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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。2 o' E) h6 b0 T
7 _& s5 D. |$ V2 i5 ^模拟退火算法9 ?+ \6 E# ]/ W6 w
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。
7 t4 D4 K. k: l3 ^. T3.5.1 模拟退火算法的模型
/ w& Y" {% k7 |& N9 ] 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。. n3 v, P- T* ]! ~9 s( j
模拟退火的基本思想:
3 A) m* X5 _$ X4 }" T6 a0 Z (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/ X5 f0 Q2 @2 x7 |- u
(2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:& @- A. h" `7 D( i1 p7 b6 a
(3) 产生新解S′
0 _. I/ k2 ` R" E# o$ f$ f, s* x (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数5 a$ w2 h- M2 n) Z8 _$ {
(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.
/ e4 h9 y& [% J' [* l+ V; P (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。3 t0 g: E. z) P( g
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。
$ Y: D- O0 @& b( s+ L4 ]& X% R (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。
$ f* k1 ]; v/ c$ G6 B5 U3 J) M算法对应动态演示图:+ |: O7 X8 o7 k9 D- a
模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
5 w+ d" a( T- a/ ? 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。
: |+ s. F5 `# b" k3 Q% u# Q 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。
: w$ K# b* y5 \; n/ e2 I8 ` 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。: M0 \9 }9 P7 Y4 \$ X
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。6 o D( l. m- c2 ]' e) I v' w
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。& V6 q* M! s' ~) g& r
/ ^( S8 Y2 @! I& t: F1 a- S0 @0 c7 j( d" R, J$ p8 b
模拟退火算法的简单应用6 ^9 X% g' K2 B* |/ R8 x' j8 n
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.。; L: y, ^% x! P1 n4 i* c
求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:
; g, r, n7 I0 `& U) L$ h7 l; N! F0 ? 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)0 H+ E, D% p3 F8 }4 b/ b
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 y* m1 |0 T, X
+ m2 I$ V- F" t4 J4 }) e 我们要求此代价函数的最小值。: E( c4 i$ ?4 K6 {( s
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
' g4 g9 n1 a) ^$ J# Y; L0 y (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)( d2 ~2 r3 o. F& @
变为:5 M1 k" y" Y% W7 y4 b
(w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).
( e( K8 b+ k* y _ 如果是k>m,则将
5 O) ~ \% u" I1 G7 y2 N5 l (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)6 o+ a1 l. w5 } w0 @
变为:
. s1 }* V1 ~! e# a u7 U (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).; {, O. w1 D5 ?: j" } d
上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
% ~0 |- V& y. t 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。
. [" k" w, | Q8 |. \1 E5 w' b0 K. k 代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为: $ j) J- R% e: l3 [: ?1 a
" X2 }1 o& `0 J2 c; j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: f& a; _0 @/ a8 s: s
Procedure TSPSA:
" o# ]/ W2 G! Q, z0 k begin ; l- b; o5 z$ h6 l( b
init-of-T; { T为初始温度}
* Y3 W. A0 [# N0 q S={1,……,n}; {S为初始值}
1 f( [: c) [1 S; Z" u. ^. X" d termination=false;
5 }- h; J* j. b0 G8 r while termination=false
( k$ c+ b" r3 }8 \ begin : R6 ^* }4 g6 u
for i=1 to L do
3 |# j, _& W. c: a& C0 n, ? begin
% ?/ f! x. h% C9 K( r# r1 H& O generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}
% l1 I& ], ^- r( f, [( q Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}2 M; e0 O4 T M5 v) {" a/ n
IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])7 X) c, \, ^. \9 a9 n: Q
S=S′;
) F4 a1 D2 @& c# m$ X9 H IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
4 d' N$ ?8 s, j termination=true;7 p% i/ c/ }& T/ F0 m. \0 K
End;: G' {! \4 H( O
T_lower;& c' V" V$ u' i9 E
End;
1 T2 h" _( p; L" |) p( ~ End8 ^1 ~+ Q! d5 n8 L
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。; o7 P8 A' }8 B, g/ ]* f* A
# o9 Z* H* \4 I* ^' n$ k6 H
; R# C& l- A# [6 i, s
模拟退火算法的参数控制问题
. a9 g& x. z4 @2 I, K! x 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:7 o/ b" q! a$ j0 E, j+ A. x
(1) 温度T的初始值设置问题。6 Y' N) z) _% j+ b( w
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。! V% }( h- d/ J$ R$ N
(2) 退火速度问题。
) g! o/ n3 F# E/ z 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。0 W) O9 u' Q& y8 B
(3) 温度管理问题。; D2 V- _. y' 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:
; ?4 S7 O# u# ~' O6 W
; k$ E) `' R4 WT(t+1)=k×T(t)
+ b2 Y" i* _( H& y' E5 ^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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