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升级   37.89% TA的每日心情 | 郁闷 2012-2-15 14:23 |
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签到天数: 4 天 [LV.2]偶尔看看I
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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。 {# C$ t# p5 P! }$ ?! D
" g8 F, [/ A/ X5 |9 d: O模拟退火算法
) ?* M6 \7 i! I- t8 D5 ?. j, K+ L' p2 k 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 ]/ n# O% J+ n5 o" l0 Z3.5.1 模拟退火算法的模型5 e0 K/ l3 X& }( R0 K1 b
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# M6 k4 [# z0 U& z1 z5 D
模拟退火的基本思想:- j1 p( p, U9 u2 V) a
(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
/ r$ D1 q7 P+ B- N2 L5 A (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
9 I2 m, Z. S/ C: k1 |( D4 J (3) 产生新解S′! S! E9 L& H3 Y/ j) q' n; N) i( D. h
(4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
: R- J) g* w4 g, M+ X4 n7 s (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.' |$ k1 |. y" \: O* d: b
(6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
: z6 M% J# R$ U( W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。* u2 }6 }* [; \" K: U; D0 [5 a8 T( v
(7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。- l: N% T# V) K6 c! C. q
算法对应动态演示图:
. L- P5 r) [) c- ^3 P6 V$ @模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:! j6 ]) f7 [5 c/ n! b& S
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, P: U" X" a) ?1 y7 S# i9 @( h2 |, 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。
! a* ]9 o& s6 ~8 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。1 J5 h/ T& C( a# ?# ^; E {
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。$ V4 p8 I3 P8 Z2 M6 }
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。) [* |& e8 E0 g
0 K( {- @! N6 V |0 C* A
1 m+ V& f2 O5 n( G: J# o& r模拟退火算法的简单应用5 p5 I/ Q8 F9 B7 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.。! q/ L, }5 \7 @ p
求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:
* n: v0 K) P2 X* O( e* b 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). [% K4 O: M+ y! Z2 H8 f# f
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:
4 W1 t& i! _9 U: J0 w
' m' P7 a8 o' q5 } 我们要求此代价函数的最小值。+ x3 M2 u1 J3 ]0 ?
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) z3 o$ O" {6 w* i
(w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)0 \8 y8 z. I5 F0 |# z* G: ?$ q( G
变为:7 Z0 w6 P: b, P- w
(w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).
( M8 c; U( N0 v4 i; v+ A- b 如果是k>m,则将1 S1 ~3 J: \- T( I* A' B$ S( ?
(w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
. J& h3 ?3 H+ Z/ x- D' b2 o! G) E; o; ? 变为:# }- F& G% E& U8 w# ~$ Q
(wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
/ x: F. S8 Z. I q8 b# `* r1 P6 n5 H 上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
/ _) z$ q! S' x% M& [ 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。 . _" q. r. R7 M; K0 H
代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: C" }8 u) V( @7 M6 g
1 f7 k3 N1 a- a$ C8 g
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: i. Q1 t) \" _. K
Procedure TSPSA:
. Z# C7 I* r, ]7 k5 ?" N& ]! ]( G begin % M" I, ~4 i9 A3 v9 A4 {1 i
init-of-T; { T为初始温度}
$ U+ Q* F6 b) ^" \) E# o, |7 K. A+ t( h2 M S={1,……,n}; {S为初始值}; J( K% |: C2 U8 d* Z/ [% O' U) \+ u
termination=false;
) E7 Y2 `0 E" Y: a/ X) g5 A, j while termination=false
3 B5 R7 c: Y z; A begin
; E' _5 b2 O* f" F2 n$ B: y7 K- f for i=1 to L do
9 U0 X! G" f* m, ?3 X begin/ H; @4 c6 q- @# L1 @
generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}8 Q! J) n+ U4 V; Z/ h; u0 t2 L
Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}6 g9 A" P6 \' a9 N, B/ z D
IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])+ h6 x$ d# `0 y
S=S′;
4 O p' l L2 J& W7 Q IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
) T+ m* I- [2 e! Z( O! w" F termination=true;* A E$ ]/ p. @; a2 e3 n
End;" R* v G# Y- C2 S$ x, I# w! J
T_lower;
9 c% I" [/ d2 ?9 G End;
! a& n/ u6 R3 ^& W! y% Z# D End4 z% N0 N/ k* T/ W& l9 ]
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。
8 p; m. w! B: D( ~2 l, A% n: B) g \7 d, r3 X" J
( A! [% e/ [; q" m) T
模拟退火算法的参数控制问题
" R3 O5 q; P% T/ W8 K- M% h 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:5 u+ C8 K0 K( ?9 n1 \, J) O4 j
(1) 温度T的初始值设置问题。8 T( r+ ]* ]/ _* _& F
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。( Z0 Q3 _4 T6 _6 `
(2) 退火速度问题。
! H# M- }' a$ R' S3 b 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。) n- h% _5 |! P9 T3 x. O. ~
(3) 温度管理问题。4 H8 ?7 { C, U1 Y3 c/ Q
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:- x/ C; l6 e7 K) {. d# B; u
9 x$ U8 Z0 z' e2 x6 N" ^. G
T(t+1)=k×T(t)7 K7 A$ T# D$ C# z: u( X
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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