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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。
    + q+ B6 @6 w: ?$ Y5 I5 f0 S/ |. B
    / Z& v8 t( i- [& {* W& V& p+ ~2 M模拟退火算法* U! p2 H* g1 |* o
      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。
    1 s9 w' i9 J# G" Q3.5.1 模拟退火算法的模型
    ; x$ x8 i( Y3 K  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。5 n5 @; T- O7 U
     模拟退火的基本思想:
    - J5 S* o, w4 V' G  (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
    6 L# R- m. J* G. ]1 p7 C5 ^  (2) 对k=1,……,L做第(3)至第6步:' g" K6 w5 p( i# t9 b1 ]) m* B
      (3) 产生新解S′
    # b) {( k8 ?5 s& ?- v9 \  U4 E; z  (4) 计算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)为评价函数
    4 X" ?5 M9 [. z  (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.
    : `! N4 B0 U5 Q! E6 v  (6) 如果满足终止条件则输出当前解作为最优解,结束程序。
    . U$ H1 ]5 w7 q; |5 s- J& 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。
    . _3 ?9 S7 F/ \' }+ R7 g+ M  (7) T逐渐减少,且T->0,然后转第2步。  n  L! P' H  g9 |$ j- H
    算法对应动态演示图:1 D- J& ?- U- w! C4 i- L0 ~
    模拟退火算法新解的产生和接受可分为如下四个步骤:! C; F* ?+ _6 h( w% I$ M
      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。
    ! z) m3 s6 f/ z2 t4 K. _  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。
    6 [. R- ~. g9 y0 }  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。9 h* s3 V: U5 E6 M
      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。
    ! `8 F( L: W. W# `0 |$ t  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。5 Y) c5 |8 Y% X- p

    5 Q  v% W$ p% `) F0 @$ ?) j+ {2 d9 @3 B- e9 R* U
    模拟退火算法的简单应用- W  K* ~) U% d
      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.。. Y, G4 c6 d9 b% ^) \7 I/ ~
      求解TSP的模拟退火算法模型可描述如下:. `. L) N9 S! W. p* c; D
      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 ^' p; _% P5 ]" U; p% z  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:
    " E% ^$ m& |. a" ~1 p/ v3 U
    / Q$ o1 I( ?; l! C! P4 B  我们要求此代价函数的最小值。
    ; K. u6 I: ^+ t0 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+ M: r8 T: z) k. ?
      (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)1 C1 d/ \' h4 F$ l
      变为:
    , K, V1 v9 ]" b2 I3 A$ l( A  (w1, w2 ,…,wm , wm-1 ,…,wk+1 , wk ,…,wn).
    # \' m$ p3 C6 g" M  如果是k>m,则将
    ) b5 x4 {* u: }/ n& z! r  (w1, w2 ,…,wk , wk+1 ,…,wm ,…,wn)
    ; @$ Q0 }* c: K" l  变为:
    * a" \- ~0 x# S1 B1 S- D  (wm, wm-1 ,…,w1 , wm+1 ,…,wk-1 ,wn , wn-1 ,…,wk)./ n9 _7 c# C. Y7 A" n
      上述变换方法可简单说成是“逆转中间或者逆转两端”。) |/ v0 h+ u  K! G" q8 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。 1 Y; X2 {8 k9 M  {7 Y7 G/ [
      代价函数差 设将(w1, w2 ,……,wn)变换为(u1, u2 ,……,un), 则代价函数差为:
    ( m% t/ B3 h) h5 F7 b8 ?+ Q# ^/ ~8 }' S. I+ o6 X6 \  V! v7 N
    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:* O" v0 H1 m( t+ `5 R1 s- p
    Procedure TSPSA:8 k; l8 l# a8 r* l  W7 x9 ~+ B8 I
     begin ( I# d% C" Y8 I: p* w; W. J
      init-of-T; { T为初始温度}
    - i* \! p) u* v- ]; }  S={1,……,n}; {S为初始值}
    # i. ?* y1 v. `- j2 I! x" R- E  l  termination=false;. F0 @8 I# c, D0 B
      while termination=false0 N$ ~1 u3 X0 O2 D7 m
       begin * J7 \6 t4 A4 f5 W# R
        for i=1 to L do
    " C- n; C- F4 H6 u+ Y      begin# O$ P) i. u' \# B& L- H
            generate(S′form S); { 从当前回路S产生新回路S′}
    , F9 M$ I: S& K/ p, a% C        Δt:=f(S′))-f(S);{f(S)为路径总长}" P# y' ^5 I9 n
            IF(Δt<0) OR (EXP(-Δt/T)>Random-of-[0,1])* g5 S* R3 b4 ~7 B7 K0 R: h
            S=S′;' \6 {+ a9 i, x# F( j1 I+ F/ `
            IF the-halt-condition-is-TRUE THEN
    5 }9 \% ?8 U/ W) H" P, i$ W, R/ X        termination=true;
    2 P1 g! F) T$ N+ l# v4 L      End;
    . k5 g$ `9 a" q' o( i  j# T    T_lower;
    : g) [$ K! d0 q+ }2 [   End;
    % q0 C( ]  t- c, a0 O! x End
    7 X/ b, w! b9 r3 |  X6 n4 B: D* }  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。
    2 t5 [: j9 o; w! G# y  N+ h$ v/ ?4 f

    + j2 I, O4 _4 L% t: w模拟退火算法的参数控制问题2 q) J- g2 G$ j( g
      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:
    # w' `1 j: ?& S0 M" w  (1) 温度T的初始值设置问题。2 J' Z6 c, f) W- M! I
      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。& m+ ?$ D9 p& v! G( [. T
      (2) 退火速度问题。
    / w9 t0 h* _) f/ V  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。8 v- l+ I% U( @
      (3) 温度管理问题。
    / o) L8 E! S* m1 H( 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:( h8 r( b* N- U7 j1 D
    % s4 y" d9 y6 J( \# V
    T(t+1)=k×T(t)
    ; F/ J/ g9 T9 E3 C' _$ u  s8 g式中k为正的略小于1.00的常数,t为降温的次数。
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