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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。1 [1 }) \4 w0 w* ]5 v- D' B
    , Z+ a! d1 t1 d; g  W9 n' ~- r
    模拟退火算法
    8 `/ Q, j1 X  S$ V, i2 N( I6 f  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。 , i$ `4 P$ j* ]% f/ A
    3.5.1 模拟退火算法的模型
    / `0 X/ }0 q* [+ K( m0 e  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。
    6 d" U8 a8 L1 L& W' D0 j 模拟退火的基本思想:
    ) I, ~% S+ R1 x1 G' i  (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
    3 V# z2 N4 P9 `/ w2 U+ ^/ o  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:  s3 B5 E$ d+ Z9 @' x! p
      (3) 产生新解S′
    5 H9 z1 I/ h( ?' u) j/ f  (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
    / h2 a7 V! 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.
    $ i: r- u/ S- {- y$ y  (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
    1 L2 v6 R2 f4 l. U: }& ]2 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。& ?3 T$ C- W, d- r0 [
      (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。: r, p5 |8 j/ ?7 [- ^* b
    算法对应动态演示图:
    ) Y0 y8 L, G) \8 K! x& n' k模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
    3 b3 G# i& E* J9 X5 t  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 O4 R+ p% A% i! M% L3 |  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 B& }( B: m2 v( w4 s: c$ Q2 v& ]
      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。- D5 C4 W2 Z. v/ ~
      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。
    * g# g/ m3 I! P! }1 c6 |  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。/ y. M8 t5 R8 G6 p. r
    5 t0 I% g) r2 E/ }- ?
    ( x: y& M& e3 i4 o
    模拟退火算法的简单应用
    $ N/ x+ k$ K  x. @/ b8 u  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.。  h+ a1 M6 ?/ Q' n; D- A
      求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:
    : O% P" E( ~! B, I7 ~  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)4 T& ~- M  G; T) U: 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: ( W/ u" ^7 H* Z. `7 N! P

    - q& Q0 a1 k: x6 g  我们要求此代价函数的最小值。
    % ~' V7 S: @! o1 g9 c! y. x  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
    - v, \7 q0 X% X6 j" P( p1 D1 P1 g  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)! F1 q4 O! `' ~9 W. u
      变为:
    ! X( j: J9 h. @2 O' H  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).
    1 O$ f, S! x+ _. B" \, K2 }2 j& u  [  如果是k>m,则将
    ; t& {2 B( P! w  u5 ^! X8 k7 [  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    3 Z* I8 M' r$ q4 h3 B. w( d  变为:
    " B" i9 G5 M8 V: b& ^, C  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
    4 l" l, ~4 }& D, x6 E- ^: n  上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
    2 Z3 _5 d1 Q7 C9 h  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。
    " f4 E, ?0 y' L% g4 i  代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:   l, S; n' b* }! O! i
    , U4 U. }- \' t0 p/ C
    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:' d9 z4 q  N9 f- W
    Procedure TSPSA:
    * D& K3 y3 H* J; e0 D. O) ?. n begin
    4 T$ R* ?' G( b( o1 K  init-of-T; { T为初始温度}
    2 o  m6 I5 M8 F" B! ~4 t8 N9 s  S={1,……,n}; {S为初始值}' ^1 U+ x5 V$ a" A% J  u$ M1 ~
      termination=false;
    . a- ]$ A- s. \2 s3 _6 S* ?, B  @) {( h  while termination=false
    ' ?/ S8 c' u6 i' A   begin   W8 C1 Y3 q6 I
        for i=1 to L do% }* R5 l1 Z8 H1 d/ i& e5 q
          begin0 {( M) w9 a4 G
            generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}1 W6 B. |" F: a. t- b4 `5 I
            Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}
    / N+ }/ u1 J2 ?: t        IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])
    ' s3 p! O7 G( A! t0 m/ i( }        S=S′;
    2 h6 u' u5 n2 L( ?- y        IF the-halt-condition-is-TRUE THEN ( _, ^# a- b* }
            termination=true;9 |) w( c* r3 y+ a6 t. L
          End;4 C7 a" {# E" Z( y
        T_lower;8 g4 N) y& ?8 l0 M8 p' \; F  I
       End;
    / y& ?6 X3 K+ Q6 U- t' h9 ^% G2 ~ End
    3 S2 [6 L+ L' P1 @  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 f6 d& E( g" y( u0 n4 `
    3 ^2 Z& w) c& r% t4 u1 f4 o! Q  `% J
    % s: I2 n' K9 B# S2 e
    模拟退火算法的参数控制问题, ~* U7 a6 p) Z. A0 l
      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:
    * d% e' ]: `  N. a( u  (1) 温度T的初始值设置问题。% \" l. V& e' E
      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。6 F; w7 s2 q+ `0 j  `7 V# Q8 C
      (2) 退火速度问题。) M# w5 e6 X  C7 u6 I$ j7 E% O
      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。: H6 k8 v, W' N! V3 O+ H% G& s
      (3) 温度管理问题。
    & F# a) p/ z. O# ]4 ^3 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+ R/ x) P$ Z4 R+ l- v1 `9 @+ _4 w% s' N  e/ b' ^: Z
    T(t+1)=k×T(t)
    4 D: z7 R* ?# w9 W: r% P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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