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升级   37.89% TA的每日心情 | 郁闷 2012-2-15 14:23 |
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签到天数: 4 天 [LV.2]偶尔看看I
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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。1 c: \4 [0 h8 b3 ^9 l. g
. u9 V$ |0 G* i0 }9 |模拟退火算法* t ]3 {3 f2 ]2 P2 V
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。
! k7 a2 @' D* H9 ^' O! N0 S# x3.5.1 模拟退火算法的模型& Q3 b$ \% u6 _; i8 H' h3 ~
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。% H9 A {( I; C7 V9 s2 m$ ?" r+ ]+ P
模拟退火的基本思想:
2 }: y' y4 k# k (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$ N) {# Y# Y ]7 K$ c
(2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:8 A/ N0 c+ R% Z- r; c
(3) 产生新解S′' q) o, S* _( K2 S \( V
(4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数% ^3 u; Q. k# U$ f! q7 I4 L
(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.
! h2 Q+ h, d- d& }* a/ X& k (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。. o( Q* F) Q* Y8 |
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。
: c3 l( V5 X6 j/ b# Z" C; z7 | (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。
7 p3 i- S3 k$ ^" ?- d' X算法对应动态演示图:
! ~) ]/ c4 [1 }( M) c- e模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:/ s( m9 w+ L7 Y% H6 J
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。 n4 Z* n! P O4 b% O
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。, C4 ^5 ]: R0 e0 d+ }% T* T
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。6 x4 j- ]# q! M) N/ e* o* S- o3 O
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。3 e$ D5 K2 `* Z2 B) m; m
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。
4 N% f# Z/ W0 E
2 A( b# y: ], F8 w9 }5 Y$ Y1 m2 [! {
模拟退火算法的简单应用# a( p( G$ J, Y$ C" Q
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.。
) H5 P- g3 _' p; e: l' z3 M7 ? 求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:- y4 B) V: i; N! Z. G
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)0 M+ ]$ [# T- G% v
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:
$ |/ W; _9 ?+ s- z* E2 r% h- z4 K- k- U, q7 f
我们要求此代价函数的最小值。
i2 O x3 v% q8 I1 U, A) o+ l 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
9 Z& O" j5 g# A" ?9 {5 K/ X; K (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
0 D6 A+ p% L/ S+ q: F 变为:
- I6 N" R+ E" o- M& B; I (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).6 C* g- U2 {8 Z! h5 n- M1 q
如果是k>m,则将9 ~" o1 ~" G9 e) ~! ]& f! t
(w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
' R3 j& e0 P7 _( W% P2 k 变为:
* w. n X; i, F (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
4 U, s( j0 ^# |% x; y7 ? 上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。+ O+ @3 ^1 V& r! A
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。
$ j4 f6 d3 i4 J9 N1 k" g 代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: ; v3 e# w+ ?5 v) J% ^+ k, G
. U0 s% d" | ? a- A& X
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:
) u) D# ?8 m: v' M5 u, |Procedure TSPSA:
# j: U2 ^. s& C; s6 Z begin ) t# C- x. f- D q% c5 G# w
init-of-T; { T为初始温度}. K+ Q7 ^4 ?. S" ^6 ?% K3 o
S={1,……,n}; {S为初始值}
- y* b0 x p+ `: J! G- b termination=false;$ W- _0 P1 S$ T4 h: T( T
while termination=false7 c8 q5 M; |1 o! u7 {) b4 d9 r
begin
1 m3 s' e" b% U+ b/ ^* |* x% E6 R for i=1 to L do
5 e$ x( V6 ]9 y7 L: H begin
5 u: c5 Z. w- ?$ E. {4 n generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}7 A7 V1 o1 Y$ H \
Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}
9 a$ k4 b, t2 u1 ], {; i IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])( W" Y1 a& x/ C* f C
S=S′;+ K- b# P* m, j6 x
IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
. \0 O! ]% \. T- W3 z termination=true;4 C9 L6 D6 d5 Q( \
End;% c2 y, }8 g' c, j
T_lower;
9 F" v+ |% c' l% F9 a5 x/ ? End;
# ~1 D4 [( H7 x8 E7 ^. r End
; S8 P n/ |- F4 J 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。
/ i% O2 z0 J M6 q% H( b7 m+ ^
" K! M+ v0 W+ R9 \! x6 c8 S) d, [: K8 r9 e- {0 X& P
模拟退火算法的参数控制问题
% V" |8 _% @! i. u G5 L) J0 f 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:
$ S8 D$ k" V4 C+ C$ r1 H. x4 @ (1) 温度T的初始值设置问题。! {4 r+ P1 L1 S0 L+ y8 i
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。: [: ] k8 e2 e& G- h! [ N8 {, c
(2) 退火速度问题。
3 f) K6 x- s6 {/ i' J/ r0 Y# \ 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。
% f P1 |6 W8 d5 g: B) D (3) 温度管理问题。
+ a |9 H7 V! w 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:
1 o: k& I- M7 d2 ]5 _4 \+ @/ `- ^( p7 m* p" T
T(t+1)=k×T(t)9 h! U1 \/ e, E! S+ Z
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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