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标题: 模拟退火算法 [打印本页]

作者: xttataat    时间: 2012-1-13 19:16
标题: 模拟退火算法
刚下载的。觉得没有必要做附件,直接贴出来共享。不过还是感谢之前的分享着。- L+ P0 q- g0 L1 `2 D5 y, y

8 r8 F* b+ c8 Q$ R; a模拟退火算法" X6 t. I6 s4 z; Y
  模拟退火算法来源于固体退火原理,将固体加温至充分高,再让其徐徐冷却,加温时,固体内部粒子随温升变为无序状,内能增大,而徐徐冷却时粒子渐趋有序,在每个温度都达到平衡态,最后在常温时达到基态,内能减为最小。根据Metropolis准则,粒子在温度T时趋于平衡的概率为e-ΔE/(kT),其中E为温度T时的内能,ΔE为其改变量,k为Boltzmann常数。用固体退火模拟组合优化问题,将内能E模拟为目标函数值f,温度T演化成控制参数t,即得到解组合优化问题的模拟退火算法:由初始解i和控制参数初值t开始,对当前解重复“产生新解→计算目标函数差→接受或舍弃”的迭代,并逐步衰减t值,算法终止时的当前解即为所得近似最优解,这是基于蒙特卡罗迭代求解法的一种启发式随机搜索过程。退火过程由冷却进度表(Cooling Schedule)控制,包括控制参数的初值t及其衰减因子Δt、每个t值时的迭代次数L和停止条件S。 ) T  F# P2 _  y" h' S
3.5.1 模拟退火算法的模型
& ?# e; D. t% b9 C7 w( Y$ ^  模拟退火算法可以分解为解空间、目标函数和初始解三部分。5 Z* y$ r; x+ c3 Q( F
 模拟退火的基本思想:
4 o* B6 T1 F- K1 U  u7 S  t4 B  (1) 初始化:初始温度T(充分大),初始解状态S(是算法迭代的起点), 每个T值的迭代次数L0 h( Z8 h8 O7 X1 l7 o
  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
+ f1 [# i" p7 T$ J  (3) 产生新解S′) b) N5 m6 T! M& u: T' b8 ?
  (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
: c, ]% V% R9 p5 H  (5) 若Δt′<0则接受S′作为新的当前解,否则以概率exp(-Δt′/T)接受S′作为新的当前解.
( Q! ]5 d5 H9 e  (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
8 m2 W; b, U$ G  c9 v. |) \/ J% W3 n终止条件通常取为连续若干个新解都没有被接受时终止算法。
' d$ z- a, {! ~& A  (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。
" r* S; y/ e0 P7 Z5 O: {算法对应动态演示图:
) r. F' @$ g" H' S* g+ b模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
  u9 n  |+ Q) U2 o% i  第一步是由一个产生函数从当前解产生一个位于解空间的新解;为便于后续的计算和接受,减少算法耗时,通常选择由当前新解经过简单地变换即可产生新解的方法,如对构成新解的全部或部分元素进行置换、互换等,注意到产生新解的变换方法决定了当前新解的邻域结构,因而对冷却进度表的选取有一定的影响。
) m9 y. u( F6 k0 Y6 f  第二步是计算与新解所对应的目标函数差。因为目标函数差仅由变换部分产生,所以目标函数差的计算最好按增量计算。事实表明,对大多数应用而言,这是计算目标函数差的最快方法。
3 i: z7 y5 O; n+ [  第三步是判断新解是否被接受,判断的依据是一个接受准则,最常用的接受准则是Metropo1is准则: 若Δt′<0则接受S′作为新的当前解S,否则以概率exp(-Δt′/T)接受S′作为新的当前解S。
2 ^% h) V% B6 C0 N' m/ M  第四步是当新解被确定接受时,用新解代替当前解,这只需将当前解中对应于产生新解时的变换部分予以实现,同时修正目标函数值即可。此时,当前解实现了一次迭代。可在此基础上开始下一轮试验。而当新解被判定为舍弃时,则在原当前解的基础上继续下一轮试验。- n6 r) c9 \# W( d% P
  模拟退火算法与初始值无关,算法求得的解与初始解状态S(是算法迭代的起点)无关;模拟退火算法具有渐近收敛性,已在理论上被证明是一种以概率l 收敛于全局最优解的全局优化算法;模拟退火算法具有并行性。
' I. v% U: E: |. }3 y0 Y" o# i* x, V2 i/ l7 a7 j' d4 f1 B

% @+ ~4 n# E: v$ l9 E* `模拟退火算法的简单应用
! ]9 N5 @9 c9 g7 X5 K9 D5 g3 E* T  作为模拟退火算法应用,讨论货郎担问题(Travelling Salesman Problem,简记为TSP):设有n个城市,用数码1,…,n代表。城市i和城市j之间的距离为d(i,j) i, j=1,…,n.TSP问题是要找遍访每个域市恰好一次的一条回路,且其路径总长度为最短.。
+ t0 X! e% n# j% r$ t( R  求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:; O" [' L7 h. e  _0 Y$ _
  解空间 解空间S是遍访每个城市恰好一次的所有回路,是{1,……,n}的所有循环排列的集合,S中的成员记为(w1,w2 ,……,wn),并记wn+1= w1。初始解可选为(1,……,n)
) `: b# H2 H4 S  目标函数 此时的目标函数即为访问所有城市的路径总长度或称为代价函数:
7 ^8 |2 |  Q) Y0 W' Z8 o% D! z# P/ }
& V6 v9 u& d: u4 z; y, A: k* Q2 {  我们要求此代价函数的最小值。
) x6 D9 v& G, t  Z6 Q  新解的产生 随机产生1和n之间的两相异数k和m,若k<m,则将$ s  e0 @# R4 B* A
  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)+ k* U; v3 O* D9 S. g0 i+ ^% Y/ R" k
  变为:( |  l: B/ u) Y' Y) c
  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).
8 K7 {0 N0 J& X5 Z* p; m2 ]% C  如果是k>m,则将
( s$ r# k) ?) w8 Y) {; c# t, u+ I  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn). |: X/ U' K4 n. k  {
  变为:2 Y: G, n. |. O: c; j, [8 Q: z( h& E
  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
! }4 n. q( H# \+ L2 {  上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。6 {  Q8 ^: h1 b9 [0 d
  也可以采用其他的变换方法,有些变换有独特的优越性,有时也将它们交替使用,得到一种更好方法。
8 }, ~4 \) t  H* R& s) C! D4 A  代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: * `8 m0 X5 C9 y

2 K+ C4 u) L5 K9 g" i+ g根据上述分析,可写出用模拟退火算法求解TSP问题的伪程序:7 `* v9 I, q' u  l; H) l% J+ O
Procedure TSPSA:
# U  e6 H4 _# k; r9 J2 F begin
6 @# ~2 t# c0 B. o( ]4 Y  init-of-T; { T为初始温度}
0 l  p, Z  S& e6 Z( W  S={1,……,n}; {S为初始值}- A/ \; _/ b5 E% N; ^
  termination=false;0 ^* l! e( ?; `
  while termination=false  x; i- U7 L. c8 M1 l0 z2 S
   begin ' a6 j" [1 c4 \: x
    for i=1 to L do! k  s% i# ~* J( q
      begin' ]8 D* W3 v, u
        generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}- Z8 M& W$ p! p6 [
        Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}# L/ G4 r! J. V3 l0 @
        IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])
+ r7 R/ L4 X! P5 m' \, Y        S=S′;
) U( m" d: F$ [: c8 v- Z8 ~  E        IF the-halt-condition-is-TRUE THEN 5 ]2 F/ Q9 e! d7 M; E' X
        termination=true;; t# _+ M5 i4 q9 O) ?
      End;8 x/ x0 ?- o" Z# m7 ~3 \1 h% J
    T_lower;
) P& ~% H8 O$ \6 k: O& q   End;8 K1 Y0 W- o" m* d
 End
  Q/ `4 e! S0 z1 t, Z  模拟退火算法的应用很广泛,可以较高的效率求解最大截问题(Max Cut Problem)、0-1背包问题(Zero One Knapsack Problem)、图着色问题(Graph Colouring Problem)、调度问题(Scheduling Problem)等等。
2 f+ k0 E2 J4 o7 s! u& B3 e5 v) c0 v; M+ r

- N' U  G9 d) N# q模拟退火算法的参数控制问题
/ H/ {9 Y  K9 i6 Y- X  模拟退火算法的应用很广泛,可以求解NP完全问题,但其参数难以控制,其主要问题有以下三点:
5 K" O; K  I) A, o  K+ ?  (1) 温度T的初始值设置问题。
/ J! B+ V/ K& `( s3 O) ^  温度T的初始值设置是影响模拟退火算法全局搜索性能的重要因素之一、初始温度高,则搜索到全局最优解的可能性大,但因此要花费大量的计算时间;反之,则可节约计算时间,但全局搜索性能可能受到影响。实际应用过程中,初始温度一般需要依据实验结果进行若干次调整。4 o3 ]2 O1 o7 w$ S" y) ?
  (2) 退火速度问题。
, r: D" a  A! u  模拟退火算法的全局搜索性能也与退火速度密切相关。一般来说,同一温度下的“充分”搜索(退火)是相当必要的,但这需要计算时间。实际应用中,要针对具体问题的性质和特征设置合理的退火平衡条件。
7 h2 a. N) T$ w; g: T; W  (3) 温度管理问题。
& j& {% D/ e, T4 K  X  温度管理问题也是模拟退火算法难以处理的问题之一。实际应用中,由于必须考虑计算复杂度的切实可行性等问题,常采用如下所示的降温方式:) ]; [$ d% l% `! u3 r6 N$ l
% e) i( _- p5 ^1 Z7 ?$ x
T(t+1)=k×T(t)6 b4 O! J" I. u0 J8 h9 |
式中k为正的略小于1.00的常数,t为降温的次数。
作者: 孤寂冷逍遥    时间: 2012-1-13 22:37

作者: 洛毕达    时间: 2012-4-25 14:38

作者: arial    时间: 2012-6-23 15:16
要是有详细的代码和算例演示就更好了
作者: う零度の味道    时间: 2012-7-9 15:20
有没有具体的例子呢
作者: xyp900708    时间: 2012-7-16 18:38
好,很好,非常好
作者: daibodayu    时间: 2012-8-3 22:24
谢谢啦!挺不错的。
作者: zyccxsy    时间: 2012-8-4 22:38
谢谢分享\(^o^)/~
作者: 522307672    时间: 2012-8-17 11:46

作者: oceoniayang    时间: 2012-9-28 15:10
好东西 顶一个
作者: 皮皮豆    时间: 2013-6-21 15:22

作者: shlovehl    时间: 2013-6-22 10:22
谢谢楼主分享!拿去看看
作者: ﹏訫无杂念メ    时间: 2013-6-26 12:13
刷体力!刷体力!刷体力!刷体力!刷体力!刷体力!刷体力!
作者: hbtth    时间: 2013-7-5 19:30
求matlab详细代码~
作者: 苍风燃霜    时间: 2013-7-12 21:06

作者: 木…    时间: 2013-9-1 11:04
不错  赞一个
作者: 木…    时间: 2013-9-1 11:05
aaaaaaa
作者: 刘冰    时间: 2013-9-6 20:35

作者: 空木葬花    时间: 2014-3-7 21:25
非常感谢楼主的福利!




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