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[代码资源] 模拟退火算法

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    [LV.2]偶尔看看I

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    1#
    发表于 2012-1-13 19:16 |只看该作者 |倒序浏览
    |招呼Ta 关注Ta
    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。& W  x% i' l4 l( T& Q% V* g
    5 }' r( v; O, }' i9 {7 a/ p/ f
    模拟退火算法
    ) }& Z! M: I: U1 I# Z, K  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。
    : @3 S6 u' c2 U' V& p# k3.5.1 模拟退火算法的模型" j  w: `) k: \8 _  n% \+ j2 {
      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。( O. x8 E5 i6 p; s' F! D0 d
     模拟退火的基本思想:
    9 Y  ?0 X, l3 v& v6 o+ o) G. c  (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L8 j- j# V, {' v  f0 v  x
      (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:! Q; e9 `7 b( U
      (3) 产生新解S′
    ) i5 {2 b% A* u- [) B2 j$ T  (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
    7 W" n, w8 [  O. s) n9 E  (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.
      T4 k# i: M: {. U# a  (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
      h$ g" S8 q0 T4 k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。
    & P# S$ h; D; n2 a& d. u  (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。* C' h5 E1 y& @, G) L' k5 j3 x
    算法对应动态演示图:; u, K7 d6 V: y5 V- Q3 R
    模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
    / [; h& M* ?1 l  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。% [- \% L$ Y- K. i" j5 [. L
      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。, x9 y. y9 g* z4 Y: |1 t/ Q* o( a
      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。
    5 R* I4 |1 n  p# E, a9 y! J  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。- x8 ]8 o7 ~" j8 n* ~$ x. 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。0 S: r( X6 D7 T& M6 \- j
    " d, H0 L" G6 j

    $ g& o- O4 i* V7 A! w6 b% y模拟退火算法的简单应用0 o6 A7 l" V" K% d
      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.。
    # K: w/ s+ i- r% x/ R" k$ g4 c: j  X  求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:4 p1 {5 \5 Q" ]# `2 ~3 E$ n# `
      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)
    ( N% l! Y( F, P+ ~3 ~3 y  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:   T3 n5 k; {0 M/ \
    7 z  f: B9 b8 Z% K* f
      我们要求此代价函数的最小值。. K9 ?; X( K- _/ k) M
      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
    " ^0 r' `: T9 u& O/ s4 m  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    5 w: o4 x* Z! G+ m9 r* ]6 z9 _$ t  变为:
    1 v# x1 C* X* \* R- d; Q& s  b$ N) B  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).# u- d& _- g3 i# I6 b0 L
      如果是k>m,则将
    1 `1 c* P5 |8 h) O  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    & Q) H  Y7 M  f8 x! R- E  变为:
    % c+ B6 u) p" d# ]( H4 G  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
    5 B4 Q4 O( s: A- [  上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。8 C2 r: ^& a* a3 V( z- ~
      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。
    - N4 z, J2 R3 H4 l  代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
    - m3 f1 M3 u" F3 ?( C& A! F
    & ]2 u% F0 ]+ M" \/ o+ Y# _9 H% q9 Q- l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:3 X& s& o. q2 d& U
    Procedure TSPSA:/ I0 c# |, Q0 h) }6 ?# W
     begin # A  @' d5 @5 l7 y) d
      init-of-T; { T为初始温度}
    - }$ X3 K. \# n9 ?& o) @  S={1,……,n}; {S为初始值}
    2 q; ^2 p* E) f5 O% G  termination=false;
    7 p5 C: k+ x  S0 K7 s3 V1 i- ^  while termination=false
    $ T( G3 H! ]7 }# O. B3 D   begin ( R% s( p# P" h+ R2 o/ S
        for i=1 to L do4 @/ c+ }& l: Q  c0 V1 y
          begin
    6 @( B% Z, A/ C, w7 x3 \' N        generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}2 l5 ~: x, z6 h/ B. ^# @
            Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}2 D/ f, T' V7 d# b. x7 i( z
            IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])
    # m, ]1 {7 @$ l7 B7 ]6 G( o        S=S′;
    " ^5 F6 h+ f; w1 c1 U) X: R        IF the-halt-condition-is-TRUE THEN 1 z; M! U" ?4 u! {0 J' j
            termination=true;
    ! u5 e' B- T) v- j5 z      End;
    : {9 i7 J$ j/ j    T_lower;7 }- c9 c3 S7 |: X! y
       End;: }3 `: _( O' n3 C2 t5 u1 d& Q: ^
     End
    - ~- e$ s" E" j3 n4 S; I2 ]8 I  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 u9 m/ C7 a- W5 ?  q  d, P4 E

    ' A; }( t! p/ ^1 h0 J* w3 y8 w3 K
    : D& u( x% [# z$ }2 F/ |模拟退火算法的参数控制问题
    + ?% v! |' Q3 P; l1 b/ |  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:
    ' q" w9 R2 k( w3 d' j  (1) 温度T的初始值设置问题。
    & V9 G4 B4 Y1 \' G% c  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。/ M3 B" f0 Y6 j( P" j- Y
      (2) 退火速度问题。' t$ a" J( e( h, y. a
      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。: q6 M& m2 d( l1 a' I
      (3) 温度管理问题。+ m6 T5 x' o) O) U$ ^! j' \: R
      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:$ w6 G/ u/ w) o0 R) f% ^
    $ ^. r! Z: a& ~7 k6 L
    T(t+1)=k×T(t)% G1 Z+ E+ N, Z2 Q( l% A
    式中k为正的略小于1.00的常数,t为降温的次数。
    zan
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