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优化算法(寻优问题)

前言

  • 群智能算法(全局最优):模拟退火算法(Simulated annealing,SA),遗传算法(Genetic Algorithm, GA),粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)
  • 局部搜索算法(local search algorithm):爬山算法 (Hill Climbing),禁忌算法(Tabu Search,TS)
  • 路径搜索算法:A* Search

模拟退火算法

模拟退火算法(Simulate Anneal,SA)是一种通用概率演算法,用来在一个大的搜寻空间内找寻命题的最优解。它是基于Monte-Carlo迭代求解策略的一种随机寻优算法模拟退火算法是解决TSP问题的有效方法之一。

  • 初始温度 T0、降温系数 Δ(0到1之间)、终止温度 Tk
  • (外层循环)降温过程:每次T乘上Δ,直到 T≤Tk
  • (内层循环)概率选择新解:在温度T时,选择领域解进行判断,优解直接接受,对于劣解,概率接受(T 越大时概率越大,新解和旧解差绝对值越小时概率越小)

过程详解

基本要素和具体意义
基本流程图和伪代码

实际案例 - 背包问题

代码

class SimulatedAnnealing(object):def __init__(self, weight_list, volume_list, value_list, Weight_threshold_value, Volume_threshold_value, satisfying_value, break_T):"""背包物体属性"""self.object_total_number = len(weight_list)self.weight_list = weight_listself.volume_list = volume_listself.value_list = value_listself.Weight_threshold_value = Weight_threshold_valueself.Volume_threshold_value = Volume_threshold_valueself.best_value = -1  # 更新最优值self.cur_total_weight = 0self.cur_total_volume = 0self.cur_total_value = 0self.best_indexs_way = [0] * self.object_total_numberself.current_indexs_way = [0] * self.object_total_number  # best_way 记录全局最优解方案   now_way 记录当前解方案self.weight = self.weight_listself.value = self.value_listself.volume = self.volume_list"""跳出条件"""self.satisfying_value = satisfying_valueself.break_T = break_T"""模拟退火属性"""self.T = 200.0  # 温度self.af = 0.95  # af退火率self.balance = 500  # 平衡次数self.iter_times = 100  # 迭代次数def initialize(self):"""初始化,产生随机解"""while True:for k in range(self.object_total_number):if random.random() < 0.5:self.current_indexs_way[k] = 1else:self.current_indexs_way[k] = 0self.calculate_value(self.current_indexs_way)if self.cur_total_weight < self.Weight_threshold_value and self.cur_total_volume < self.Volume_threshold_value:breakself.best_value = self.calculate_value(self.current_indexs_way)self.copy_list(self.best_indexs_way, self.current_indexs_way)def copy_list(self, a, b):  # 复制函数 把b列表的值赋值a列表for i in range(len(a)):a[i] = b[i]def calculate_value(self, x):"""计算背包的总重量、总体积、总价值"""self.cur_total_weight = 0self.cur_total_volume = 0self.cur_total_value = 0for i in range(self.object_total_number):self.cur_total_weight += x[i] * self.weight[i]  # 当前总重量self.cur_total_volume += x[i] * self.volume[i]  # 当前总体积self.cur_total_value += x[i] * self.value[i]  # 当前总价值return self.cur_total_valuedef get_object(self, x):  # 随机将背包中已经存在的物品取出while True:ob = random.randint(0, self.object_total_number - 1)if x[ob] == 1:x[ob] = 0breakdef put_object(self, x):  # 随机放入背包中不存在的物品while True:ob = random.randint(0, self.object_total_number - 1)if x[ob] == 0:x[ob] = 1breakdef run(self):self.initialize()  # 初始化,产生初始解for i in range(self.iter_times):test_indexs_way = [0] * self.object_total_numbernow_total_value = 0  # 当前背包价值for i in range(self.balance):now_total_value = self.calculate_value(self.current_indexs_way)self.copy_list(test_indexs_way, self.current_indexs_way)ob = random.randint(0, self.object_total_number - 1)  # 随机选取某个物品if test_indexs_way[ob] == 1:  # 如果物品在背包中self.put_object(test_indexs_way)  # 随机放入背包中不存在的物品test_indexs_way[ob] = 0  # 在背包中则将其拿出,并加入其它物品else:  # 不在背包中则直接加入或替换掉已在背包中的物品if random.random() < 0.5:test_indexs_way[ob] = 1else:self.get_object(test_indexs_way)test_indexs_way[ob] = 1temp_total_value = self.calculate_value(test_indexs_way)if self.cur_total_weight > self.Weight_threshold_value or self.cur_total_volume > self.Volume_threshold_value:continue  # 非法解则跳过if temp_total_value > self.best_value:  # 如果新的解更好,更新全局最优self.best_value = temp_total_valueself.copy_list(self.best_indexs_way, test_indexs_way)if temp_total_value > now_total_value:  # 如果新的解比当前解更好,直接接受新解self.copy_list(self.current_indexs_way, test_indexs_way)else:g = 1.0 * (temp_total_value - now_total_value) / self.Tif random.random() < math.exp(g):  # 概率接受劣解self.copy_list(self.current_indexs_way, test_indexs_way)self.T = self.T * self.af  # 温度下降"""跳出条件, 达到满意的解或者温度直接跳出"""if self.best_value > self.satisfying_value or self.T < self.break_T:break# 方案转为索引的形式best_object_number = []for i in range(object_total_number):if self.best_indexs_way[i]:best_object_number.append(i)print(f"最好的选择方案是取第best_object_number:{best_object_number}个物品,total_value:{self.best_value}")
import random, math
object_total_number=9
weight_list = random.sample(range(1, 100), object_total_number)
volume_list = random.sample(range(1, 100), object_total_number)
value_list = random.sample(range(1, 1000), object_total_number)
Weight_threshold_value = sum(weight_list) / 2  # 取总和值的一半算了?直接不用改动了
Volume_threshold_value = sum(volume_list) / 2print(f"Weight_threshold_value:{Weight_threshold_value}")
print(f"Volume_threshold_value:{Volume_threshold_value}")
print(f"weight_list:{weight_list}")
print(f"volume_list:{volume_list}")
print(f"value_list:{value_list}")satisfying_value = 999999  # 设置满意解,达到就直接退出了
break_T = 1  # 设置跳出温度
SimulatedAnnealing_obj = SimulatedAnnealing(weight_list=weight_list, volume_list=volume_list, value_list=value_list,Weight_threshold_value=Weight_threshold_value,Volume_threshold_value=Volume_threshold_value,satisfying_value=satisfying_value, break_T=break_T)
SimulatedAnnealing_obj.run()

输出结果:

Weight_threshold_value:258.0
Volume_threshold_value:228.0
weight_list:[53, 71, 16, 66, 74, 75, 55, 18, 88]
volume_list:[46, 41, 31, 15, 21, 47, 78, 89, 88]
value_list:[732, 886, 98, 889, 128, 966, 355, 140, 491]
最好的选择方案是取第best_object_number:[1, 2, 3, 5, 7]个物品,total_value:2979

 

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