geht nach folgenden vier Schritten vor:

1. Definition der Variablen, die bei dem zu optimierenden Objekt verändert werden können.
2. Zufällige Variation dieser Variablen innerhalb bestimmter Größen.
3. Bewertung der Ergebnisse und Auswahl derjenigen, die dem Optimierungsziel am nächsten kommen.
4. Wiederholung des Vorgangs so lange bis ein vorab definiertes Abbruchkriterium erreicht wurde.⁴²

[...]

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¹ Vgl. Bertram (2019): S. 126.

² Vgl. Nachtigall / Pohl (2013): S. 1.

³ Vgl. Liggieri / Müller (2019): S. 241.

⁴ Vgl. Seiler (2012): S. 2.

⁵ Vgl. Herstatt / Kalogerakis / Schluthess (2014): S. 156.

⁶ Vgl. Nachtigall / Wisser (2013): S. 26 ff.

⁷ Vgl. Wiesenmüller / Rothe / Henke (2003): S. 4.

⁸ Vgl. Lamarck (1809): o.S.

⁹ Vgl. Lefèvre (2001): S. 176 ff.

¹⁰ Vgl. Lefèvre (2001): S. 176 ff.

¹¹ Vgl. Lehnert et. al. (2018): S. 11.

¹² Vgl. Hoßfeld / Olsson (Hrsg.)(2014): S. 101.

¹³ Vgl. Reece et. al. (2014): S. 604 ff.

¹⁴ Vgl. Reece et. al. (2014): S. 604 ff.

¹⁵ Vgl. Storch / Welsch / Wink (2013): S. 24 f.

¹⁶ Vgl. Plaxco / Groß (2012): S. 5.

¹⁷ 17 Vgl. Vollmer (2007): S. 237.

¹⁸ 18 Wiesenmüller / Rothe / Henke (2003): S. 7.

¹⁹ Vgl. Begon / Howarth / Townsend (2017): S. 51.

²⁰ Vgl. Darwin (2016): S. 240 ff.

²¹ Vgl. Der Tagesspiegel (2006): online im Internet.

²² Vgl. Darwin (1871): S. 49 ff.

²³ Vorarlberger Bildungsserver (Hrsg.)(o.J.): online im Internet.

²⁴ Vgl. Mayr (2003): S. 188 f.

²⁵ Vgl. Laue (2010): S. 105.

²⁶ Vgl. Darwin (1860): S. 138.

²⁷ Vgl. Darwin (2013): S. 158.

²⁸ Vgl. Darwin (1860): S. 62.

²⁹ Wrede / Wrede (2013): S. 58.

³⁰ Vgl. Zrzavy et. al. (2013): o.S.

³¹ Vgl. Wrede / Wrede (2013): S. 70.

³² Vgl. Darwin (2016): S. 6.

³³ Vgl. Mayr (2003): S. 188 f.

³⁴ Vgl. Darwin (2016): S. 53 f.

³⁵ Vgl. Darwin (2016): S. 107 & Darwin (2016): S. 187.

³⁶ Vgl. Darwin (2016): S. 126.

³⁷ Vgl. Biesalski (2015): S. 4.

³⁸ Vgl. VDI-Gesellschaft of Life Sciences (Hrsg.)(2012): o.S.

³⁹ Vgl. Stober (2018): online im Internet.

⁴⁰ Vgl. Di Chio et. al. (2012): o.S.

⁴¹ Vgl. Rechenberg, I. (1973): o.S.

⁴² Vgl. Pohlmann (2013): S. 15 ff.