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模拟退火及旅行商算法

小白剛加入數模程式設計大軍,涉及到一些算法,特此歸納,并加入一些自己的想法,類比此題進行另一題的程式修改。

模拟退火算法的模型 

模拟退火算法可以分解為解空間、目标函數和初始解三部分。 

模拟退火的基本思想: 

(1) 初始化:初始溫度T(充分大),初始解狀态S(是算法疊代的起點), 每個T值的疊代次數L 

(2) 對k=1,……,L做第(3)至第6步: 

(3) 産生新解S′ 

(4) 計算增量Δt′=C(S′)-C(S),其中C(S)為評價函數 

(5) 若Δt′<0則接受S′作為新的目前解,否則以機率exp(-Δt′/T)接受S′作為新的目前解. 

(6) 如果滿足終止條件則輸出目前解作為最優解,結束程式。 

     終止條件通常取為連續若幹個新解都沒有被接受時終止算法。 

(7) T逐漸減少,且T->0,然後轉第2步。

例  已知敵方100個目标的經度、緯度如下:

經度      緯度 經度      緯度 經度      緯度 經度      緯度
53.7121   15.3046 51.1758    0.0322 46.3253   28.2753 30.3313    6.9348
56.5432   21.4188 10.8198   16.2529 22.7891   23.1045 10.1584   12.4819
20.1050   15.4562 1.9451    0.2057 26.4951   22.1221 31.4847    8.9640
26.2418   18.1760 44.0356   13.5401 28.9836   25.9879 38.4722   20.1731
28.2694   29.0011 32.1910    5.8699 36.4863   29.7284 0.9718   28.1477
8.9586   24.6635 16.5618   23.6143 10.5597   15.1178 50.2111   10.2944
8.1519    9.5325 22.1075   18.5569 0.1215   18.8726 48.2077   16.8889
31.9499   17.6309 0.7732    0.4656 47.4134   23.7783 41.8671    3.5667
43.5474    3.9061 53.3524   26.7256 30.8165   13.4595 27.7133    5.0706
23.9222    7.6306 51.9612   22.8511 12.7938   15.7307 4.9568    8.3669
21.5051   24.0909 15.2548   27.2111 6.2070    5.1442 49.2430   16.7044
17.1168   20.0354 34.1688   22.7571 9.4402    3.9200 11.5812   14.5677
52.1181    0.4088 9.5559   11.4219 24.4509    6.5634 26.7213   28.5667
37.5848   16.8474 35.6619    9.9333 24.4654    3.1644 0.7775    6.9576
14.4703   13.6368 19.8660   15.1224 3.1616    4.2428 18.5245   14.3598
58.6849   27.1485 39.5168   16.9371 56.5089   13.7090 52.5211   15.7957
38.4300    8.4648 51.8181   23.0159 8.9983   23.6440 50.1156   23.7816
13.7909    1.9510 34.0574   23.3960 23.0624    8.4319 19.9857    5.7902
40.8801   14.2978 58.8289   14.5229 18.6635    6.7436 52.8423   27.2880
39.9494   29.5114 47.5099   24.0664 10.1121   27.2662 28.7812   27.6659
8.0831   27.6705 9.1556   14.1304 53.7989    0.2199 33.6490    0.3980
1.3496   16.8359 49.9816    6.0828 19.3635   17.6622 36.9545   23.0265
15.7320   19.5697 11.5118   17.3884 44.0398   16.2635 39.7139   28.4203
6.9909   23.1804 38.3392   19.9950 24.6543   19.6057 36.9980   24.3992
4.1591    3.1853 40.1400   20.3030 23.9876    9.4030 41.1084   27.7149

 我方有一個基地,經度和緯度為(70,40)。假設我方飛機的速度為1000公裡/小時。我方派一架飛機從基地出發,偵察完敵方所有目标,再傳回原來的基地。在敵方每一目标點的偵察時間不計,求該架飛機所花費的時間(假設我方飛機巡航時間可以充分長)。

load ij.txt;%加載目标資料ij.txt存放矩陣
x=ij(:,1:2:8);
%把sj中屬于1,3,5,7的列所有元素賦給x,此時,x的行的大小為sj的行的大小,列的大小為4,
x=x(:);%x=x(:)的意思是把x拉成一維列向量(應該是列向量)
y=ij(:,2:2:8);
y=y(:);
sj=[x y];%将xy合并成一個矩陣
d1=[70,40];%起始點
sj=[d1;sj;d1];%首尾添加上出發點和終點
sj=sj*pi/180;%角度化為弧度
%計算距離
d=zeros(102);%先建一個102x102的空的距離矩陣,再把對應距離填進去
%A(R cos x1 cos y1 , R sin x1 cos y1 , R sin y1 )
%B(R cos x2 cos y2 , R sin x2 cos y2 , R sin y2 )
%其中 R = 6370 為地球半徑。
%A, B 兩點的實際距離:
%d = R arccos[cos(x1 − x2 ) cos y1 cos y2 + sin y1 sin y2 ]
for i=1:101
    for j=i+1:102
        d(i,j)=6370*acos(cos(sj(i,1)-sj(j,1))*cos(sj(i,2))*cos(sj(j,2))...
            +sin(sj(i,2))*sin(sj(j,2)));
    end
end
%上述的d為上三角矩陣,根據對稱性,化為對稱矩陣,點選打開連結d矩陣包含各點間的距離資訊
d=d+d';
S0=[];
Sum=inf;
rand('state',sum(clock));%作用是定義一個随時間變化的初值
%matlab裡面的随機生成函數基本都是以rand為基函數通過函數關系式得到,
%比如 normrnd,unidrnd等,你每次重新開機matlab後運作已編好的含随機數生成的函數你将得到相同的結果,
%比如我的電腦上重新開機matlab運作unidrnd(100),每次的值都是82,這是因為rand函數的初值都一樣,
%是以為了避免上述問題經常在程式前運作或加指令rand('state',sum(clock)),這樣重新開機matlab,運作随機數生成值就不同了。
for i=1:1000%循環1000次,盡可能讓所有排序情況都出現一遍
    s=[1,1+randperm(100),102];%s為中間2到101的排列組合
    temp=0;
    for j=1:101
        temp=temp+d(s(j),s(j+1));
    end
    if temp<Sum
       Sum=temp;
       S0=s;%儲存目前最小值的排序情況
    end
end
e=0.1^30;%標明的終止溫度 e = 10 −30 ,判斷退火過程是否結束
at=0.999;%標明的降溫系數α進行降溫即:T =αT
L=20000;
T=1;
%退火過程
for k=1:L
c=2+floor(100*rand(1,2));%floor函數其功能是“向下取整”,或者說“向下舍入”,即取不大于x的最大整數
%ceil函數向上取整
c=sort(c);% [a,b]=sort(X)是按列從小到大排序,而 [a,b]=sort(X,2)是按行,b為排序情況
c1=c(1);c2=c(2);
%計算代價函數值
df=d(S0(c1-1),S0(c2))+d(S0(c1),S0(c2+1))-d(S0(c1-1),S0(c1))-d(S0(c2),S0(c2+1));
if df<0%接受準則
    S0=[S0(1:c1-1),S0(c2:-1:c1),S0(c2+1:102)];
    Sum=Sum+df;
elseif exp(-df/T)>rand(1)%以機率exp(−df/T)接受新的路徑%注意時elseif而不是else if
    S0=[S0(1:c1-1),S0(c2:-1:c1),S0(c2+1:102)];
    Sum=Sum+df;
end;
T=T*at;%退火
if T<e%達到終止溫度
    break;
end;
end;
%輸出路徑和路徑長度
S0,Sum
%畫出其中一個巡航路徑
plot(sj(S0,1)/pi*180,sj(S0,2)/pi*180);
hold on
plot(sj(S0,1)/pi*180,sj(S0,2)/pi*180,'rx');
axis([-5,75,-5,45]);
           
附ij.txt
53.7121   15.3046	51.1758    0.0322	46.3253   28.2753	30.3313    6.9348
56.5432   21.4188	10.8198   16.2529	22.7891   23.1045	10.1584   12.4819
20.1050   15.4562	1.9451    0.2057	26.4951   22.1221	31.4847    8.9640
26.2418   18.1760	44.0356   13.5401	28.9836   25.9879	38.4722   20.1731
28.2694   29.0011	32.1910    5.8699	36.4863   29.7284	0.9718   28.1477
8.9586   24.6635	16.5618   23.6143	10.5597   15.1178	50.2111   10.2944
8.1519    9.5325	22.1075   18.5569	0.1215   18.8726	48.2077   16.8889
31.9499   17.6309	0.7732    0.4656	47.4134   23.7783	41.8671    3.5667
43.5474    3.9061	53.3524   26.7256	30.8165   13.4595	27.7133    5.0706
23.9222    7.6306	51.9612   22.8511	12.7938   15.7307	4.9568    8.3669
21.5051   24.0909	15.2548   27.2111	6.2070    5.1442	49.2430   16.7044
17.1168   20.0354	34.1688   22.7571	9.4402    3.9200	11.5812   14.5677
52.1181    0.4088	9.5559   11.4219	24.4509    6.5634	26.7213   28.5667
37.5848   16.8474	35.6619    9.9333	24.4654    3.1644	0.7775    6.9576
14.4703   13.6368	19.8660   15.1224	3.1616    4.2428	18.5245   14.3598
58.6849   27.1485	39.5168   16.9371	56.5089   13.7090	52.5211   15.7957
38.4300    8.4648	51.8181   23.0159	8.9983   23.6440	50.1156   23.7816
13.7909    1.9510	34.0574   23.3960	23.0624    8.4319	19.9857    5.7902
40.8801   14.2978	58.8289   14.5229	18.6635    6.7436	52.8423   27.2880
39.9494   29.5114	47.5099   24.0664	10.1121   27.2662	28.7812   27.6659
8.0831   27.6705	9.1556   14.1304	53.7989    0.2199	33.6490    0.3980
1.3496   16.8359	49.9816    6.0828	19.3635   17.6622	36.9545   23.0265
15.7320   19.5697	11.5118   17.3884	44.0398   16.2635	39.7139   28.4203
6.9909   23.1804	38.3392   19.9950	24.6543   19.6057	36.9980   24.3992
4.1591    3.1853	40.1400   20.3030	23.9876    9.4030	41.1084   27.7149
           
輸出結果 S0 =1    17    35    93    43    36     3    45    67     2    92    87    83    74    20    30    82    48    72    14    27    10     84    97    85    77    31    79    60     9    40    18    15    42    50    80    51    98    38     5    75    33    73    13     24    16    91    41     4    76    69    11    64    65    94    70    19    63    62    26    29    34    66    90    86     8     39    78    47    57    88    61    49    28    23    58    81    22    25    68     7    71    37    32    12    53    54    89      6    96    55    44   100    56    21    99   101    52    46    59    95   102 Sum =  4.2699e+004
模拟退火及旅行商算法
資料修改小結 1.由于資料矩陣的不同,x,y的取值也有所不同,依據新資料修改此處,y同理。
x=ij(:,1:2:8);
           
2.其餘起點位置,資料數量等據情況修改,此處計算的是飛機繞地球飛行的弧線距離,若用于TSP問題的直線距離,則要修改程式公式
for i=1:101
    for j=i+1:102
        d(i,j)=6370*acos(cos(sj(i,1)-sj(j,1))*cos(sj(i,2))*cos(sj(j,2))...
            +sin(sj(i,2))*sin(sj(j,2)));
    end
end
           
3.部落客所用新資料當時大約30個,于是修改了下100,原理也不太懂,有了解的歡迎騷擾呀哈哈
c=2+floor(100*rand(1,2));
           

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