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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。4 }4 D3 {) x, u  T2 A% _

    & k9 G6 {% [# S- J, `模拟退火算法
    9 I3 s- r8 i9 ]: j( L( 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。
    % E& o7 T) B) d- O, K" b3.5.1 模拟退火算法的模型  V( E  W  {* U3 q  S7 p$ v& @* C
      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。
    " {1 {. u, R; O5 g7 a. [8 F& F 模拟退火的基本思想:' q8 S7 R/ c! ]/ h: [* @( n  O
      (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
    ( l* V& a- [% Z3 T. X) j  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
    3 }1 o) ^3 b1 q& Y) W  (3) 产生新解S′6 Y( D) }; u& r7 R3 D
      (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数& \8 X8 j: |1 U1 ^% X& N# h% i
      (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.
    : b4 N7 V7 G* 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。
    3 F- c$ T  H# h% a0 o: Y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。# c& |2 J$ x9 X9 O( I, @& K
      (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。' y' ]& W  M1 |& r
    算法对应动态演示图:1 U' s+ N  ]3 Y  P2 w, ?0 B. Z. |* M( i
    模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
    ) X0 W$ D( n. A$ J  S  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。
    ( B9 B* n& X. h# F  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。
    7 W% q- E% {& C- U  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。0 X& ?2 e5 B! D: y+ p+ S7 b2 F
      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。9 k$ K* {$ e/ W) l3 ]. A
      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。& l. a4 w4 e# c. J" W
    % P* I5 ~1 H$ U" v1 {8 q
    % u/ P2 Y/ ]7 b- Z+ ^% a/ _) X( _
    模拟退火算法的简单应用
      H! M/ |: b4 K7 p0 u  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.。! r8 L: S; z, l
      求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:# q5 N8 b- w7 u( i2 k. {/ A! O
      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 L. C! m! A. h, a
      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:
    ( z: k* _: T$ b) b5 J* G0 d8 y& Q' T: S$ r6 G% r
      我们要求此代价函数的最小值。
    ' h  N+ G3 _- e. L1 N  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
    5 U# A, W% Y7 R, g9 M" C  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)5 m/ ~4 W4 ?) m+ s+ Y
      变为:' K9 i) X$ L5 T0 Y+ {- F  I
      (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).
    . V9 q4 p, o. c& f  如果是k>m,则将
    , T5 j6 I& K9 N* `' ~' B  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    7 Z, r4 w: N$ D  [. N, z  Y) a  变为:
    1 T2 r8 {4 i0 X+ w  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk)./ w3 b% D; X9 i2 O+ Q/ g: O
      上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
    ) F2 t0 x0 B3 v  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。 / j2 m! N! U& Q/ X$ w$ {+ Y
      代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
    4 J. V- d0 W4 R. E# J
    1 k( U" w% G9 N0 A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:, j# V1 M. d9 e, U, S' b4 h( Y
    Procedure TSPSA:
    ' f9 w. m- e% i3 N$ ?! B begin $ {) g% f6 c- G. ?! X
      init-of-T; { T为初始温度}
    ) H8 P. }: {6 v& l  S={1,……,n}; {S为初始值}
    " r& M. t! y/ V  termination=false;5 a7 }5 \+ O6 o$ s
      while termination=false
    7 @3 d, [& E% |# S" f9 C- R. U- W1 r   begin
    % r1 U4 o- O$ ~9 G# }$ v/ u    for i=1 to L do
    + {4 }( x4 o% [) Z' Y  i) j3 `      begin; w, S/ @& N$ y- X8 f2 g+ C) Y4 f
            generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}1 v- n, p- S8 f+ W4 {5 v- s# X4 @9 ]1 Z
            Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}. C2 p# @* V0 W3 [
            IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1]). ]. q1 _$ H9 u- t
            S=S′;
      @: w& ~$ k! u        IF the-halt-condition-is-TRUE THEN * Q7 K  g( }! O1 W  F
            termination=true;
    - h: x% p; y  R; k, C      End;
    ! i4 \% ~% f: B. R( w* ~* ]    T_lower;: Q! M$ d" M$ M
       End;7 K, ?* W) ]. J- ~7 F' O
     End1 y* i: q) p2 M( B9 Q# u4 D
      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。% f3 I( G' d1 n4 _+ l/ v

    4 M9 ^, m2 v1 V4 s) p- J( K
    2 x% L& n( t3 ^( N' {模拟退火算法的参数控制问题
    - [! }% i7 M4 n  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:) Q7 F5 P* D* j! r/ o4 P
      (1) 温度T的初始值设置问题。- W- d; V! h5 t6 U9 ]: [- h" |
      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。: F6 l8 W! T# i8 H  t, V* C! s
      (2) 退火速度问题。# S5 l$ T6 \' r) y) 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。- R; T2 h* l( Q) u; s9 p
      (3) 温度管理问题。
    7 o8 o0 |+ s( s/ @3 x7 r% n& P" h7 @  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 @& G6 V0 O9 R# G, b- [- }9 p6 t& G- I* h3 b4 X5 l
    T(t+1)=k×T(t)+ m# H% n& Z  y3 S* t
    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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