数学建模社区-数学中国

标题: 模拟退火算法 [打印本页]
作者: 下沙小僧    时间: 2014-8-21 23:45
标题: 模拟退火算法
[p=272, null, left]模拟退火算法


  h/ h# ]' z0 w0 t, y  e1 y( n6 V* D1 I; C, F

* q- M) ~2 B* i[p=197, null, left]模拟退火算法来源于固体退火原理，

[p=197, null, left]将固体加温至充

[p=197, null, left]分高，再让其徐徐冷却，加温时，固体内部粒子随温升变

[p=197, null, left]为无序状，内能增大，而徐徐冷却时粒子渐趋有序，在每

[p=197, null, left]个温度都达到平衡态，最后在常温时达到基态，内能减为

[p=197, null, left]最小。根据

[p=197, null, left][size=197px]Metropolis

[p=197, null, left]准则，粒子在温度

[p=197, null, left][size=197px]T

[p=197, null, left]时趋于平衡

[p=197, null, left]的概率为

[p=197, null, left][size=197px]e-

[p=197, null, left][size=197px]Δ

[p=197, null, left][size=197px]E/(kT)

[p=197, null, left]，其中

[p=197, null, left][size=197px]E

[p=197, null, left]为温度

[p=197, null, left][size=197px]T

[p=197, null, left]时的内能，

[p=197, null, left][size=197px]Δ

[p=197, null, left][size=197px]E

[p=197, null, left]为

[p=197, null, left]其改变量，

[p=197, null, left][size=197px]k

[p=197, null, left]为

[p=197, null, left][size=197px]Boltzmann

[p=197, null, left]常数。用固体退火模拟组合优

[p=197, null, left]化问题，将内能

[p=197, null, left][size=197px]E

[p=197, null, left]模拟为目标函数值

[p=197, null, left][size=197px]f

[p=197, null, left]，温度

[p=197, null, left][size=197px]T

[p=197, null, left]演化成控

[p=197, null, left]制参数

[p=197, null, left][size=197px]t

[p=197, null, left]，即得到解组合优化问题的模拟退火算法：由初

[p=197, null, left]始解

[p=197, null, left][size=197px]i

[p=197, null, left]和控制参数初值

[p=197, null, left][size=197px]t

[p=197, null, left]开始，

[p=197, null, left]对当前解重复

[p=197, null, left][size=197px]“

[p=197, null, left]产生新解

[p=197, null, left][size=197px]→

[p=197, null, left]计算目标函数差

[p=197, null, left][size=197px]→

[p=197, null, left]接受或舍弃

[p=197, null, left][size=197px]”

[p=197, null, left]的迭代，并逐步衰减

[p=197, null, left][size=197px]t

[p=197, null, left]值，

[p=197, null, left]算法终止时的当前解即为所得近似最优解，

[p=197, null, left]这是基于蒙特

[p=197, null, left]卡罗迭代求解法的一种启发式随机搜索过程。

[p=197, null, left]退火过程由

[p=197, null, left]冷却进度表

[p=197, null, left][size=197px](Cooling Schedule)

[p=197, null, left]控制，包括控制参数的初

[p=197, null, left]值

[p=197, null, left][size=197px]t

[p=197, null, left]及其衰减因子

[p=197, null, left][size=197px]Δ

[p=197, null, left][size=197px]t

[p=197, null, left]、每个

[p=197, null, left][size=197px]t

[p=197, null, left]值时的迭代次数

[p=197, null, left][size=197px]L

[p=197, null, left]和停止条

[p=197, null, left]件

[p=197, null, left][size=197px]S

[p=197, null, left]。

! J: P) |+ W" V: m' R9 `
% B) a7 F6 ^. E$ D& n2 r) l4 @0 A

( R6 J) C5 L4 ?" R8 S! M4 v9 K5 b+ {[p=197, null, left]模拟退火算法可以分解为解空间、

[p=197, null, left]目标函数和初始解

[p=197, null, left]三部分。


3 S  g! S* C2 X' M9 ?6 |
1 X! z5 @8 `, k; O' V
* R8 H3 m4 J6 M: O3 K& v[p=197, null, left]模拟退火的基本思想

[p=197, null, left][size=197px]:


( q7 `! c" F; w5 j7 P: e+ `7 w4 K& a2 G, f
[p=197, null, left][size=197px](1)

[p=197, null, left]初始化：初始温度

[p=197, null, left][size=197px]T(

[p=197, null, left]充分大

[p=197, null, left][size=197px])

[p=197, null, left]，初始解状态

[p=197, null, left][size=197px]S(

[p=197, null, left]是

[p=197, null, left]算法迭代的起点

[p=197, null, left][size=197px])

[p=197, null, left]，


2 E8 n8 J6 f0 h[p=197, null, left]每个

[p=197, null, left][size=197px]T

[p=197, null, left]值的迭代次数

[p=197, null, left][size=197px]L

; B7 B6 \3 t) g2 y; s

7 _# D: i) N8 N
/ T6 e& c& q; @( Z
( q, Z# B: U( W8 w
5 ^6 X- R4 D# X; E7 H- \
& G1 `" x8 m7 W+ h6 o# w: V/ l9 v- z1 x/ b. b' [  B

. z2 }3 s  x# S! D5 \9 Z8 c2014全国一级建造师资格考试备考资料真题集锦建筑工程经济 建筑工程项目管理 建筑工程法规 专业工程管理与实务
+ H) m) D" G4 P: D! J2 c  }/ K
" s1 n' y  A0 ^% M( x9 w: V. L
" S0 k& z% h: `3 P# {6 I2 Z% N3 f2 }5 m$ C( j

( f% B6 d' h$ P* F- w% F
, r# A1 K& p2 p2 W4 Z2 [* R! M$ F+ W3 ~& P- w+ K& j( x0 A
1 n- p% m+ p( k; ~1 S/ u; Z4 G4 ~  p
[p=197, null, left][size=197px](2)

[p=197, null, left][size=197px]对

[p=197, null, left][size=197px]k=1

[p=197, null, left][size=197px]，

[p=197, null, left][size=197px]……

[p=197, null, left][size=197px]，

[p=197, null, left][size=197px]L

[p=197, null, left][size=197px]做第

[p=197, null, left][size=197px](3)

[p=197, null, left][size=197px]至第

[p=197, null, left][size=197px]6

[p=197, null, left][size=197px]步：

2 X, {5 t1 R2 K1 I7 z- |5 [6 ^
0 b( z- P: i$ ~

! R( ]7 U# E) Z3 x4 w; g: v1 m* j[p=197, null, left][size=197px](3)

[p=197, null, left][size=197px]产生新解

[p=197, null, left][size=197px]S

[p=197, null, left][size=197px]′


8 U* X2 y% ]$ G0 k0 |9 v5 h. Q' J* r9 \7 @$ ^- M
- ~& `" q# X0 U$ x! n) p) i4 v* [
[p=197, null, left][size=197px](4)

[p=197, null, left][size=197px]计算增量

[p=197, null, left][size=197px]Δ

[p=197, null, left][size=197px]t

[p=197, null, left][size=197px]′

[p=197, null, left][size=197px]=C(S

[p=197, null, left][size=197px]′

[p=197, null, left][size=197px])-C(S)

[p=197, null, left][size=197px]，其中

[p=197, null, left][size=197px]C(S)

[p=197, null, left][size=197px]为评价函数


4 V( ^/ [  h6 S8 ^4 C- p2 u+ h1 @* W9 d2 z
4 }$ O, B( y9 B! K1 {
[p=197, null, left][size=197px](5)

[p=197, null, left][size=197px]若

[p=197, null, left][size=197px]Δ

[p=197, null, left][size=197px]t

[p=197, null, left][size=197px]′

[p=197, null, left][size=197px]<0

[p=197, null, left][size=197px]则接受

[p=197, null, left][size=197px]S

[p=197, null, left][size=197px]′

[p=197, null, left][size=197px]作为新的当前解，否则以概率

[p=210, null, left][size=197px]exp(-

[p=210, null, left][size=197px]Δ

[p=210, null, left][size=197px]t

[p=210, null, left][size=197px]′

[p=210, null, left][size=197px]/T)

[p=210, null, left][size=197px]接受

[p=210, null, left][size=197px]S

[p=210, null, left][size=197px]′

[p=210, null, left][size=197px]作为新的当前解

[p=210, null, left][size=197px].


. G: W  V5 g7 ]# Y5 i. U
7 w: z2 D! u+ m[p=197, null, left][size=197px](6)

[p=197, null, left][size=197px]如果满足终止条件则输出当前解作为最优解，结

[p=197, null, left][size=197px]束程序。

( y6 d$ o" b1 X& {
1 a! N% M0 Q+ a: I: ~

3 t# B# v5 m6 E! Y, {; H! g1 m& f[p=197, null, left][size=197px]终止条件通常取为连续若干个新解都没有被接受时

[p=197, null, left][size=197px]终止算法。

# z6 u6 G( z; q' ~7 B

3 C" g, n! s1 `  t" i3 r; O. ]  q- p+ l. `* d- R
[p=197, null, left][size=197px](7) T

[p=197, null, left][size=197px]逐渐减少，且

[p=197, null, left][size=197px]T->0

[p=197, null, left][size=197px]，然后转第

[p=197, null, left][size=197px]2

[p=197, null, left][size=197px]步。


' H9 Y; F' ?. L! }' [- M
0 p: ~# Y. O6 b5 \
4 L, ^7 z/ F. Y9 E& y3 ^. v[p=197, null, left][size=197px]模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步

[p=197, null, left][size=197px]骤：


8 l4 e' i1 w( O% G
0 D4 |% N- k; k) P
; _  ~4 u$ u6 N$ J% R) P[p=197, null, left][size=197px]第一步是由一个产生函数从当前解产生一个位于解

[p=197, null, left][size=197px]空间的新解；为便于后续的计算和接受，减少算法耗时，

[p=197, null, left][size=197px]通常选择由当前新解经过简单地变换即可产生新解的方

[p=197, null, left][size=197px]法，如对构成新解的全部或部分元素进行置换、互换等，

[p=197, null, left][size=197px]注意到产生新解的变换方法决定了当前新解的邻域结构，

[p=197, null, left][size=197px]因而对冷却进度表的选取有一定的影响。


2 @5 A! {  e  j& H9 T$ a6 s. |+ s8 M

, B4 N5 {5 ]3 T' _1 z5 Q[p=197, null, left][size=197px]第二步是计算与新解所对应的目标函数差。

[p=197, null, left][size=197px]因为目标

[p=197, null, left][size=197px]函数差仅由变换部分产生，

[p=197, null, left][size=197px]所以目标函数差的计算最好按

[p=197, null, left][size=197px]增量计算。事实表明，对大多数应用而言，这是计算目标

[p=197, null, left][size=197px]函数差的最快方法。


0 b. j* t  B; W% M4 x" O& d/ Y3 }! W. ~9 B. L- r) }1 Y6 h4 D# t# z

8 O! }% Q& X2 l5 r
4 {; q4 a& g% {3 S6 b
. n" _/ R6 {6 @! w; ~, a8 Z
2 Y& z3 w! V4 V) w5 k0 [* x2 o- M+ Q# s2 u% F. e% B
9 o; B+ {5 Q5 M
+ `0 Z5 W. c" O( V9 b1 B9 g

2 p  H5 T# D; V' ^  m9 @- U
% G; a# g5 X2 r2 ]
5 P* E/ ]% ?" A1 E. J' d2 D; ]. Q( N# W) d, \# G
$ t0 u- f+ u( j. z
[p=197, null, left][size=197px]第三步是判断新解是否被接受

[p=197, null, left][size=197px],

[p=197, null, left][size=197px]判断的依据是一个接

[p=197, null, left][size=197px]受准则，最常用的接受准则是

[p=197, null, left][size=197px]Metropo1is

[p=197, null, left][size=197px]准则

[p=197, null, left][size=197px]:

[p=197, null, left][size=197px]若

[p=197, null, left][size=197px]Δ

[p=197, null, left][size=197px]t

[p=197, null, left][size=197px]′

[p=197, null, left][size=197px]<0

[p=197, null, left][size=197px]则接受

[p=197, null, left][size=197px]S

[p=197, null, left][size=197px]′

[p=197, null, left][size=197px]作为新的当前解

[p=197, null, left][size=197px]S

[p=197, null, left][size=197px]，

[p=197, null, left][size=197px]否则以概率

[p=197, null, left][size=197px]exp(-

[p=197, null, left][size=197px]Δ

[p=197, null, left][size=197px]t

[p=197, null, left][size=197px]′

[p=197, null, left][size=197px]/T)

[p=197, null, left][size=197px]接受

[p=210, null, left][size=197px]S

[p=210, null, left][size=197px]′

[p=210, null, left][size=197px]作为新的当前解

[p=210, null, left][size=197px]S

[p=210, null, left][size=197px]。


& O& b  ?1 d1 g: `% O8 ^5 n
( d/ Y9 T! _7 A: ?
) j7 k+ `. q  u[p=197, null, left][size=197px]第四步是当新解被确定接受时，用新解代替当前解，

[p=197, null, left][size=197px]这只需将当前解中对应于产生新解时的变换部分予以实

[p=197, null, left][size=197px]现，同时修正目标函数值即可。此时，当前解实现了一次

[p=197, null, left][size=197px]迭代。可在此基础上开始下一轮试验。而当新解被判定为

[p=197, null, left][size=197px]舍弃时，则在原当前解的基础上继续下一轮试验。

6 x! b+ s- O' {" j& e
; L; n' R0 ?0 K
4 K  S9 e' |+ a( G/ S) Q
[p=197, null, left][size=197px]模拟退火算法与初始值无关，

[p=197, null, left][size=197px]算法求得的解与初始解

[p=197, null, left][size=197px]状态

[p=197, null, left][size=197px]S(

[p=197, null, left][size=197px]是算法迭代的起点

[p=197, null, left][size=197px])

[p=197, null, left][size=197px]无关；模拟退火算法具有渐近

[p=197, null, left][size=197px]收敛性，

[p=197, null, left][size=197px]已在理论上被证明是一种以概率

[p=197, null, left][size=197px]l

[p=197, null, left][size=197px]收敛于全局最

[p=197, null, left][size=197px]优解的全局优化算法；模拟退火算法具有并行性


' F9 j5 h1 m1 B8 T
" [) }+ S8 A8 g9 b3 |9 m# ]) A, D9 u& i% c0 U! s

( y# r4 e$ E) ?" X4 E4 O! y6 u# n/ _) |* A& J: G1 E

. J7 }* I$ p& K# i3 S7 a* {9 X- j, X3 r/ m% o( d. q6 m0 Z

$ Y9 N( K$ r' y# q; C- Q* I! w' D% h




欢迎光临 数学建模社区-数学中国 (http://www.madio.net/) Powered by Discuz! X2.5