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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。/ b+ E2 U# I8 T' e7 S9 Y% H% Q

    : T( H* w; k4 a) v  Q2 N1 m模拟退火算法
    * f) `" A8 q5 \) S  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。 + s) \5 u( y1 z  ^6 Q
    3.5.1 模拟退火算法的模型
    ! j6 T$ l  C* Q& ~% s  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- ^% ~$ [6 G- v0 _& c2 U 模拟退火的基本思想:
    7 F# w; l& g: d; q  (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 n+ h+ ~0 [4 I8 R  P" ~9 g  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
    " ~- O6 D1 l" s. S+ L  (3) 产生新解S′, P: ~( @# t% h0 p, V) {
      (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数& `8 S+ Z$ B4 u+ S  ]6 q9 @. y
      (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.
    1 |6 p) ?2 p4 V  (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
    / y6 k' \9 @( O# M6 `8 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。
    0 e, ]- [8 G" q8 _1 v5 R, m  (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。- y+ |. Y8 i" D5 r, _
    算法对应动态演示图:; `8 i% s- ^. ?- p1 K
    模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
    ( V* A  x. Z& Y6 h( C! d; J3 ]' _  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。! _6 P- G4 ~( {; _
      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。- @/ h+ D, Y+ I7 P& ~
      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。' O1 p& ~" c% q  K
      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 R% H8 ~. A/ O  _
      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。: x- |" F0 D# K9 J& Q
    ( n& n! }/ A3 c9 N* K9 d

    6 }' x9 U' s4 L& q! Q模拟退火算法的简单应用
    & @0 ]* G& [/ t) e  @: H0 p  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.。
    $ |6 n' Y+ I, x: z& }6 ]  求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:
    1 K  s' r, ]& `  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)
    2 L# _# W, y1 g, |  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: ! l8 N$ {6 V8 Z$ ]; x, L1 c: p

    : ?- @# m1 b% W- w) s  我们要求此代价函数的最小值。
    . ?% c2 `5 ]6 ~: H4 }  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. L! S1 _3 S% y1 q* U4 V  Q- s: Q# s
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn). K7 ]$ e7 D' c# E- e- O+ ]
      变为:
    . E0 O$ O+ W: _7 {/ \  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).
    0 n  n- U" o/ N  如果是k>m,则将: [! ?! f- n  K1 n
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    / a& v% b: T( T; E  变为:
    4 K. h8 t$ a( j, ^2 N  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
    , ^8 s/ W- b( ?4 E& u7 R% G  上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。6 w0 @  x; Q4 g5 p5 @; I
      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。 8 b& L% k/ d5 i$ ?
      代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: # n& |' W. \8 D- u6 m; k
    8 L6 B8 P$ Q% u, f5 v3 }
    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:5 H& O9 o- X/ k3 R/ t. O# G
    Procedure TSPSA:
    / e, `" O5 ]7 D% M begin
    5 C+ H( C. A' Y' |$ y4 r  init-of-T; { T为初始温度}
    # g3 j: y6 ^5 |6 G& `  S={1,……,n}; {S为初始值}
    # [2 A/ K( L( B8 z  u- B9 {1 X; Y  termination=false;
    5 X) D& w( Q& J" g/ G! U3 ^' @% n  while termination=false
    4 I# W, w* h' l% N* F& f5 d; u2 T   begin
    ' t8 Q  P8 B5 K* _6 j- }+ G; j/ N    for i=1 to L do  b* Q  F, j3 N% O0 P
          begin: z( f+ i7 l% f, |
            generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}
    - [' e  N6 P" t; ^+ \0 `9 y        Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}2 G- U- q1 a" M) i+ O% Y' z
            IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])& s+ p+ h1 a; U+ j
            S=S′;1 I3 w( k. M# }' g( ?" E
            IF the-halt-condition-is-TRUE THEN - B( k. z) }( @4 [7 Q$ R& {1 G
            termination=true;
    : M3 g( w4 P- t. O1 r) N; e9 j      End;
    * P$ ~  k$ ]; d* g, l- @3 g$ |5 K    T_lower;
    . _( ?. C0 H' q" k4 n; F* X   End;
    ; `7 E2 `2 O4 f+ i# T End: T3 @7 F, b+ U. e* }* p6 S6 M$ W
      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。
    ( n, B$ B- M7 s  r0 b! s
    9 f9 j6 F/ x/ ^: P8 n, W, b5 v% O9 r2 n: O  p# H
    模拟退火算法的参数控制问题9 J7 `0 m2 `9 C- S; F: i+ U# V
      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:
    ! U4 P3 @6 S5 J3 n2 ^# ^2 G  (1) 温度T的初始值设置问题。1 t. c' V2 E1 A9 J+ ~
      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。, S: z/ g& \6 n+ e( q4 I
      (2) 退火速度问题。2 x- g$ L( ]$ l3 p& S
      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。
    7 ?# k% _3 P2 z! y' V  (3) 温度管理问题。
    # v8 t# P7 L0 h& Q3 b6 Z) 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:1 b/ `/ }: v& r$ Y6 o7 J

    ; a2 ~% t$ V- o! a( I6 D: h8 LT(t+1)=k×T(t)
    6 Y6 i* ^7 s: d, i1 i1 e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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