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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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    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。
    5 e5 R: y  \; R& B3 C0 v+ t0 t$ p4 O! S1 K6 l' \
    模拟退火算法) J+ v% k' y4 J
      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。
    2 g, D5 {. ?. C# i5 E8 `7 x( w6 A+ x1 p3.5.1 模拟退火算法的模型
    ( Z# i' q1 r; L; F7 S% E  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。
    9 z# m6 n1 L5 b7 i% s' C# m) S 模拟退火的基本思想:
    ' y, N! O  V# [0 @, {  (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L  ^' u+ O( T5 W. Q7 B) R
      (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
    + @: f* C8 P6 ^0 V2 L( Z( H  (3) 产生新解S′
    " f4 Q; r* n5 z! K/ _  C  (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数! n; B1 O7 G: p7 O- f
      (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.
    % X( E6 m: m! q* @) {  (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
    $ A# w$ R: x" _. a$ a* i) [8 H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。+ d1 b  \. z( u5 ?4 Q
      (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。
    ' _1 `6 n+ T6 E* r" |. j算法对应动态演示图:
    3 C+ ~# i) [9 u6 V' o3 \+ O模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:7 e3 k1 G' w+ _
      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。
    & b6 Q; O- v6 |% |! ]* D( K  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。
    " a, L* s& }6 @/ p  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。
    0 F$ r2 {' w: v1 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。( Z' g+ |1 R7 a, b
      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。. P/ O  Z1 V6 x8 B8 X
    . v4 c/ ]4 c, O1 }5 O
    7 Q7 a3 }6 ]( @: a3 u2 t' }
    模拟退火算法的简单应用/ _* k( m' z& U! C: B
      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.。
      C, h9 g6 g. X3 O# ]; T. E  求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:# S- u" b: _  [8 b% E8 x. j( x
      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)( g8 A+ R6 K% l% ~; t) }
      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:
    5 i7 ]! l- }- p* x! v* P1 D+ H& i! X2 x, k
      我们要求此代价函数的最小值。* g: n! N3 c1 b3 T9 s' W6 h" y
      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- D4 p" r3 s  G* m
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    3 A) v7 q8 z% X3 C5 m  变为:
    0 l0 L" L  f1 P3 I# f' X  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).* C0 `1 s3 ^! j
      如果是k>m,则将- R" u% d6 r( r5 c' U- v: }
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)& m; n% U1 Z2 I9 `
      变为:: e6 {& H) C1 H) }% U
      (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
    ) u, u! w% L& q8 V$ z  上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。8 Q( R% i& E% S1 J. Y5 B
      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。
    ' a6 ~' _0 Q3 F! Y4 ~; n, L. E  代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
    . e3 W3 \/ M& I) S+ X* n( R: |3 ?% v3 D! T! t8 o+ I4 b
    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:5 Z4 Z0 M) I, ?' y, d) g9 Z
    Procedure TSPSA:
    ; J  K/ z5 f& N begin
    : N  j3 Q. M4 j6 X; t  init-of-T; { T为初始温度}
    - x; R  \5 g$ _% P, Y  S={1,……,n}; {S为初始值}
    1 m: c. O6 y% k3 s& H  termination=false;
    . P9 i* H( D& h8 Z0 u  while termination=false
    5 ^7 U  r& J3 Q) f   begin
    3 o- b/ e+ X( X3 R& y8 u    for i=1 to L do) g/ x9 x) B, V2 ]' m
          begin8 j4 O& u0 ~4 A/ l2 Y
            generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}
    9 C, Z! j9 _+ Q  \# O9 G+ q        Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}0 y* |* x2 O( [; Z  C- T/ ]1 I' V
            IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])8 Y& _, C* @, |$ |9 }% y* ^5 v8 C+ d
            S=S′;
    ' a8 R- o1 W4 b8 I' g. u) P9 f        IF the-halt-condition-is-TRUE THEN 6 L! j9 D  m" \# I1 T6 v5 {+ m- P, B
            termination=true;5 q1 D; t, O/ k
          End;
    / u4 L) O# P: y7 }    T_lower;9 {9 `+ H- R4 E; U( s
       End;
    & }- ]3 R' [4 O/ e1 \# o End8 R( k% @2 b* q3 D
      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。
    ) c% H  @; R2 G4 z8 ?. O
    / S# j: ?# L1 K0 ^0 F
    ( w( `: v8 `: I9 ^$ R( Q/ O模拟退火算法的参数控制问题
    % G2 H4 _% D6 i* @: j! c  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:
    - ]! Z# K  N3 t: D- W5 E. F  (1) 温度T的初始值设置问题。; E7 A8 [; B' K7 X& I6 K- f
      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。: i9 `0 A: d" M! O
      (2) 退火速度问题。. j2 A5 D( b( o6 i. c6 O! R  U; j
      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。4 d, I) h% _9 s: _! t1 x$ a" ^* R
      (3) 温度管理问题。
    : R: t, `$ K+ K# D) y  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:4 I' e% z5 P/ q
    # c( M* y! M( ~8 w
    T(t+1)=k×T(t)2 W' S5 \; \7 V" d
    式中k为正的略小于1.00的常数,t为降温的次数。
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