组合优化算法-现代优化算法(三）：禁忌搜索算法

浅夏110

1 禁忌搜索算法的相关概念
禁忌搜索算法是组合优化算法的一种，是局部搜索算法的扩展。禁忌搜索算法是人 工智能在组合优化算法中的一个成功应用。禁忌搜索算法的特点是采用了禁忌技术。所 谓禁忌就是禁止重复前面的工作。禁忌搜索算法用一个禁忌表记录下已经到达过的局部最优点，在下一次搜索中，利用禁忌表中的信息不再或有选择地搜索这些点。 禁忌搜索算法实现的技术问题是算法的关键。禁忌搜索算法涉及侯选集合、禁忌 对象、评价函数、特赦规则、记忆频率信息等概念。

（1）邻域
( p) Q5 `7 r: z. K  i: j在组合优化中，距离的概念通常不再适用，但是在一点附近搜索另一个下降的点仍 然是组合优化数值求解的基本思想。因此，需要重新定义邻域的概念。


/ m+ `& K( r% @  M; b; P0 ^: g
. r% F) r" t3 z( S% I
( _# ^9 r9 B- a- ~( `+ \（2）侯选集合
" R  q4 G( o8 y2 j3 r' m侯选集合由邻域中的邻居组成。常规的方法是从邻域中选择若干个目标值或评价 值最佳的邻居入选。

（3）禁忌对象和禁忌长度
1 C0 k) j3 k- {: x禁忌表中的两个主要指标是禁忌对象和禁忌长度。禁忌算法中，由于我们要避免 一些操作的重复进行，就要将一些元素放到禁忌表中以禁止对这些元素进行操作，这些元素就是我们指的禁忌对象。禁忌长度是被禁对象不允许选取的迭代次数。一般是给被禁对象 x 一个数（禁忌长度） t ，要求对象 x 在 t 步迭代内被禁，在禁忌表中采用 tabu(x) = t 记忆，每迭代一步，该项指标做运算 tabu(x) = t −1，直到 tabu(x) = 0时 解禁。于是，我们可将所有元素分成两类，被禁元素和自由元素。禁忌长度t 的选取可以有多种方法，例如t = 常数，或t = [  ]，其中 n 为邻域中邻居的个数；这种规则容易在算法中实现。

& }1 c& i  I7 }# M2 L（4）评价函数
评价函数是侯选集合元素选取的一个评价公式，侯选集合的元素通过评价函数值 来选取。以目标函数作为评价函数是比较容易理解的。目标值是一个非常直观的指标， 但有时为了方便或易于计算，会采用其他函数来取代目标函数。

（5）特赦规则
% L! [: |* i3 |4 ?在禁忌搜索算法的迭代过程中，会出现侯选集中的全部对象都被禁忌，或有一对 象被禁，但若解禁则其目标值将有非常大的下降情况。在这样的情况下，为了达到全局 最优，我们会让一些禁忌对象重新可选。这种方法称为特赦，相应的规则称为特赦规则。
. |8 m7 w/ j% ^  h
（6）记忆频率信息
在计算的过程中，记忆一些信息对解决问题是有利的。如一个最好的目标值出现 的频率很高，这使我们有理由推测：现有参数的算法可能无法再得到更好的解。根据解 决问题的需要，我们可以记忆解集合、被禁对象组、目标值集合等的出现频率。 频率信息有助于进一步加强禁忌搜索的效率。我们可以根据频率信息动态控制禁 忌的长度。一个最佳的目标值出现的频率很高，有理由终止计算而将此值认为是最优值。

2 模型及求解
我们用禁忌搜索算法研究如下的两个问题：
7 c' @; f' S' f$ B/ K
1 d* }5 i( e# D- d5 C6 t（1）研究 1.2 中同样的问题。




0 R4 w( g: c/ l  d5 n

( {; E3 ]/ `" i% y+ C我方有一个基地，经度和纬度为（70,40）。假设我方飞机的速度为 1000 公里/小时。 我方派一架飞机从基地出发，侦察完敌方所有目标，再返回原来的基地。在敌方每一目 标点的侦察时间不计，求该架飞机所花费的时间（假设我方飞机巡航时间可以充分长）。
, u' K6 h9 K1 n: y
( _8 T" o4 A. n1 `/ ^

（2）我方有三个基地，经度、纬度分别为（70,40），（72,45），（68,48）。假设我方 所有无人侦察机的速度都为 1000 公里/小时。三个基地各派出一架飞机侦察敌方目标， 怎样划分任务，才能使时间最短，且任务比较均衡。
# T0 B, g* N5 w
2.1 问题（1）的求解
0 Z# K  P5 N' R3 o- r求解的禁忌搜索算法描述如下： （1）解空间


# K/ A) F4 a" U7 k7 {
% u' r* \* T7 h+ R7 ?

（2）目标函数

目标函数为侦察所有目标的路径长度。我们要求

, i# T0 u1 |9 P( t( |) X" r- a
* v' R" ^6 \1 A- X9 c! M- X7 b（3）候选集合
6 M+ H; v. {' J
, [0 o% i0 ~% I0 d' ?% x

如果要考虑当前解的全部二邻域（或三邻域）的邻居，将面临着太大的工作量。 因此我们用随机选取的方法每次选取50个邻居组成的集合作为侯选集合。而将省下的 时间作更多次搜索，这样做同样可以保证较高的精确度，同时可以大大提高算法的效率。

（4）禁忌长度及禁忌对象

2 m- `2 z0 G2 J! ]9 e

我们把禁忌表设计成一个循环队列，初始化禁忌表 H = Φ 。从候选集合C 中选出 一个向量 x ，如果 x ∉ H ，并且 H 不满，则把向量 x 添加到禁忌表中；如果 H 已满， 则最早进入禁忌表的向量出列，向量 x 进入到出列的位置。
8 h5 R! I, i6 Y2 l% {" v! {$ q
' {1 N1 A. s! i' g（5）评价函数

' l$ G& b1 l3 V1 ?& |; A" n可以用目标函数作为评价函数，但是这样每选取一个新的路径都得去计算总时间， 计算量比较大。对于上述二邻域中的邻居作为侯选集合，每一个新路径中只有两条边发 生了变化，因此将目标函数的差值作为评价函数可以极大地提高算法的效率。评价函数 取为
/ B0 \- P2 ^+ ]- j
& R: U" C1 b( v* ~) M! Z

1 U- v9 t4 p/ v7 W0 N# q/ y禁忌搜索算法的流程

禁忌搜索算法的流程如下：

# s: \( Z, Z: N& w2 }
; R7 G5 Y2 i3 e. D6 g


9 n  v1 A- U9 B" p0 |1 R' \利用 Matlab 程序求得，我们的巡航时间大约在 41 小时左右，其中的一个巡航路径 如下图所示
- K* b5 G5 S. X5 w
6 x6 m1 u, N- A+ v9 T' Z

) V$ p  C; m  Y5 n: P$ J. }! N2.2 问题（2）的求解

对于这个问题，我们的基本想法是，先根据敌方基地的分布特点将敌方的基地大体 划分在三个区域之内，并使三架侦察机分别对这三个区域的敌军基地进行侦察，求取各 自的最短时间。然后对任务不均衡区域之中的点做适当调整。 我们解决问题的步骤如下：

% d& K3 M! P( Y1 x$ f6 i


  p5 C" j. y1 \————————————————
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0 b) y, }) ~0 `, o/ F
& @! ~: f* Z3 ]% z0 g: c0 J9 l
7 k$ R0 T* B! R0 L