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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。
    : t/ j0 a7 N3 z  X5 V0 S6 i! i  T! ]) m# c( Y/ W; k
    模拟退火算法' P( W, J" J' K& p4 w) z
      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 V  k3 s  Z. A$ `$ C2 |
    3.5.1 模拟退火算法的模型' B  k% c% [* X5 x9 r$ @
      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。
    6 D* [& g) V$ h0 {% q  Z 模拟退火的基本思想:. v( {. N- m: A, U0 H# I2 A
      (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
    # g0 c1 S! U; e- e$ O% S6 Q* m5 s  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:3 b0 p+ b& F) m" ]/ m
      (3) 产生新解S′: W& B% j+ w+ u1 X, n3 k
      (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数0 z% J  Y( Z! [# G3 T
      (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.( S1 j: y2 `% H
      (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。# ^2 l3 F, T  r8 @$ 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。: L" W! f; I6 J( n0 `" P6 V: b/ Z
      (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。$ j7 Q! M" I) }) W3 [
    算法对应动态演示图:
    * b# U7 e! Z0 l模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
    1 y9 }* D/ g( M  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。( `4 A/ A* \: ~+ L/ D
      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。5 f+ O, ~/ }9 ]
      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 g. T3 Y6 c7 T  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。
    ' F, H8 Z! b, g1 w  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。9 M. b2 Z! J/ ~
    * J/ T& w$ F1 H* b+ o6 _

    ( x3 }6 S1 v9 D; |+ G! O- N9 b模拟退火算法的简单应用
    , |) \+ _, d3 U! M6 p. p$ I. R% j5 v  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.。7 t6 M6 D: r! x$ `
      求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:
    8 n7 d5 C; c8 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)
    2 U- ^! h, C: l9 n  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:
    ! B7 j- O7 o5 Y& u
    , X3 H6 m  L; ^2 r4 S  我们要求此代价函数的最小值。
    6 O9 A. b, E6 q* {  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& q' v' u5 i2 N, O+ o( |
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn). ]7 @2 {3 i; l4 U" r  Z
      变为:7 D, O) ]% K$ a
      (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).) J- u2 u& u; @# V
      如果是k>m,则将" w' T8 G9 n* G' X; }+ v
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    2 y/ }4 A" Q. N& }6 P. H0 p4 O  变为:
    8 G4 t- f2 q8 s$ q) u0 n  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).9 C  h+ \& j- }. i; ^* _. b4 I
      上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。; g1 u( r$ d* z* S5 H0 p+ A( 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。 0 e, D# z) [; Q9 Z5 G
      代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
    6 F% ]) X# d) d0 u$ B& R4 f, w  \5 j
    0 d8 a% M2 m, E$ a5 c& S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:
    7 i( q- N7 f, T4 l$ \Procedure TSPSA:* j+ v5 c6 R) r- s3 c# K# n
     begin / E5 h/ f3 j9 K1 I
      init-of-T; { T为初始温度}5 M9 Y) j' u" \" b& b9 |* p9 _' J
      S={1,……,n}; {S为初始值}
    / b2 W* R$ F+ e! D: y) s/ @# e  termination=false;
    - ^7 H' j/ G: Y! G- y" ?  while termination=false
    ( d. e- l) X' l4 s3 K1 q* P6 T   begin - j& S* t( I! w2 P! n
        for i=1 to L do% u- Q! s4 X" E4 a
          begin
    : u6 M$ V; w' G4 }        generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}6 {  _* X5 C$ M  ~5 P7 D
            Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}/ N0 Z6 e; Y. I4 p+ x' C! a
            IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1]); S  r; ?/ s4 N5 r+ q' }6 y2 q3 m
            S=S′;1 m8 G: ?- e2 K  z0 a. m& e
            IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
    $ o4 s8 J' h# [( q3 J        termination=true;
    * D, v# K2 M* f2 x1 x      End;
    + [7 `# V% ~* c7 D+ G8 y# A    T_lower;
    & l) l  U" N  P   End;  V2 w) R1 _+ Q
     End; j( F7 Y* K& 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。
    6 O- o' i3 E# @2 |. V
    : Q( f8 y/ T* A  I! \& D' H2 s2 o$ P* q! ^0 m$ w. r
    模拟退火算法的参数控制问题
    ! D6 h, M$ w+ Q) U: q; P7 ^  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:
    . g. Y  }- ?5 n& t4 a- V; I5 i$ Z  (1) 温度T的初始值设置问题。( c% K. ^4 }0 K6 t7 I' P. J
      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。
    7 L; L" @  ^; v3 r+ x6 u! i  (2) 退火速度问题。
    9 d( Y" r! P) k: t  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。% H' V# X% `: }3 q
      (3) 温度管理问题。- X" j1 m# Z) t* P7 w0 C
      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:
    + l9 ]' z5 v+ j: ?
    " n' O3 J& N9 O  {- hT(t+1)=k×T(t)# U# c. V# D2 `
    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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