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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。* n+ G( r9 S1 a0 Z
    7 N$ i) _" w9 T; Y
    模拟退火算法! p# j+ c, L/ v" 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。
    " u1 @  v8 e9 |  U- ~# d1 O' j3.5.1 模拟退火算法的模型
    : x, q; r; c. u0 Z: o  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。0 [# q: J, N* g
     模拟退火的基本思想:
    8 K1 u3 S7 S8 p) ^  (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( a& U( i1 `" c, G
      (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:
      C: ^4 s) Z! L# v& E  (3) 产生新解S′
    7 ~( V/ k" R! r  (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
    6 {; f4 b* N9 ~( G4 N" v; X  (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.0 N- S7 r4 W3 L) u4 W
      (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。( b$ V5 a0 U0 V; @
    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 M% c) F0 |9 @( e2 }  (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。: {( P& l  D. M
    算法对应动态演示图:
    ! _' n' A* `( k3 y4 C; S) y* T模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:/ p  x, `7 `. x0 d# p$ {$ Y
      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。) a# c( L' M' R: y- D5 ?
      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。( C! f9 S+ l- N. b2 \/ C7 l  P3 X
      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。
    ; i8 S; s% l; Y( l# N6 Z( R  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。4 }. D" b2 h: y6 w; i1 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。
    ( i+ ]9 H3 z8 }9 b& _
    & u9 U2 F+ e) H' c4 [, a4 M
    9 o- \; f% l) i5 r/ D& h模拟退火算法的简单应用: M# h* p7 K: H4 q6 P
      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.。  s: V# S7 O* R) z
      求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:( a0 J) U; A/ Z& Q# N
      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)" d2 R, v3 k' J
      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: - t" m: ]7 b- F# @# N& M+ f

    - K4 G8 ~- l; s8 ]( R. S  我们要求此代价函数的最小值。
    5 y% ]6 d. ?+ z( v- m2 Z  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
    6 v2 j  [: v% Z4 d  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    * ^9 n/ ~& d& D$ v8 F  变为:" Y0 W) {3 Y$ Z( H) E* g
      (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).4 e" Q0 Q5 u' u) d6 j2 m- e
      如果是k>m,则将
    2 D4 d8 K& X0 W& l  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)) C  e. Q. r) a2 g3 l$ O/ n
      变为:5 p3 M' M. H" f( Y2 [
      (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).
    1 i) @5 b* P: ]& H) W2 ^  上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。1 i3 u. d; w$ A2 p2 x5 i* z
      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。 + I: |( P% m4 E2 n9 f5 a8 h! N
      代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:   y& v! a/ n+ w% y

    ( a+ b6 w$ j& n6 \# \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:
    0 E( D" ~) b: E# JProcedure TSPSA:
      i# a% I% r/ v6 Y begin
    : a" w; _: K6 s  init-of-T; { T为初始温度}
    0 V: k/ V. e) w$ D3 @" A. V) P  S={1,……,n}; {S为初始值}
    : P! E) S* d: U. u3 u3 c  termination=false;$ x- U3 |! O' s% Y
      while termination=false
    3 [7 ?0 x7 [5 M   begin
    " A9 `  c! |4 }- G9 r    for i=1 to L do
    7 t: w4 [. v1 ^3 \- t      begin- |8 _7 d; y3 T- `5 \( d( |! K
            generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}' A1 s7 y# W, B& J% t$ V
            Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}! I0 b8 u5 f1 P
            IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])8 F) K, a9 g  U9 Z& R9 y
            S=S′;# d9 O1 U5 O4 K/ q) Z5 q$ K
            IF the-halt-condition-is-TRUE THEN 3 p) E, q6 B) y- a# }  [. A
            termination=true;
    & l+ M# P7 h1 F: M" u  R% e9 h- m      End;( O3 f/ ?. n- X' e, I" A
        T_lower;
    0 |! v. {3 u5 [4 T9 ]* b( b   End;
    / D" r2 Z1 A% Z( ~ End  p# b" A* T* e6 K
      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。
    6 s" }7 K9 `' D7 b- q+ N
    : e. v* X& c; x% B7 p. U1 v7 N8 j0 t8 K. G
    模拟退火算法的参数控制问题
    * w+ J  y+ X8 O7 v" B' |3 L& U  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:( h' i( g7 Z3 H/ M  E7 b: E
      (1) 温度T的初始值设置问题。
    6 r0 W) z9 x+ [  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。
    8 N+ m* H/ w2 h9 p& z; s  (2) 退火速度问题。
    5 K" I0 Q& t3 x; ]  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。
    , a" F, z% x+ W+ Z  (3) 温度管理问题。) R* ^1 a0 D/ u5 C" g& k) ~: h
      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:9 d0 U4 K' q/ q% P1 C9 \
    ! i; Z5 W( q5 j5 s
    T(t+1)=k×T(t)5 V; U1 B7 P- z$ W3 x( p0 }
    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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