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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。
    ) X  H9 }  _6 D
    / x6 K$ q* V* k9 b- R$ f, ]7 `模拟退火算法
    * r! S  R* X* 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。 5 A7 Q# ?, r9 t5 t* S8 [  x
    3.5.1 模拟退火算法的模型
    9 o2 a$ B5 m) M  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。
    % l/ @. {! x: m6 p# v- C0 e 模拟退火的基本思想:) x: A0 }- R5 E% C  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
    $ K+ M5 m9 V8 V- Y/ f  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
    . C& W% q, @  x- v/ c8 k2 L  (3) 产生新解S′
    0 O! a: F4 O4 I% `  s  (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
    + _% i! F5 r8 w9 ]: O  l  (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./ Q( F  Y7 G2 Y* A) R- q4 R. r
      (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
    4 }, F9 l& P! T3 A  \6 ^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。2 `& i" F1 q6 j0 C2 q
      (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。
    , z# {5 y2 G/ c2 p算法对应动态演示图:
    & @! `/ w* K2 X! t模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:- H' s, U1 ^" m/ D+ y% J! Z
      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 r1 }, |& P) l  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。
    2 R  Y6 Z  N& [' ^5 @$ N  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。
    ( i% {0 _5 A- s) D( \  q8 D& S  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。
    : Q/ `% ?" S8 h" }% P" o: C7 S  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。
    6 k8 X6 R' [3 h- o6 S" _
    . {0 [1 x. y. L1 L/ `7 A7 Y+ y9 w2 Z( p: [3 d9 F3 B
    模拟退火算法的简单应用) J8 d& s+ e7 l' l! G
      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 p  f9 B0 U; R' V  求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:
    : n$ o+ U/ r0 M  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)) u& o0 ]8 r+ k
      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: # A) ~7 |4 X  B4 p
    9 f/ r) |; q& {1 b$ }- a0 `- {, H
      我们要求此代价函数的最小值。; Q5 ]7 h6 I! U5 a5 p! k$ w
      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
    % w5 J; P+ e* Y  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)7 C) c2 @, g9 [$ n9 Z" Q
      变为:
    0 r9 ?1 P% C; N0 q! M) p$ w0 i  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).9 M2 ^/ B9 a/ n2 E: G
      如果是k>m,则将
    ! L5 R' g1 g. }* ~% v$ Z. H  O  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)# p: u5 R3 n1 S7 M( S8 L7 ~
      变为:
    & r' s* x: H! P# s" q  z. ?9 I8 m  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
    4 i, L+ [# C  k7 X  上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
    7 y, M6 j8 D& Z5 [. W& S. X- h$ n  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。
    , M9 i8 k6 J. @, x1 I- l1 X: h/ D  代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: ; [; M5 B* W, u% T8 x

    6 O: k8 g' [; p4 w4 Q8 z( 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:
    1 b( z2 u, h2 v6 ]8 U! q3 u/ _Procedure TSPSA:6 u, N* V+ R% Q
     begin # f6 j( a1 c% {- n( C+ j
      init-of-T; { T为初始温度}* u% V% o: H" {/ {
      S={1,……,n}; {S为初始值}/ B9 V6 |4 U, l
      termination=false;# h6 S4 W6 Y2 x6 \
      while termination=false
    1 V; c0 Z& X4 q   begin , D) y" s, P! {  ~
        for i=1 to L do
    3 F  D  F$ T; B      begin0 N* W+ Q! z# u! a0 A; Q  ^
            generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}
    5 L/ \- w' _' h) [: X2 o        Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}1 I0 ^* y8 ^1 D# K& }/ a
            IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])- e( V0 S* |9 J: S8 w  a: K
            S=S′;" o! Y# S3 U5 C4 `
            IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
    8 m$ J: [% i, d% B. v2 J        termination=true;
    . \* U' o+ A- D2 F/ S* D. O      End;' _" N7 j- D  D7 p' O. f8 f
        T_lower;
      b# |* H" H, I, ^3 D% j$ \   End;
    8 F# e/ q: `. q. M8 _ End
    5 u: K2 F$ m! T' K6 H3 C2 P  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。) d  a6 A4 ^1 ^7 x9 v, j

    3 C2 D# L8 y, ]  X/ M/ G5 T6 C" l, N& o5 T
    模拟退火算法的参数控制问题
    3 h6 N5 J4 V9 Y9 Z: ]/ Y  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:
    / W# S3 Q6 p9 @! y  (1) 温度T的初始值设置问题。
    4 t& Z7 p, d8 ]; N3 ]  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。
    , J* h# H+ R2 c& x  (2) 退火速度问题。: j% `9 |1 A6 K. y, ^. F; g
      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。; j2 O5 }+ l3 {" `6 Y9 Y) _
      (3) 温度管理问题。
    # S: Z' a; q$ C' @) a0 A, p1 C4 f, g  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:# O/ h3 P3 C4 z) E" U
    : L" K: K/ ]# ]4 T
    T(t+1)=k×T(t)% S' p4 t' {" \1 }; [
    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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