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[代码资源] 模拟退火算法

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    发表于 2012-1-13 19:16 |只看该作者 |倒序浏览
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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。4 |; f# p. a& t
    . p7 l! r1 M4 J0 {+ S: m0 ^
    模拟退火算法
    : M* X4 S* R8 \! N, f% {  s$ [2 f: A  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。 ' J: v; K7 V& F  \4 ]
    3.5.1 模拟退火算法的模型3 z: N# t! u* u# S! _, u5 o) N* c
      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。
    ( O9 t! f) `) `  Y1 S$ i* b5 M 模拟退火的基本思想:
    . F! _& y0 Z) n8 g. m  (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
    & U. t8 G0 A; F  v" e$ R  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:! U$ {+ M" Y: ~; k! `
      (3) 产生新解S′
    . D3 ^) o  Y. W& ^, Q  (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数" R6 ~& Y% b( _0 I6 j6 o
      (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.
    % X! y5 y" }* R* C. E5 A4 [  (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
    5 O/ r* G1 I6 s0 z2 A& o5 t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。) R  Y8 x: N1 h" G2 J
      (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。1 D+ u5 E8 i: G- f& E3 k( G
    算法对应动态演示图:& R8 }8 k: ^4 O/ }0 a8 k) _$ b% p
    模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:
    2 r+ v8 u; F8 H9 q$ |" G  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。
    9 M' y# M$ l$ q, Y  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。
    8 A7 G" S3 ?' T  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。) l9 N' R% z: X9 P9 @% j5 l
      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。0 r) B' P( [& S+ c1 `. Q. T. F
      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 u  I9 L- {2 V* O8 E
    ) V6 V: f; Y' N/ y4 f8 s/ A

    ) p( R3 ]3 s7 ~( e8 f模拟退火算法的简单应用' r9 @8 I* v1 w
      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 n; B2 v: e* m# ?3 b/ f! a+ q
      求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:
    & M1 a! [; ?7 \! z5 O1 N/ E  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( g6 R9 G# c" P  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:
    ( r# I- B1 T3 ]4 M' i3 ~6 ?& s0 r5 @& Z  I. L, x, k+ F
      我们要求此代价函数的最小值。
      n, R5 ]! b7 R1 Z' b7 b$ B  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5 W' R1 b+ _9 [3 f/ Q
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    * z6 }% X' C# q0 D8 s" u/ K  变为:
    ! |! z% F" T' I, t  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).
    ' E5 O! B  V* G9 ]- O  如果是k>m,则将
    2 W, H4 N0 I- y1 n  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)/ V: N( O& v9 I
      变为:4 s9 }" H" ?5 y# i' p- M& b
      (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk).& o9 r& c8 m. Q: }$ H
      上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。
    2 k* e5 h- h9 i4 u  Z) k7 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。
    2 F4 q8 F( i9 ^3 S0 s  代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
    0 U8 m- r1 c: e: i# t' h
    2 S( ^3 }6 \7 V+ K  D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:# G) |+ ?& m9 Y, ~6 U5 R( ?% }
    Procedure TSPSA:
    # H* A! U) u" x7 Q  ? begin
    9 e3 q7 e' u9 J, [! h, P! K. n  init-of-T; { T为初始温度}
    1 N! I- q& I9 E$ `' j/ q5 c  S={1,……,n}; {S为初始值}& y: g, N3 P$ y9 c
      termination=false;
    : J$ p3 ~3 Y$ |  while termination=false
    / K+ N7 z! x( f, z: V   begin
    % [; W- ~% ?$ B    for i=1 to L do
    ! Z9 X. \+ U# X% ]1 L: f, k3 L      begin
    . H# e/ b% v1 j% H% Q; w' o* |& T        generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}! n% N" ?7 t# c
            Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}, F% T; j; f9 q4 _
            IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])! L7 y& G, \$ A7 e
            S=S′;7 S' x* T  o5 X9 O# y
            IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
    % D/ H. t! s. a5 _. g# B+ u        termination=true;/ h- E+ s' |' r# O* b$ h
          End;
    - u, L2 ]: F% C' z    T_lower;
    , V& H, R! }* W# z# _. Q   End;8 h5 S! p  K" h, g3 E3 E+ y2 O/ `
     End
    7 Q: v6 @) U2 a. B4 a3 \  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。# F8 n9 R. B9 K8 j) i8 X$ ]5 }' |
    . W( R* d! p. b* L5 u
    " \& ~7 t# W2 w2 p+ j$ x
    模拟退火算法的参数控制问题
    8 q% b$ J0 H3 y' b* q; t  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 b! [. V8 y6 t9 b# p
      (1) 温度T的初始值设置问题。& B; B9 r( h, x0 o/ c6 v7 A
      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。/ b" O5 y9 Z1 S5 @+ K+ Q/ x
      (2) 退火速度问题。
    / c5 }, f; ~3 S+ S5 W& s  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。
    & R, Q2 G) S1 s8 @# r& R, M( E+ W  (3) 温度管理问题。
    & ^1 b! H! B, C" |5 b0 t$ R  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:8 S( j0 B) v+ n; n. u( Q9 j
    / o& ]- w( w% u! O6 W  }
    T(t+1)=k×T(t)5 j. Q2 s4 m' D- S: l4 X* {; e9 k
    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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