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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
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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。
    2 I3 g" P1 K- B: G9 h& e& l7 `& F% M7 @' n$ o
    模拟退火算法3 S' ]* n. z0 o( l- |
      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。
    9 z) B: `9 B* z4 Y3.5.1 模拟退火算法的模型  i% X( w9 |4 T7 Z3 ?. v
      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。
    8 w2 h* P! l: w( p 模拟退火的基本思想:
    & r+ f8 H1 s' r* g  e! |- Y( S3 s  (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: P  d  ]8 a9 u( V# J6 J
      (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
    6 d7 U/ B) N7 [( C% k2 j6 ^  (3) 产生新解S′( Y- T  n5 }* r# N% e& Q% B
      (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
    5 }, ^/ m3 L2 x7 T0 S8 x  (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.6 e6 {0 L4 Y6 |
      (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
    ) K0 J! }1 U* c! W# 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。" _6 O5 p7 H; N& _& V8 {
      (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。
    * j- U. m3 q# h$ \9 p  o" ^算法对应动态演示图:
    ! v6 g. b7 z$ G& g2 u5 y5 T模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
    $ c6 Y* d: A4 @/ h  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。+ R1 J5 h4 z# p# M6 g. V- q
      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。% W% A/ W4 ]9 z2 @: H2 S6 l7 N! f2 ?* 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。
    7 d- w! x2 x7 }" Q5 x5 G( E  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。5 \( k' b" j0 B+ |. r% G, 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。- q" R3 `9 D# j3 d

    % l4 a" Q0 }  E2 y9 m- i5 g5 H' w% v3 N. M% C9 Z4 H  V; j* p. d
    模拟退火算法的简单应用
    , q8 ]+ v% K( d( |8 z& R  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.。1 Z9 @+ o" Z  u& _
      求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:' }$ v% i9 M/ h2 F0 [" f( h, U1 f0 @' z: \
      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)6 J$ G; s9 l, C+ Q
      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:   x- t% f  L1 T6 R& t) ?

    2 y6 q  _# J, y+ [, @/ x  我们要求此代价函数的最小值。7 p9 H6 B, l) J& `! J; f( ^* F9 x
      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3 l! E5 D; A* o' J# y
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    * l3 n; w  P2 R+ ^) B  变为:
    : W. o( R- I% Y  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).
    4 w+ i6 e: T8 x4 F  如果是k>m,则将' T% e) t) w6 F; _) F# B% \
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    1 l. v9 [& U( j1 j% y9 u+ m& d, x' Q3 ]  变为:
    / K1 u5 D+ U) h, i6 u$ i2 \; C  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).0 Q) ?7 \7 ~5 f
      上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。" W& s/ [4 t# b7 y5 [9 f
      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。 " z+ Y; r& T/ V  h! r: F$ a
      代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: 4 y% i; U9 ~; C# i( y1 I& q
    5 G' D' _5 r" \/ x; O
    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# h1 C: ~  D( P) V- pProcedure TSPSA:
    8 C( \- w+ {% x! l& j* m6 ?1 k/ H begin 1 a" E/ z. T3 m  d* ~- [. D# v
      init-of-T; { T为初始温度}+ y8 O$ U# A  x+ F8 x
      S={1,……,n}; {S为初始值}# n% f1 u- Y* P% ~- x: L
      termination=false;
    ! w: G# f, W4 w1 H6 u6 i  while termination=false) o, `  O; r9 H# q/ O
       begin 2 J+ N1 _: [* Q
        for i=1 to L do# O3 @. w& m* T7 S# Z% x1 m3 v
          begin
    ( g* n' c8 Q- t5 M        generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}
    , B( Y9 Y" i  y" B* v) q        Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}
    : D! ^5 K( h3 e% \  n2 Y        IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])' y! R7 f" B  v3 C+ T
            S=S′;
    4 a, W% g7 M7 E/ z. v/ V# g$ U        IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
    " P' z, m5 t$ B$ n" Z' n        termination=true;
    7 A6 `9 k: V) v& u! T0 l      End;! K8 j: j8 n; N& m2 {4 B
        T_lower;7 w- ~  x! k) K9 A+ g
       End;) R/ T& {* B4 M( _, F/ e
     End
      K3 S8 `: w' r" Z, ?7 }; 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。9 @3 b! m/ X# V% u0 D# ~& K0 t
    0 B2 j# |& A5 u5 A

    9 Q+ L/ Z3 ]/ w! K- w& e( g模拟退火算法的参数控制问题  P* x! B( u! Q1 A
      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 [/ P0 Y. l. s9 h5 I: E# K
      (1) 温度T的初始值设置问题。- ^0 n0 B9 q) z  r: l6 ]" |
      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。
    2 b; h' z+ z) q' J* D  (2) 退火速度问题。
    , h$ H5 S0 R+ t5 @  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。5 Z# p7 b( A/ F
      (3) 温度管理问题。
    & x. n$ \1 Y& C2 q( p6 F  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:$ N# |1 k7 v' }" ]. S. S. m8 _, U

    3 _: _9 B0 ]8 N4 k0 N2 D& A) O+ GT(t+1)=k×T(t)
    1 {- }7 y9 Y" b$ S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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