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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。
    - E% C8 M$ g( V* S7 u3 |! k  H! i( j1 U
    模拟退火算法
    ) p4 E/ e* y; K) ~* ]# u  n* U  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。
    7 h& U0 L/ W9 h2 R* l# n3.5.1 模拟退火算法的模型( u' l, h* h* a
      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 q' }* B' K$ I- D4 d+ p
     模拟退火的基本思想:) ^. P" u, @4 u
      (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 r/ I$ n. R+ u) @  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
    ) O& U9 H& K: J. A! Q. c4 R' t  (3) 产生新解S′$ x) Z9 e: v; Z( W
      (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数' t8 d5 B% }) J, Z
      (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.: _: N) D5 O  I$ J
      (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。7 ?! }4 E. [9 y( b/ v. ]
    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。, t# V: K& M: n: c
      (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。
    : H' e. H0 k& l算法对应动态演示图:6 s9 }0 r2 P4 _7 G" R
    模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:" c  k. G- X. V% f. [. B
      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。
    ) v4 Q: I" F* W# E$ S8 y  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。+ h7 I8 i' t5 g% W
      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。/ h" u, }  j5 C
      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。
    / R' I* g5 r/ t( f9 p8 q" H$ G$ q  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。$ I) q9 Y5 f5 I$ G4 e7 z& n

    ! I' h0 d! {' T( M) t7 B, @% J2 r. B) a9 Z! h9 L- B& @
    模拟退火算法的简单应用; \  W9 g' X. {: V: Q' I4 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.。
    ! x1 w( Q: m; Q% ]  T; n  求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:$ N* ?, l2 @, f. M* f1 W
      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)& a& E$ {$ m+ T2 Z% w' 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:
    3 G' q( N0 v' k2 F1 J# @6 b
    2 z  w4 B6 h! D  我们要求此代价函数的最小值。
    ) s* F2 u) J3 K2 o/ J; v- 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2 F4 r9 |8 X/ r$ n
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    ; L: E5 O" Y1 v% h* Z$ ^  变为:
    ' u1 K  U! T  u! g  y; n1 c  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).; H. Q5 {6 O! }+ J! E& D
      如果是k>m,则将
    * q  S6 v% F9 {. f  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)' V2 r) [$ [, [; z9 o
      变为:( y$ Z$ p3 M9 `3 F) c6 r  {& Y. Z6 q
      (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).8 g( S  p& E& }' V
      上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。- Z3 p( G! H8 w& z+ 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。
    7 j  E) Z: s- ?5 z9 }$ [( F  代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: ) P/ I6 [6 M/ f; Z, T( T+ h
    7 c; F0 C' l3 X2 w! X6 R( j( ?
    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:- E& h9 T6 q, T: x
    Procedure TSPSA:
    % `' P. r/ d6 p3 q' g1 Z, R3 x begin - _4 f( R5 u" N5 C9 P& b
      init-of-T; { T为初始温度}9 [( ?$ W, h! y" P' x0 R
      S={1,……,n}; {S为初始值}
    5 |+ t0 b+ R7 I$ ~3 Y5 [  termination=false;
    % ^. j' S/ o$ V( j: b# T  while termination=false- a7 K7 ?* P* F% c$ z
       begin , L+ t  L& ?; R+ W: m% m# v0 Q
        for i=1 to L do+ `+ ~! \! c8 K$ ^2 A7 _" r
          begin
    2 m5 W6 e# L( _) w3 w        generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}
    # y) G) C" D. m, Z        Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}
    8 A; |( A8 T1 d9 `% F$ A8 v7 G        IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1]), Z/ D  K) Q" z; w# _7 a( A0 o
            S=S′;
    + s: z3 f$ B3 ?: U4 [        IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
    & |  m+ }  [3 j8 N, l        termination=true;9 j+ g, `; @4 ~) f' ~
          End;
    ' D; V% z$ K, [; Z* i    T_lower;
      t( a. b3 H" q! N+ p3 I5 t) i   End;* o) l) J* O7 m! {
     End4 N; l$ C# ~$ |; h. _
      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 w, e  j5 V, \: u0 X! C( D( \

    4 F$ D# [, b, D, _8 C
    $ D7 i5 Z! ?# Q4 h) A模拟退火算法的参数控制问题
    6 k' D9 D- `7 `) C( ^" 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:: B7 l! [3 E+ x
      (1) 温度T的初始值设置问题。
    0 n$ g0 R& f% Y. I7 [' 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。
    6 ?! N6 L7 T3 W, p  (2) 退火速度问题。
    " E1 b5 }1 L9 l# [9 d# i" G  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。2 T6 Y' n0 E% H3 s0 l% K3 L
      (3) 温度管理问题。# u5 y2 y5 E& _5 c6 x. N) P8 v
      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:
    6 e" L3 m$ H; w1 @' \& P9 F7 U
    T(t+1)=k×T(t)
    0 |" h) |- D& W4 n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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