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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。
0 z" W# S; m8 }# ]+ ~' }
3 C4 L5 S( h ]8 C$ l& i& I1 ~模拟退火算法
. `8 W H. U' A& X3 W$ m 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。 " M0 E7 U0 y& w$ B7 Y8 M; N
3.5.1 模拟退火算法的模型
0 C0 b1 y3 T @1 [6 x 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。* z4 u g! m$ a" I7 j
模拟退火的基本思想:% `" Z, ]. }9 Z( T
(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L1 V; H: C: |( v- K
(2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
* v8 A+ D2 S& \' [8 s6 U" v, b: t (3) 产生新解S′1 d4 r5 m1 E% K% g
(4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数. X8 H6 F1 p( M
(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 m6 i! C" c- M# i5 m' w
(6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
' F' F3 ^) F- r3 j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。
# Y7 D6 A) f r$ ?+ t+ a; ? (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。5 }9 n5 B2 B* c8 |- V8 Z0 K
算法对应动态演示图:
! w, J# I8 \& @模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
/ |7 P/ b" l+ b" a* E 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。, N( K! ]/ _9 p& n* V- k+ J
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。, ^/ D; c9 E9 |7 s! J
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。
$ _: G, K) R( X/ x 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。
& b `7 c7 S5 Q3 F. v, f7 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。$ x) e$ _# \; h+ ~! \, v1 \) D
( ]1 p3 i/ d4 V' }& E6 h
. x7 x/ t6 ? v$ ^模拟退火算法的简单应用
* `# b e9 x' z$ t 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.。! G+ ~7 {- t% H
求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:
5 H, ~$ s; h7 y& x9 J! P9 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)
5 V# L4 H8 C( H9 q6 [2 E 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: . i; B+ k8 b$ O$ u+ D' h1 {2 P
0 e' @) H% F1 {8 E 我们要求此代价函数的最小值。
( `! |' G8 E2 g# h/ I" T 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 z2 s* x" |$ G7 E* h (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
; ?; Y0 \3 m! P- N 变为:
1 J1 o) Q/ \9 k% F& p8 V (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).* v [% ]! R8 N% u4 ], l
如果是k>m,则将$ t6 {9 _* g# {6 l Q* N
(w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)' q+ ]& p. }! k) C/ }5 U
变为:
3 A' E* `, S$ q/ h7 d- c (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
6 ^4 j& ]2 e5 K, e 上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。' F- a) ]0 A' P2 C
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。
+ {1 k" V D5 t& X7 L1 J O 代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
+ u9 F7 g0 N. A5 o+ G: A5 N5 I2 L: 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 h" u% h O1 g# s8 ]; T; ~8 r' F/ ~
Procedure TSPSA:6 B: d6 P2 E) \, N/ |
begin
# g6 p1 ]$ x/ x6 G& u' L init-of-T; { T为初始温度}7 c+ w6 x( K3 k5 z4 o
S={1,……,n}; {S为初始值}
) P% P$ a# }6 I3 p" |9 E8 n O termination=false;* W& [* {1 x+ n$ M0 T' V
while termination=false
0 \: Q) q- J. Q& J: {( _6 ? begin
" T0 Z/ A2 X0 z for i=1 to L do
- c g3 T7 f: r+ E$ \/ c begin* ~( T4 ]9 U j, j
generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}: S/ [! u H0 Z! h' x* n7 _1 J
Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}
8 P- [8 ^# C% Q/ Y" o4 r IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])
5 _, x+ V1 t6 v; r8 r8 D! C S=S′;
! S& j; |; Q) M8 n* i- t c IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
! t7 e4 b! Q) b termination=true;$ z0 Y. v9 U" R- g7 L
End;
) @" ^5 ~9 B% ?4 g T_lower;
7 g6 y- W' M4 t" R End;
- Z" x9 _% H# e I. ?; s End2 \" @) |/ K# N( ]
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。
$ _7 k+ R4 d/ U5 H; T5 e' E) u1 O- `- m2 r* Y
3 J/ `* |2 B$ C模拟退火算法的参数控制问题
" X- l q4 { ^* W" @ 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:1 Q% m; R' Y' k& i- M2 i5 Z
(1) 温度T的初始值设置问题。# U2 Y; v/ _8 x3 E# ]
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。! _' b, B7 d& ~1 k& i
(2) 退火速度问题。6 m8 @! L | }( B& C1 g7 A
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。( B5 e2 B: `. R
(3) 温度管理问题。
6 `9 u/ N7 F0 _. [! ^; 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:
! p+ d1 u: d3 F _8 o
3 k$ C+ g! G, T. t9 d. C, D5 XT(t+1)=k×T(t)
6 X) @& T/ @+ M2 k$ c2 b8 A! ]. ]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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