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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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    1#
    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。
    2 H% r( l# }, N+ l) I+ q  ~$ L- p7 f6 A! J
    模拟退火算法* l. v  b/ G1 c
      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。
    ( \$ h* I3 X* j" |3.5.1 模拟退火算法的模型) J  N$ P! N! e; o) 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。! R  Q# v" o3 p- `
     模拟退火的基本思想:( F' r2 Y) v( a# I5 ~% i9 h; j
      (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
    4 {( W. s! d& o$ v2 p* W' X  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
    & J5 b9 X# o# m) K+ O  (3) 产生新解S′
    / \* O0 g$ a! ~% V' Y& x: U: R' u" l  (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数# B- u+ q( g* Z* v6 r2 q" r$ v
      (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.% U  T0 `4 S2 r" 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。" A. y9 a) ^& S% i
    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。
    ! [. r4 @( l& l8 x, L  (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。7 A- i& O: D) m  J
    算法对应动态演示图:6 o* L# A. {# X
    模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:! P- \( I- F( L( s- o- o# F/ o
      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 N$ p; `  N) }+ _0 p  s7 m2 o# }# i+ g; n  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。
    1 Q2 i# v" O: J" a4 U5 X. H/ }  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。) M) e% T7 B% m: B, ^6 W3 T
      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。! k1 f* E: C6 Z2 G) }) B! R1 i9 x
      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。" G/ I4 U$ ]6 i$ r3 J6 N6 B
    # Q' ]+ v4 R/ d5 i3 F

    : e) K' w6 R6 j" M, ~. N模拟退火算法的简单应用
    7 y& Z( y' b6 ~  l' e) \  X  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.。
    ! Q+ S+ m" L$ g! w6 e  K6 ~8 {1 y  求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:1 t/ C/ F3 y* c3 ]% X$ k
      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 y) ^9 h9 F: a* R  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:
    & e. O$ E) a) R+ s  Z  `* d3 @( i& n- M. e' P
      我们要求此代价函数的最小值。
    - q5 v8 ?" O0 P2 e4 q  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$ Q2 s7 ^3 ^1 n0 B! d4 [* d2 G
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    ) Z# p1 d$ n  {0 o  变为:' \4 V4 O% j1 G) c+ I/ H# `
      (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).* M4 \$ V" D; g5 }0 F% n7 U
      如果是k>m,则将
    ) j8 j0 h- X- x; J+ B8 ~7 N  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    ( v- x! M! f( W, E. O" d  变为:
    3 G  N3 ~4 i# j- I5 ?$ Q& P  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).- L- i: r# W) w# h+ J) k$ v: G3 |
      上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。# |1 j0 j- l+ v5 A
      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。
    & ?& p& F- j" J  代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: 1 O* D& c9 o, B, K' N6 _4 q0 B7 q

    0 }1 b1 {% y1 ^5 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:; ^$ r4 j; n* E5 ]
    Procedure TSPSA:
    ) G  p5 x7 ]( ]3 n7 Y, L. E. U begin
    ! C7 I* u4 d6 F7 n2 ~: h  init-of-T; { T为初始温度}# w) T! T1 T4 ]$ _* j; I
      S={1,……,n}; {S为初始值}5 L. f$ ^, p* V, i$ Y* Q
      termination=false;, f. F. W, P- i1 z2 Y+ _# ]0 |
      while termination=false- f; L/ r+ z4 V  r2 P9 c/ Y' x
       begin & @. c8 b. H$ l9 h; ^
        for i=1 to L do8 y& n$ R" M9 a. P+ t9 z4 M0 U
          begin
    8 s! b  Q3 g: `* t: _3 {3 y        generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}
    3 W( ~7 F) H+ W+ x- {% _0 P        Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}. ^7 ^  ^5 g+ i6 ~' b
            IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1]). y  }4 E4 t$ d1 i. a$ l& [
            S=S′;% v+ ]# }  ?& B1 D" h3 d
            IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
    3 d% a* i+ a- Q" W        termination=true;9 Z- t7 L( o+ S9 i! b; i3 z3 b
          End;
    ) e( ~$ {8 f7 `% y# Z, h) u    T_lower;
    1 U9 o2 k! u* p, V: t   End;% {! P2 }! m6 G& K0 D4 {
     End
    + d, z$ M- t; [. z2 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。
    ) E4 c4 I; j7 G+ n; S& u- h5 |
    9 {- Q7 f- ]& |7 m- P4 E! _: A; P+ C& s" B' ?% a: {1 u
    模拟退火算法的参数控制问题' j) F! }& _/ a" j, U
      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:0 ?" t; \3 W7 u4 b& R
      (1) 温度T的初始值设置问题。
    3 h% C8 R5 `  U% _. O0 q2 \7 N  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 @* e& C5 Z/ v7 n  g% q
      (2) 退火速度问题。0 @6 v4 C/ C# P3 Y$ X/ t: u
      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。
    : ?  v* V& |! y7 h. R) M. C  (3) 温度管理问题。
    0 F9 N8 G) n3 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:
    " q- U$ f8 X# B! Y8 }" S  g, X4 a- U- I
    T(t+1)=k×T(t)2 ]2 x9 w5 D1 P/ i+ H
    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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