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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。! E1 D, i9 X! G- G- |  i
    ' H  ^: [8 T$ t1 H4 N* M3 N
    模拟退火算法" a& b' W; h8 b7 ]
      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。 + d, u8 z8 i# @% K
    3.5.1 模拟退火算法的模型# y" l0 r% m8 P
      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。
    3 f! p" d1 z- i' z( a# ?9 I 模拟退火的基本思想:
    1 f  J5 p* A: S) ?7 g  (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L4 s: Z" ~9 B$ J# x- o$ W2 u& {
      (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:* {, z  L( W& G  T8 z$ l
      (3) 产生新解S′% i, |$ S3 U5 d1 h9 q4 B; k
      (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
    - V1 p% l) a" _$ g6 ?  (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 U8 ~7 \% p! X  (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。% g; [/ T: m; a
    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。  ~/ Y# Z* Y: G: ^! @. {) H# @
      (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。% O7 Y0 n5 e, L. T3 a/ F
    算法对应动态演示图:
    % I- x% [1 i: d4 Q4 l$ K  k7 n模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:% p9 O' H3 ^8 f" E) f
      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。: [( Q/ v, g/ e& T9 r
      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。
    ( g8 F  S  H% ]$ k6 o% A  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。
    ) @0 {$ l( \& h# 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。
    5 A- Y  F2 V% \/ S; F  r  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, r9 {4 u+ d

    7 ?2 Q- \/ |. {8 b7 a  e% |& U( j& J
    模拟退火算法的简单应用" Y; @  [5 M9 d! ^- F
      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.。2 i; k% g7 O1 {8 d) z
      求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:0 h* i+ Z  @! ^! W% S; T2 x7 a
      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): y5 ~0 X+ ?/ Q) U- t  T  I
      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* [: q* b, I) ]0 Q
    & [2 H3 Q. |: Z% y; x/ I
      我们要求此代价函数的最小值。+ Z: D  p; {# Q. R4 N( J5 F8 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
    & a7 S5 Z0 T5 P) ?  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    : X6 _/ z5 W9 D" b$ C  H  变为:
    8 E6 H$ @, x5 f6 R9 i  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).
    ) w0 i7 U: A5 y) c5 B# c' p4 j  如果是k>m,则将
      B) D, o/ [1 F$ b9 R  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    3 ?  e6 B% y+ D$ G1 b( L  变为:
    0 \9 O1 N1 h) |% B) C0 h( c% s1 V  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
    - t5 D: Q+ Y' V  J+ ?6 f  上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
    2 M; _7 d/ {$ ~' W8 F& h; c  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。 6 F9 M, E3 r( \1 L* V
      代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
    - Z7 L9 ]- p9 t" G& z" }* ]
    . @! p8 N5 O- i. E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:) Q5 C% p+ G7 ?! f
    Procedure TSPSA:
    : Z' U/ Z! K; _8 L begin ; g  N; J. ^9 l+ z7 i* n! r) I
      init-of-T; { T为初始温度}% ^% K, q, L5 |& L$ w
      S={1,……,n}; {S为初始值}
    2 d3 ]% x5 z$ c6 ?, s! w  termination=false;
    9 l8 h2 d5 I+ N1 k  while termination=false
    & l% s1 b* H3 ~( B5 w" F1 [# `   begin 7 O2 U: p  b; N0 `8 [" ^2 P" J
        for i=1 to L do
    - C/ m" ^4 p( k" A      begin
    ( M0 [( `+ |2 S0 q1 w        generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}, p! Q& g- |, a) N' d0 x
            Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}
    # ?% T% O9 c4 L* J2 b; j        IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])1 ?3 o5 K4 O  H" X3 v& V
            S=S′;- Y5 L* B( P8 |5 M' v% j
            IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
    7 V$ x- }6 t8 b7 u% j' f$ ^7 f2 D! r        termination=true;+ T- ]% r; P0 s; B; e; j3 W" F4 [0 ]
          End;! K7 I1 L2 Y5 c0 G- F. F9 {
        T_lower;2 b6 I' Z' `, {, H5 z4 `
       End;
    ( z! A$ R4 w; Q6 G6 o8 d) o End
    0 w- u. S2 f" U" R# a. t2 V: 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。9 @$ j  C2 j; ^; w

    7 B, m' h5 x1 I; F- ~
    0 W. @$ Z; k& {7 v1 f+ F模拟退火算法的参数控制问题. a" F1 R( b0 @9 d3 J
      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:7 v3 m# f: V. m/ J& d
      (1) 温度T的初始值设置问题。! D  i0 u% x! m8 p' V
      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。! t' V8 v  N& e8 c! }. f$ e
      (2) 退火速度问题。# D8 W4 v8 V6 t; e# W2 ~
      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。6 y3 X- U( R4 T; i& P) t
      (3) 温度管理问题。
    4 B" \; B% x' N  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:
    " k2 J* I* F5 k+ s
    6 g7 j  s2 r  f: GT(t+1)=k×T(t)
    . y- \5 V% W. Z: ^& t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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