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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。
8 {; v, T+ Z5 C4 D" w
% h; @$ ^4 D1 ]7 w2 r/ i模拟退火算法
1 @$ i; d1 F$ L' c6 u7 N9 e 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。
; t3 {2 ^$ f! L8 e: x3.5.1 模拟退火算法的模型0 n* }5 w2 A0 _
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。) D2 u+ l9 d% j3 K; e6 s
模拟退火的基本思想:% l) i! c0 A/ g
(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L4 z1 B. Q6 |/ @( g, J
(2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
! C0 i3 \ z$ z" V# e; J (3) 产生新解S′
2 u; w4 O# b4 i (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数( {1 v# ~/ C, Q1 W3 g- ~
(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., z2 l/ `' H; j# V" {
(6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。+ Q; V1 ^( z2 |, L6 P
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。
+ L; O9 P3 u% Q X (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。* L( I; P6 K' R8 \9 Y
算法对应动态演示图:4 G" a/ C: y, x& o
模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:' B- i; Q6 X/ c; j) U7 r
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。 z( y w! k; [4 k- E4 m" e
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。
* V: e. |: G6 A- w, M 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。: x8 d1 x# {- ~2 j! |- B
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。
8 f( i: s# @6 w; ^7 E 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 N5 t- u' q+ e8 X) v' p& o- ~
; B# v/ c1 s+ J" L6 p: \, b# C- d/ Z
( P: c. C& C" n$ t( f- u模拟退火算法的简单应用
+ o9 Z' S0 ]2 {; p. ?* 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.。/ {% f5 A4 q2 n G' D- I: ~
求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:2 t; z6 }, v- e
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): k" {' J6 s& r% |
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: - |# Z1 ?* s; | y& W
8 @1 I% J2 V3 \8 H; G
我们要求此代价函数的最小值。* _% Z% S% Q; V
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8 _9 i7 A8 j0 q1 a
(w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn): m5 E$ b& y* r9 `
变为: Q& `1 B0 v" p5 d, h& y$ G
(w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).3 B3 h) r) W# t. u
如果是k>m,则将$ U& L6 I4 }6 N" h$ b4 ~3 ^
(w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
- b3 I" S6 r3 ~ 变为:
$ N) r1 A P+ q (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
?4 _) Z% V2 ~# i 上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
1 Z! f. x$ ] B6 k& ?- w 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。 9 b, C# f# y0 v8 ~/ X" G( G
代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
: H0 B1 g( n6 G. J( N5 @7 F
* r2 t; g5 ]9 U( v- e5 M: P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:' w) Y/ z# \0 I
Procedure TSPSA:
" u7 `: j; ~, @: G& M% d6 K begin ' }, e" |' u2 X3 U/ j3 Y
init-of-T; { T为初始温度}
# K* k b4 ~ O) h S={1,……,n}; {S为初始值}
, L1 C( e6 {" s2 |$ w# z" _ termination=false;
. G* \1 S# A7 q" l, z/ T8 D while termination=false
8 f8 R5 ?: O- ?4 t# B begin 9 e' Y! B9 u0 V/ {# ?0 D" V
for i=1 to L do3 `# [: y6 G/ a! T6 q
begin$ k u8 F' z; e( H5 m- t* g
generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}5 W0 J) y) i+ [* n
Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}
' G7 d* [; e# b- `' a3 L& P) I IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])
3 X! U6 r3 d' ~* l- K/ I/ f/ p( f S=S′;! \/ r0 L# S' ~3 g/ _
IF the-halt-condition-is-TRUE THEN , x$ g, t, N9 R( |) ?
termination=true;0 }2 s# a; t, M8 U m2 s, {+ q
End;
5 o C2 `' J t$ p. h T_lower;
4 W3 f2 {: g1 A End;
$ n; D) G) B# W5 ?9 E End) `& B; V& B; @; p1 S
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。$ ^# V# W# f+ m. f3 O% O; T
- U0 K" N$ T9 b5 Z1 V4 K5 l7 {+ h
+ h4 U) y" ?3 E' u( V1 i
模拟退火算法的参数控制问题, O+ P) J, n$ z2 K2 f3 K1 G$ n" a
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:8 ]; ?; |+ n2 ?8 i7 V* q$ u
(1) 温度T的初始值设置问题。
! K8 ]$ U% A, q+ ^) ~! } 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。
* P2 _* I, Y2 c( ?6 L- s (2) 退火速度问题。
6 N2 J, n l" O x- T4 M 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。
/ V: ?, q) e4 [& i6 C (3) 温度管理问题。+ Q6 w; w1 ^6 l4 u# F- j- M
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:
% K: A4 o" [& U$ H4 n/ N
6 ~ F: h1 v/ sT(t+1)=k×T(t)+ Q4 J$ {2 y; s# {0 @: [
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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