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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。
    . P6 Z7 ~5 ^1 r: _- }! R
    6 W4 t/ ^$ q, y模拟退火算法  y& g. v/ M9 J) z
      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。 ! b* k) T" _! N" Z
    3.5.1 模拟退火算法的模型
    " e3 ~5 \1 V2 F2 O# m- ?! e. b* {8 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。: m2 `, x3 r: w( z( f8 P
     模拟退火的基本思想:
    1 g0 j! ]# l2 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
    ; G* |2 Z1 C  N" x$ G" Y  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:/ e6 u: a) ]1 F! q5 R; b8 }
      (3) 产生新解S′
    - E3 @( J7 R. X  (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
    : k6 n  f" k! W+ f  (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.: x0 p) w$ E$ R6 k; k5 u% m) }
      (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。$ S1 `: p: i5 o3 A- b
    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% {- g5 {- D$ m  (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。% W) f# q$ p9 _
    算法对应动态演示图:# \9 X$ Q  Y: Z0 ]. h7 S* E
    模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:: Z+ @# H0 O* |* C; 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。7 c+ y4 w$ T- y' 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 |( s5 s7 |7 X5 T& M  M
      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。
    ; ^/ N5 K: _. N  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。
    : Y  y# h# m/ ~  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。( o6 X$ F/ l" Y4 T+ g+ `! G6 l! ~! x! D, Q

    7 N- I8 \0 G9 a8 ?% N7 P2 G8 m' ]7 g
    模拟退火算法的简单应用0 ?$ ?  i, L6 h+ B
      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.。
    7 I+ f6 A' Y) L4 m6 ^6 l  求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:' d1 W9 [; e% x! 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)% S4 O3 d' s7 d& c
      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:
    , {. Y& \  F: z6 Q3 V4 Q- W' b
    9 N# ^) @! N! U/ T5 I# ]1 d/ y  我们要求此代价函数的最小值。
    ( M. v% e* M4 O' B  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
    0 b/ S/ u, }* O  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    + W' m" t$ j: N  变为:
    , [0 s4 A8 T2 u1 x' y5 v  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).
    4 L! A9 A6 i/ s- n8 Y. F4 n  如果是k>m,则将: l: x* I, T4 e7 C, P, d$ a
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)" m5 @5 o' k6 O
      变为:
    . D( }7 R' [. y  S: K# A  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk)./ P3 |  r6 J) n* m1 _
      上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
    7 y, @2 ^0 C# L" [  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。 . O. T' [, N& R' x$ u
      代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: - _) i2 C  o; p7 \4 l; W' B
    / _2 U' x2 Q% |# y/ T; `! \
    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:
    0 C  q* }5 o8 E: MProcedure TSPSA:
    : W/ d0 m* }4 N  t7 ^ begin . t) P* f1 b" x
      init-of-T; { T为初始温度}
    8 V1 K0 m# c2 v9 [* ]  S={1,……,n}; {S为初始值}
    " [; a$ V( B  ~  termination=false;" T& l! g5 g1 w  q6 n/ l1 C
      while termination=false
    8 M3 S' t: d7 z- ?! Q1 x3 i   begin * A% z! L4 w1 \* m4 p+ d
        for i=1 to L do+ s& a( r& D0 V) e  F% W& Y8 N
          begin
    % W% J# j4 I6 b6 c        generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}% a/ @$ c, w, a( d$ \
            Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}
    3 k% w0 a5 M$ C) W1 [$ W2 P3 Y/ Z        IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])
    0 e1 F. N( b2 P' N) `        S=S′;
    , X; v; J. H. c        IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
    ; O5 m5 A/ d+ l5 v$ k% y        termination=true;- \1 a, `; ]# q/ s9 v
          End;
    . {/ d. T8 Q' A$ Y1 L    T_lower;
    1 `4 P7 T; G8 Q: P* M2 c   End;
    : K6 \! y( Z" b7 V End
    ( j% V1 z% _/ D2 {# p4 e  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。
    0 Q4 b9 y: a9 j& S4 L9 B$ Z/ h. d+ x9 H! M% G/ N: H8 B6 x
    & y; _  J! w8 Q5 k8 u2 l$ S5 @& _
    模拟退火算法的参数控制问题
    & ^; Q: c; o: {; e* _  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:9 Z% X( B( b8 m0 L( _* _# H# S
      (1) 温度T的初始值设置问题。- M* C! }0 }  Y, R% v) m: M0 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。1 s0 l3 p3 e, e" R
      (2) 退火速度问题。# h+ ]( Y) e! R" t9 q1 j
      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。
    % Y8 @' V/ O8 i0 m8 s' S+ o  (3) 温度管理问题。
    ! m9 o, |9 j* ~( W  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 D% O/ Y- _) J) l5 j8 Z1 x& W
    ) v% q* g* b3 {+ G, ]# k1 u, O
    T(t+1)=k×T(t)
    & p: J: @: ~) \0 b, y1 ~" C! q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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