QQ登录

只需要一步,快速开始

 注册地址  找回密码
查看: 9396|回复: 18
打印 上一主题 下一主题

[代码资源] 模拟退火算法

[复制链接]
字体大小: 正常 放大
xttataat        

5

主题

4

听众

41

积分

升级  37.89%

  • TA的每日心情
    郁闷
    2012-2-15 14:23
  • 签到天数: 4 天

    [LV.2]偶尔看看I

    跳转到指定楼层
    #
    发表于 2012-1-13 19:16 |只看该作者 |正序浏览
    |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。
    * W, |9 g4 i( P  d7 p+ L8 \
    # J) W* R  n3 Y  Q+ G模拟退火算法
    + S4 Z( K0 q% F5 v7 ^  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。
    5 q7 [4 X" ~0 C- ]  g0 I3.5.1 模拟退火算法的模型
    4 l4 G7 k. b8 {7 K' L3 A- N8 l  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。
      o. T  U: O) B6 ~4 T) j 模拟退火的基本思想:
    - R7 {2 u" \! i  (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
    3 v- Z( a; p( O3 ^* `9 a% @  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:8 q3 l5 `0 G7 l% O6 P
      (3) 产生新解S′( r# }7 ?0 ?7 D& x
      (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
    $ n2 e& L* e, r  (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.4 C5 y' r. v6 s0 H6 Q
      (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。( {; w7 ^+ T& g3 l! l. l* f2 r
    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! S' M. N+ V% w  l) A* K" z) G  (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。0 y, z: [( i6 V. m6 h
    算法对应动态演示图:- a; N. w0 R! A( r
    模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:* u$ M- {) F5 i. @( u
      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。
    ! p8 M! j' Q+ L- _( I' |/ c  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。
    " C% H  J- S( d7 Y! U! K  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。
    ; P0 j4 g- O! O- B, w  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。% K6 ?8 w5 A, _3 Y- X; r/ a3 ?
      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。+ ^4 F$ I) n# |/ O& G4 z

    " J, [8 ~0 ~% Q2 ~) ~
    & D1 P- f' [0 j4 N" h4 J模拟退火算法的简单应用
    3 W: J9 Y" R. o" T4 A. h* T4 ?7 j  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.。
    * W% H# a- @$ J) W' B. \: e  求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:
    ) W4 P5 ?2 A$ Q, i0 B: u1 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)7 N+ j+ P3 P1 z  L+ Y7 S9 T) s- i5 P/ 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:
    " c9 g9 c/ k0 ^
    ! N/ N9 I2 Q& o8 X, @8 y4 d  我们要求此代价函数的最小值。
    3 A# I0 r. B% L( Q, ?0 L9 \  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
    ! s! a/ T5 U# u. h: W  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)7 o, s* K' M" h7 O* q2 Q$ @! P
      变为:% V, m9 p; c; w2 r
      (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).4 j# \( L, G" c# q, @- Y
      如果是k>m,则将8 c  ]. ?' {' k6 `/ x. U. k; J4 ~
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)9 h5 I7 d6 {  s9 u# V1 ~+ B  ]! q
      变为:4 h6 t& h1 I% y/ J8 `- w
      (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).1 z3 W  Q  m  @& c/ L) ^: a# Q
      上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
    , g( v8 f; L3 k. x. s6 `8 x  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。 4 S& [" d1 r* Z7 x# ^+ ^
      代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
    ' u2 ^& O" i/ ~* M7 J6 ^. R! b* k  ?* X! m1 ^9 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:* b9 T7 J7 P$ I, F1 t
    Procedure TSPSA:
    * {$ u. ~, ~; C1 @; S$ r+ J begin
    9 H3 M  a. Q$ }+ B+ c. s# |- k  init-of-T; { T为初始温度}! ~3 t2 ?# V7 J2 X3 x- h1 \$ Z
      S={1,……,n}; {S为初始值}
    # `) P  ]4 ?* [9 c- S  termination=false;) k5 H8 e% y# d5 K1 w5 ?
      while termination=false
    # ^5 w! f2 C& ~. p7 ?   begin 0 G7 J  ^( Q% t; l7 I
        for i=1 to L do' V+ b" S9 y; b
          begin
    $ |5 r1 @) c! D& i1 O5 y        generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}5 d( K1 A9 O0 ^6 D& A* K
            Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}
    & E% Z* B( j" d: H; {/ w+ G; F8 o        IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])% m" |& L4 H2 C) f3 O& L
            S=S′;
    . v/ d- G0 F3 V) G        IF the-halt-condition-is-TRUE THEN ! G: w2 n% h+ z6 E. A
            termination=true;5 c% ]: A3 `: _$ b
          End;
    5 D- \+ Q; t; P    T_lower;
    1 C/ ~! g1 y9 ^) g   End;! C9 v' _4 z: k" [  G, {& V
     End
    ) i% [% C/ D+ a6 B) F  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。; l; y5 f1 @' d

    , \7 P- R* \9 J) y0 }; i! J4 y. T9 G4 o
    模拟退火算法的参数控制问题7 |( c/ |+ ?: R$ B; p% b: F) F3 D
      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:& X3 n/ O$ j( z% j3 W
      (1) 温度T的初始值设置问题。
    0 e5 D' ~1 m8 i; `  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。
    9 U# M+ f* H2 Y! E8 x  B5 a  (2) 退火速度问题。; @7 a" [* o* ?
      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。8 P  c2 O2 H" {# a) u0 j& l+ k) o
      (3) 温度管理问题。
    3 x' d" r* L! y% z* 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:! \3 z4 ]4 l2 b. C/ w

    4 p  C* V; d" n- sT(t+1)=k×T(t)- N6 E7 f; m5 n1 W
    式中k为正的略小于1.00的常数,t为降温的次数。
    zan
    转播转播0 分享淘帖0 分享分享3 收藏收藏1 支持支持1 反对反对0 微信微信

    1

    主题

    9

    听众

    1747

    积分

  • TA的每日心情
    开心
    2016-7-26 21:58
  • 签到天数: 182 天

    [LV.7]常住居民III

    社区QQ达人

    群组: 2014年美赛冲刺培训

    群组: 数学建模培训课堂1

    群组: 物联网工程师培训

    群组: 2014年网络挑战赛交流

    回复

    使用道具 举报

    刘冰        

    6

    主题

    9

    听众

    106

    积分

    升级  3%

  • TA的每日心情
    郁闷
    2014-2-10 00:02
  • 签到天数: 32 天

    [LV.5]常住居民I

    自我介绍
    大二

    群组: 2013年国赛赛前培训

    群组: 09年国际数学建模群—鹰之队

    回复

    使用道具 举报

    木…        

    0

    主题

    6

    听众

    108

    积分

    升级  4%

  • TA的每日心情
    无聊
    2014-6-2 17:46
  • 签到天数: 34 天

    [LV.5]常住居民I

    自我介绍
    为
    回复

    使用道具 举报

    木…        

    0

    主题

    6

    听众

    108

    积分

    升级  4%

  • TA的每日心情
    无聊
    2014-6-2 17:46
  • 签到天数: 34 天

    [LV.5]常住居民I

    自我介绍
    为
    回复

    使用道具 举报

    0

    主题

    7

    听众

    88

    积分

    升级  87.37%

  • TA的每日心情
    慵懒
    2013-9-27 11:22
  • 签到天数: 28 天

    [LV.4]偶尔看看III

    自我介绍
    学习者
    回复

    使用道具 举报

    hbtth        

    2

    主题

    7

    听众

    283

    积分

  • TA的每日心情
    奋斗
    2014-2-7 13:27
  • 签到天数: 48 天

    [LV.5]常住居民I

    2013挑战赛参赛者

    自我介绍
    新手~~

    群组: 2013认证赛C题讨论群组

    群组: 2013认证赛A题讨论群组

    群组: 数学建模培训课堂1

    回复

    使用道具 举报

    0

    主题

    11

    听众

    174

    积分

    升级  37%

  • TA的每日心情
    擦汗
    2014-5-26 12:12
  • 签到天数: 83 天

    [LV.6]常住居民II

    自我介绍
    工科男
    回复

    使用道具 举报

    shlovehl        

    8

    主题

    8

    听众

    395

    积分

    升级  31.67%

  • TA的每日心情
    奋斗
    2013-12-17 23:53
  • 签到天数: 101 天

    [LV.6]常住居民II

    自我介绍
    最近在研究算法
    回复

    使用道具 举报

    皮皮豆 实名认证    中国数模人才认证   

    0

    主题

    6

    听众

    10

    积分

    升级  5.26%

  • TA的每日心情
    开心
    2013-6-21 16:33
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    回复

    使用道具 举报

    0

    主题

    0

    听众

    2

    积分

    升级  40%

    该用户从未签到

    自我介绍
    123456
    回复

    使用道具 举报

    您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册地址

    qq
    收缩
    • 电话咨询

    • 04714969085
    fastpost

    关于我们| 联系我们| 诚征英才| 对外合作| 产品服务| QQ

    手机版|Archiver| |繁體中文 手机客户端  

    蒙公网安备 15010502000194号

    Powered by Discuz! X2.5   © 2001-2013 数学建模网-数学中国 ( 蒙ICP备14002410号-3 蒙BBS备-0002号 )     论坛法律顾问:王兆丰

    GMT+8, 2026-10-11 02:50 , Processed in 0.431298 second(s), 120 queries .

    回顶部