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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。
" s' B: G% R# O. v8 y+ g) j9 m+ w5 k: k; _; j% R/ K! h) v
模拟退火算法
s3 q g% C4 h4 p9 j. Q' |0 c0 V! P 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。
6 S- C1 ?3 R4 H5 m/ [% [' \, H3.5.1 模拟退火算法的模型, S8 t: ^8 h1 |" k( \0 h6 `2 I% p0 _
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。
0 M; Y+ r7 v+ T m2 O0 [ 模拟退火的基本思想:
$ |+ q4 E( a. `4 g1 X3 @ (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
6 r0 L. u0 x3 U$ p2 Y# ~ (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
, c: V! M2 O* T (3) 产生新解S′
6 T9 p* f4 }5 C( c/ F% H: | (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数3 @# }/ z9 q# k: d, X) B, W
(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.
5 v: f+ j) }3 d (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
1 ~* G! N/ [$ R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。
@( {4 L/ S7 V2 Q% C! t$ i0 u$ g (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。
7 L/ h( m/ N0 K0 h# ~2 o算法对应动态演示图:
8 w+ V+ j7 x$ a9 k: l4 \1 K模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
) j6 b& ` G1 }6 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。+ R, p8 w. T7 s
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。- y" C. |% ^5 Z# Q/ i, w$ K" p0 V
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。. K9 B; {/ g% {( l; {) e
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。* s6 i- D. f) H. U
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 v& s' H; U! X. A; h4 v- o
6 E- C/ z/ Y" L7 _! t1 I4 {% [3 p; `+ y t: Q! z) ~
模拟退火算法的简单应用
9 @5 V4 P: a% X6 H ] 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.。! o* M) o8 t# H& [4 t3 i( S1 [
求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:5 G8 E. `1 P* O9 Q( _
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)) L& s! i$ \/ @
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: : k A, y3 W/ e3 `9 @% M9 k
0 {! V1 e! i( o4 K
我们要求此代价函数的最小值。/ ~6 Q# X6 R3 l1 d8 O0 U. k
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: F: F: Y7 a2 k3 z
(w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)) w* ?! V# y3 e
变为:- k, q% I p. I) Y1 x
(w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).; L3 }% O6 l Z$ H1 \9 s
如果是k>m,则将$ G: V, e Y. o1 E$ x# k' l
(w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)* i: d$ q7 X" N4 @5 p- i
变为:
4 B; y* {9 Q' R L( \ (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).8 ?5 N: @- q6 t$ ~1 g2 l- L2 k+ z, a
上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。& t( a9 C, E) J8 e
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。
( s7 [# p, V5 t- o0 ]& L* { 代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
6 k5 B' a7 y* v) }' D" s! t3 @ D* \2 E
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:
- e7 q+ B8 v! l" H- H5 m2 D; {Procedure TSPSA:
; U# w/ r6 i2 T! S% ]6 x) {0 |* C begin 7 C! ?) d, T' c( s4 ~
init-of-T; { T为初始温度}/ X F' A% N; @. c
S={1,……,n}; {S为初始值}" o1 J6 q; [# {- H* k
termination=false;
2 B5 N6 d; s/ s1 w; o% x: x& s& T/ Q while termination=false0 m2 o( h" G1 P7 Z8 V
begin
; q3 s* j6 H# H7 j) y for i=1 to L do
* p; S5 p7 d" V begin" [7 V% [6 l8 l2 Y5 A8 ?, {' G
generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}; l- O8 m5 H: j, ^' v5 B4 {6 U
Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}+ S% w) E2 f3 h* [3 r! d
IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])5 q, e+ N3 f$ i+ k
S=S′;
' p: P9 h0 a+ p. ~ IF the-halt-condition-is-TRUE THEN ! \) q( U5 n( _* k# |* k: o* u
termination=true;
% j- M7 I8 H8 _' @% K End;6 R. W8 ], Z- ?
T_lower;
6 @$ E% D" I$ S% E8 K3 z' Y End;# O( }7 m9 Y4 c6 f/ H- R
End/ |& p9 s! U) i' l& e) [) [, ]) m
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。8 W0 l5 O9 [! M& ^4 j$ C
( B5 h: j9 s, n9 O* G: s+ m1 k
" a' x" P7 s) b5 ?3 k模拟退火算法的参数控制问题- T6 B1 L1 c: O6 ?- q( ~
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:7 g2 s5 p( i! @/ _% s9 x
(1) 温度T的初始值设置问题。. x* |5 f/ A k1 \; s
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。
, W* `3 v# K0 Z$ L (2) 退火速度问题。8 |, a8 J- O5 W+ k1 z9 i" ^$ k
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。
. Y6 ?6 z" r6 D) {4 ^# j; A (3) 温度管理问题。- h3 |2 K- H" D; a; [8 l
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:* V) J( b) Z* w3 v; J- _1 }) N
6 r6 v6 K7 t1 M. `! S. {; YT(t+1)=k×T(t)+ t4 T: `) Q( {" B+ |. u
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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