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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。
    3 v- a; P7 v9 N9 y1 d
    4 r: X" Y/ W( l# H, L9 R4 f5 k模拟退火算法
    ( G& }3 X. R  x8 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。 " m2 V/ d5 c! }; @4 [
    3.5.1 模拟退火算法的模型
    6 i9 z+ k2 N2 B' {+ \- l5 l$ P& T4 _  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。
    # e) N7 o1 |6 k* b2 r 模拟退火的基本思想:
    ( l1 x2 s, _- X; q8 ]0 w& b0 @; R0 ?' 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 n9 g9 I, L; Z8 I  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
    % Y- a, Q7 a3 r, ]) b7 `' v0 C. a  (3) 产生新解S′+ A- K  |/ n- E+ I$ ]! K
      (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数* E7 `8 `1 A% L; W- a
      (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.# i: P0 N+ y8 _' H
      (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
    ; ]% z7 D8 l* i) w4 t, ~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。
    1 o% M% m5 d/ \+ x; |5 e  (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。
    8 Z6 y& p5 T. i0 j' |6 |  @算法对应动态演示图:
    & U. i6 K0 E* T6 h% Y3 \8 c模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
    : Q" ~$ G. g. _( ?- j6 I  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。
    # j; ~& u9 P6 k5 R* o8 t  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。4 z5 P3 P3 Q8 k; f0 R& K
      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。
    ) Y" |) H/ g9 L0 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。
    ' u, |* P* G9 I  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。  l. i! R( s5 V0 {9 Q
    % d$ \$ l* }& q& w$ C
    + Q' W" c7 s8 {$ P5 v
    模拟退火算法的简单应用) ~+ `8 C4 l4 N. A3 k8 M- K' t
      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 U! X6 G6 \$ X
      求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:
    $ j. v1 {1 o5 K3 o& Q4 i  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 n8 k5 h0 {& l) O7 U- V" 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:
    " h# U4 D8 A3 e6 n: {
    ( R9 O/ w7 U0 }5 ?4 F  我们要求此代价函数的最小值。1 N) v( N% D* R# P8 e5 O
      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4 |8 F) _+ t5 H& J) B$ O
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)3 ^: o4 q9 I4 ~* l1 x0 v8 o/ C
      变为:
    2 ^3 b4 m* ?) {4 H* d; R+ ~  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).$ q0 k9 H1 C7 x9 r* r
      如果是k>m,则将. x, @+ }+ z- I8 @2 V
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)& Q4 d/ ?4 R% M7 q
      变为:# {% n( J3 H3 ~4 |, }, c2 X
      (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
    . r2 i+ }/ ?' z2 j4 m9 H: t  上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
    3 M# L8 g" E7 Q6 b( {  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。 . L: l1 ^: F! d7 q/ N4 @
      代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: 2 Y8 I# x1 Y. L7 \6 E
    , V8 q2 B# D/ \) W# P
    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 q1 @2 }# W! ?# {1 rProcedure TSPSA:
    1 s7 N+ h) ^/ r: C begin ! @3 `* O7 S# a: n  a
      init-of-T; { T为初始温度}
    - a% |  D: v: U2 P8 ~( j/ Z1 P  S={1,……,n}; {S为初始值}8 k- f+ i( W) @% V
      termination=false;
    3 C# E7 J! ?. ^  while termination=false0 Z; i+ b. O; v" i( u
       begin
    + ?4 a) _3 K/ ?$ X8 m    for i=1 to L do
    % K0 M( W. u6 R      begin
    ; Q( Y9 e8 w- d7 Q        generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}# C$ W$ p6 z! s% U; G1 b
            Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}
      ?6 T$ }& z. {* v8 u1 ?- ?        IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])
    % V; P# i7 p" K. s: `        S=S′;
    % j$ R- Z; |" s' U1 S        IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
    5 N# }4 R- q; x) P        termination=true;  d# ~* o6 {4 a
          End;
    4 L* z! p, A4 c/ e    T_lower;& J' s! {1 }7 g1 Z! V6 H! d* q$ P
       End;
    1 t6 N2 d, F0 D2 i- ^) K  E End
    ; A6 U5 \( c5 j0 [  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。
    5 f+ k2 O3 k& B0 r5 n
    # a  F& {9 R) D" h# ?4 K* \4 T* T: ]* d' B9 ^5 f3 C0 E# d
    模拟退火算法的参数控制问题
    : N3 \" R7 z, _" i/ {  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:% U3 A( }! d6 \7 X. x3 A& y
      (1) 温度T的初始值设置问题。8 g! i5 s/ k$ A
      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。  K4 {2 L5 h5 \9 |  r  ]* t% m
      (2) 退火速度问题。' t" k- \5 Q1 q6 g) 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。
      F; G0 c& e% X, _  (3) 温度管理问题。! G5 o- {, m2 P' T# _7 L
      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:+ g) Y8 b+ c6 C( Q
    5 F1 y! G9 L: E* m+ k, ~
    T(t+1)=k×T(t)
    8 m8 g9 r& r+ Y! l% o. v2 Y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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