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现代优化算法 之 禁忌搜索算法(含题目)
https://blog.csdn.net/u013007900/article/details/50379135
禁忌搜索算法的实现_Python
https://blog.csdn.net/ttphoon/article/details/103188435
禁忌搜索算法详解链接:https://blog.csdn.net/tyhj_sf/article/details/54235550
禁忌搜索是由局部搜索算法发展而来,爬山法是从通用局部搜索算法改进而来。在介绍禁忌搜索之前先来熟悉下爬山法和局部搜索算法。
局部搜索算法
算法的基本思想
在搜索过程中,始终选择当前点的邻居中与离目标最近者的方向搜索。
算法的基本思想
在搜索过程中,始终选择当前点的邻居中与离目标最近者的方向搜索。
算法过程
(1)随机选择一个初始的可能解x0 ∈D,xb=x0,P=N(xb);
//D是问题的定义域, xb用于记录到目标位置的最优解,P为xb的邻域。
(2)如果不满足结束条件,则:
//结束条件为循环次数或P为空等
(3)Begin;
(4)选择P的一个子集P’,xn为P’的最优解 ;
//P’可根据问题特点,选择适当大小的子集。可按概率选择
(5)如果f(xn)<f(xb),则xb=xn,P=N(xb),转(2);
//重新计算P,f(x)为指标函数
(6)否则P=P-P’,转(2);
(7)End;
(8)输出计算结果;
(9)结束 ;
爬山法
算法的基本思想
将搜索过程比作爬山过程,在没有任何有关山顶的其他信息的情况下,沿着高度增加的方向爬。如果相邻状态没有比当前值更高,则算法停止,认为当前值即为顶峰。
(1)随机选择一个初始的可能解x0 ∈D,xb=x0,P=N(xb);
//D是问题的定义域, xb用于记录到目标位置的最优解,P为xb的邻域。
(2)如果不满足结束条件,则:
//结束条件为循环次数或P为空等
(3)Begin;
(4)选择P的一个子集P’,xn为P’的最优解 ;
//P’可根据问题特点,选择适当大小的子集。可按概率选择
(5)如果f(xn)<f(xb),则xb=xn,P=N(xb),转(2);
//重新计算P,f(x)为指标函数
(6)否则P=P-P’,转(2);
(7)End;
(8)输出计算结果;
(9)结束 ;
爬山法
算法的基本思想
将搜索过程比作爬山过程,在没有任何有关山顶的其他信息的情况下,沿着高度增加的方向爬。如果相邻状态没有比当前值更高,则算法停止,认为当前值即为顶峰。
算法过程
(1) 设置初始状态n=s0为当前状态;
(2) 如果当前状态已达标,算法结束,搜索成功;
(3)获取当前状态n的若干个临近状态m,计算这些h(m), nextn=min{h(m)};
(4) IF h(n) < h(nextn)
THEN n:=nextn;
ELSE 取当前状态为最佳状态并退出;
(5) GOTO (2)步;
该算法在单峰的条件下,必能达到山顶。
显而易见爬山法对于复杂情况的求解会遇到以下问题:
(1)局部极值
(2)山脊:造成一系列的局部极值
(3)高原:平坦的局部极值区域——解决办法:继续侧向移动
目前有些改进的爬山法,比如随机爬山法、首选爬山法等等不再细说。
(1) 设置初始状态n=s0为当前状态;
(2) 如果当前状态已达标,算法结束,搜索成功;
(3)获取当前状态n的若干个临近状态m,计算这些h(m), nextn=min{h(m)};
(4) IF h(n) < h(nextn)
THEN n:=nextn;
ELSE 取当前状态为最佳状态并退出;
(5) GOTO (2)步;
该算法在单峰的条件下,必能达到山顶。
显而易见爬山法对于复杂情况的求解会遇到以下问题:
(1)局部极值
(2)山脊:造成一系列的局部极值
(3)高原:平坦的局部极值区域——解决办法:继续侧向移动
目前有些改进的爬山法,比如随机爬山法、首选爬山法等等不再细说。
禁忌搜索算法
算法思想
标记已经解得的局部最优解或求解过程,并在进一步的迭代中避开这些局部最优解或求解过程。局部搜索的缺点在于,太过于对某一局部区域以及其邻域的搜索,导致一叶障目。为了找到全局最优解,禁忌搜索就是对于找到的一部分局部最优解,有意识地避开它,从而或得更多的搜索区域
算法思想
标记已经解得的局部最优解或求解过程,并在进一步的迭代中避开这些局部最优解或求解过程。局部搜索的缺点在于,太过于对某一局部区域以及其邻域的搜索,导致一叶障目。为了找到全局最优解,禁忌搜索就是对于找到的一部分局部最优解,有意识地避开它,从而或得更多的搜索区域
算法过程
(1)给定一个禁忌表(Tabu List)H=null,并选定一个初始解X_now.
(2)如果满足停止规则,则停止计算,输出结果;否则,在X_now的领域中选出满足不受禁忌的候选集N(X_now).在N(X_now)中选择一个评价值最贱的解X_next,X_next:=X_now;更新历史记录H, 重复步骤(2).
对搜索性能有影响的因素
禁忌长度
控制其他变量,单就禁忌长度的选择而言,禁忌长度越短,机器内存占用越少,解禁范围更大(搜索范围上限越大),但很容易造成搜索循环(实际去搜索的范围却很小),过早陷入局部最优。禁忌长度过长又会导致计算时间过长。
(1)给定一个禁忌表(Tabu List)H=null,并选定一个初始解X_now.
(2)如果满足停止规则,则停止计算,输出结果;否则,在X_now的领域中选出满足不受禁忌的候选集N(X_now).在N(X_now)中选择一个评价值最贱的解X_next,X_next:=X_now;更新历史记录H, 重复步骤(2).
对搜索性能有影响的因素
禁忌长度
控制其他变量,单就禁忌长度的选择而言,禁忌长度越短,机器内存占用越少,解禁范围更大(搜索范围上限越大),但很容易造成搜索循环(实际去搜索的范围却很小),过早陷入局部最优。禁忌长度过长又会导致计算时间过长。
特赦规则
通俗定义:对于在禁忌的对象,如果出现以下情况,不论现在对象的禁忌长度如何,均设为0
(1)基于评价值的规则,若出现一个解的目标值好于前面任何一个最佳候选解,可特赦;
(2)基于最小错误的规则,若所有对象都被禁忌,特赦一个评价值最小的解;
(3)基于影响力的规则,可以特赦对目标值影响大的对象。
通俗定义:对于在禁忌的对象,如果出现以下情况,不论现在对象的禁忌长度如何,均设为0
(1)基于评价值的规则,若出现一个解的目标值好于前面任何一个最佳候选解,可特赦;
(2)基于最小错误的规则,若所有对象都被禁忌,特赦一个评价值最小的解;
(3)基于影响力的规则,可以特赦对目标值影响大的对象。
候选集
候选集的大小,过大增加计算内存和计算时间,过小过早陷入局部最优。候选集的选择一般由邻域中的邻居组成,可以选择所有邻居,也可以选择表现较好的邻居,还可以随机选择几个邻居。
候选集的大小,过大增加计算内存和计算时间,过小过早陷入局部最优。候选集的选择一般由邻域中的邻居组成,可以选择所有邻居,也可以选择表现较好的邻居,还可以随机选择几个邻居。
评价函数
评价函数分为直接评价函数和间接评价函数。
直接评价函数:上述例子,均直接使用目标值作为评价函数。
间接评价函数:反映目标函数特性的函数(会比目标函数的计算更为简便,用以减少计算时间等)。
评价函数分为直接评价函数和间接评价函数。
直接评价函数:上述例子,均直接使用目标值作为评价函数。
间接评价函数:反映目标函数特性的函数(会比目标函数的计算更为简便,用以减少计算时间等)。
终止规则
禁忌算法是一个启发式算法,我们不可能让搜索过程无穷进行,所以一些直观的终止规则就出现了
(1)确定步数终止,无法保证解的效果,应记录当前最优解;
(2)频率控制原则,当某一个解、目标值或元素序列的频率超过一个给定值时,终止计算;
(3)目标控制原则,如果在一个给定步数内,当前最优值没有变化,可终止计算。
禁忌算法是一个启发式算法,我们不可能让搜索过程无穷进行,所以一些直观的终止规则就出现了
(1)确定步数终止,无法保证解的效果,应记录当前最优解;
(2)频率控制原则,当某一个解、目标值或元素序列的频率超过一个给定值时,终止计算;
(3)目标控制原则,如果在一个给定步数内,当前最优值没有变化,可终止计算。
代码
public class TabuSearchAlgorithm { /** 迭代次数 */ private int MAX_GEN; /** 每次搜索邻居个数 */ private int neighbourhoodNum; /** 禁忌长度 */ private int tabuTableLength; /** 节点数量,编码长度 */ private int nodeNum; /** 节点间距离矩阵 */ private int[][] nodeDistance; /** 当前路线 */ private int[] route; /** 最好的路径 */ private int[] bestRoute; /** 最佳路径总长度 */ private int bestEvaluation; /** 禁忌表 */ private int[][] tabuTable; /**禁忌表中的评估值*/ private int[] tabuTableEvaluate; private DynamicDataWindow ddWindow; private long tp; public TabuSearchAlgorithm() { } /** * constructor of GA * * @param n * 城市数量 * @param g * 运行代数 * @param c * 每次搜索邻居个数 * @param m * 禁忌长度 * **/ public TabuSearchAlgorithm(int n, int g, int c, int m) { nodeNum = n; MAX_GEN = g; neighbourhoodNum = c; tabuTableLength = m; } /** * 初始化Tabu算法类 * * @param filename * 数据文件名,该文件存储所有城市节点坐标数据 * @throws IOException */ private void init(String filename) throws IOException { // 读取数据 int[] x; int[] y; String strbuff; FileReader fileReader = new FileReader(filename); BufferedReader data = new BufferedReader(fileReader); nodeDistance = new int[nodeNum][nodeNum]; x = new int[nodeNum]; y = new int[nodeNum]; String[] strcol; for (int i = 0; i < nodeNum; i++) { // 读取一行数据,数据格式1 6734 1453 strbuff = data.readLine(); // 字符分割 strcol = strbuff.split(" "); x[i] = Integer.valueOf(strcol[1]);// x坐标 y[i] = Integer.valueOf(strcol[2]);// y坐标 } data.close(); // 计算距离矩阵 // ,针对具体问题,距离计算方法也不一样,此处用的是att48作为案例,它有48个城市,距离计算方法为伪欧氏距离,最优值为10628 for (int i = 0; i < nodeNum - 1; i++) { nodeDistance[i][i] = 0; // 对角线为0 for (int j = i + 1; j < nodeNum; j++) { double rij = Math .sqrt(((x[i] - x[j]) * (x[i] - x[j]) + (y[i] - y[j]) * (y[i] - y[j])) / 10.0); // 四舍五入,取整 int tij = (int) Math.round(rij); if (tij < rij) { nodeDistance[i][j] = tij + 1; nodeDistance[j][i] = nodeDistance[i][j]; } else { nodeDistance[i][j] = tij; nodeDistance[j][i] = nodeDistance[i][j]; } } } nodeDistance[nodeNum - 1][nodeNum - 1] = 0; route = new int[nodeNum]; bestRoute = new int[nodeNum]; bestEvaluation = Integer.MAX_VALUE; tabuTable = new int[tabuTableLength][nodeNum]; tabuTableEvaluate=new int[tabuTableLength]; for (int i = 0; i < tabuTableEvaluate.length; i++) { tabuTableEvaluate[i]=Integer.MAX_VALUE; } } /** 生成初始群体 */ void generateInitGroup() { System.out.println("1.生成初始群体"); boolean iscontinue = false; for (int i = 0; i < route.length; i++) { do { iscontinue = false; route[i] = (int) (Math.random() * nodeNum); for (int j = i - 1; j >= 0; j--) { if (route[i] == route[j]) { iscontinue = true; break; } } } while (iscontinue); // System.out.println("i="+i+", route[i]="+route[i]); } } /** 复制编码体,复制Gha到Ghb */ public void copyGh(int[] Gha, int[] Ghb) { for (int i = 0; i < nodeNum; i++) { Ghb[i] = Gha[i]; } } /** 计算路线的总距离 */ public int evaluate(int[] chr) { // 0123 int len = 0; // 编码,起始城市,城市1,城市2...城市n for (int i = 1; i < nodeNum; i++) { len += nodeDistance[chr[i - 1]][chr[i]]; } // 城市n,起始城市 len += nodeDistance[chr[nodeNum - 1]][chr[0]]; return len; } /** * 随机获取邻域路径 * @param route 当前路径 * */ public int[] getNeighbourhood(int[] route) { int temp; int ran1, ran2; int[] tempRoute=new int[route.length]; copyGh(route, tempRoute); ran1 = (int) (Math.random() * nodeNum); do { ran2 = (int) (Math.random() * nodeNum); } while (ran1 == ran2); temp = tempRoute[ran1]; tempRoute[ran1] = tempRoute[ran2]; tempRoute[ran2] = temp; return tempRoute; } /** * 随机获取一定数量的领域路径 * */ public int[][] getNeighbourhood(int[] route, int tempNeighbourhoodNum) { int[][] NeighbourhoodRoutes=new int[tempNeighbourhoodNum][nodeNum]; List<int[]> tempExchangeNodeList=new ArrayList<>(); int temp; int ran0, ran1; int[] tempRoute=null; boolean iscontinue; for(int i=0; i<tempNeighbourhoodNum; i++) { tempRoute=new int[route.length]; copyGh(route, tempRoute); do{ iscontinue=false; //随机生成一个邻域; ran0 = (int) (Math.random() * nodeNum); do { ran1 = (int) (Math.random() * nodeNum); } while (ran0 == ran1); //判断是否重复 for (int j = 0; j <tempExchangeNodeList.size(); j++) { if (tempExchangeNodeList.get(j)[0]<tempExchangeNodeList.get(j)[1]) { if ((ran0 < ran1 && (tempExchangeNodeList.get(j)[0]==ran0 && tempExchangeNodeList.get(j)[1]==ran1)) ||(ran0 > ran1 && (tempExchangeNodeList.get(j)[0]==ran1 && tempExchangeNodeList.get(j)[1]==ran0))) { iscontinue=true; } }else { if ((ran0 < ran1 && (tempExchangeNodeList.get(j)[0]==ran1 && tempExchangeNodeList.get(j)[1]==ran0)) ||(ran0 > ran1 && (tempExchangeNodeList.get(j)[0]==ran0 && tempExchangeNodeList.get(j)[1]==ran1))) { iscontinue=true; } } } if (iscontinue==false) { temp = tempRoute[ran0]; tempRoute[ran0] = tempRoute[ran1]; tempRoute[ran1] = temp; tempExchangeNodeList.add(new int[]{ran0,ran1});//将交换点添加到列表中用于查重; //判断是否与route相同 for (int j = 0; j < tempRoute.length; j++) { if (tempRoute[j]!=route[j]) { iscontinue=false; } } if (iscontinue==false && !isInTabuTable(tempRoute)) { NeighbourhoodRoutes[i]=tempRoute; }else { iscontinue=true; } } }while(iscontinue); } return NeighbourhoodRoutes; } /** 判断路径是否在禁忌表中 */ public boolean isInTabuTable(int[] tempRoute) { int i, j; int flag = 0; for (i = 0; i < tabuTableLength; i++) { flag = 0; for (j = 0; j < nodeNum; j++) { if (tempRoute[j] != tabuTable[i][j]){ flag = 1;// 不相同 break; } } if (flag == 0){// 相同,返回存在相同 break; } } if (i == tabuTableLength){// 不等 return false;// 不存在 } else { return true;// 存在 } } /** 解禁忌与加入禁忌,注意禁忌策略的选择 */ public void flushTabuTable(int[] tempGh) { int tempValue=evaluate(tempGh); // 找到禁忌表中路径的最大值; int tempMax=tabuTableEvaluate[0]; int maxValueIndex=0; for (int i = 0; i < tabuTableLength; i++) { if(tabuTableEvaluate[i]>tempMax){ tempMax=tabuTableEvaluate[i]; maxValueIndex=i; } } // 新的路径加入禁忌表 if (tempValue<tabuTableEvaluate[maxValueIndex]) { if (tabuTableEvaluate[maxValueIndex]<Integer.MAX_VALUE) { copyGh(tabuTable[maxValueIndex], route); } System.out.println("测试点:更新禁忌表,maxValueIndex= "+maxValueIndex); for (int k = 0; k < nodeNum; k++) { tabuTable[maxValueIndex][k] = tempGh[k]; } tabuTableEvaluate[maxValueIndex]=tempValue; } } /**启动禁忌搜索*/ public void startSearch() { int nn; int neighbourhoodEvaluation; int currentBestRouteEvaluation; /** 存放邻域路径 */ int[] neighbourhoodOfRoute = new int[nodeNum]; /** 当代最好路径 */ int[] currentBestRoute = new int[nodeNum]; /** 当前代数 */ int currentIterateNum = 0; /** 最佳出现代数 */ int bestIterateNum = 0; int[][] neighbourhoodOfRoutes=null; //用于控制迭代次数 int[]priviousRoute=new int[nodeNum]; // 初始化编码Ghh generateInitGroup(); // 将当前路径作为最好路径 copyGh(route, bestRoute); currentBestRouteEvaluation=evaluate(route); bestEvaluation = currentBestRouteEvaluation; System.out.println("2.迭代搜索...."); while (currentIterateNum < MAX_GEN) { for (int i = 0; i < route.length; i++) { priviousRoute[i]=route[i]; } neighbourhoodOfRoutes=getNeighbourhood(route, neighbourhoodNum); System.out.println("测试点:currentIterateNum= "+currentIterateNum); for(nn = 0; nn < neighbourhoodNum; nn++) { // 得到当前路径route的一个邻域路径neighbourhoodOfRoute // neighbourhoodOfRoute=getNeighbourhood(route); neighbourhoodOfRoute=neighbourhoodOfRoutes[nn]; neighbourhoodEvaluation = evaluate(neighbourhoodOfRoute); // System.out.println("测试:neighbourhoodOfRoute="+neighbourhoodEvaluation); if (neighbourhoodEvaluation < currentBestRouteEvaluation) { copyGh(neighbourhoodOfRoute, currentBestRoute); currentBestRouteEvaluation = neighbourhoodEvaluation; // System.out.println("测试:neighbourhoodOfRoute="+neighbourhoodEvaluation); } } if (currentBestRouteEvaluation < bestEvaluation) { bestIterateNum = currentIterateNum; copyGh(currentBestRoute, bestRoute); bestEvaluation = currentBestRouteEvaluation; System.out.println("测试:currentBestRouteEvaluation="+currentBestRouteEvaluation); } copyGh(currentBestRoute, route); // 解禁忌表,currentBestRoute加入禁忌表 // System.out.println("测试点:currentBestRoute= "+currentBestRoute); flushTabuTable(currentBestRoute); currentIterateNum++; for (int i = 0; i < priviousRoute.length; i++) { if (priviousRoute[i] != route[i]) { currentIterateNum=0; break; } } printRunStatus(); } //结果显示: System.out.println("最佳长度出现代数:"); System.out.println(bestIterateNum); System.out.println("最佳长度:"); System.out.println(bestEvaluation); System.out.println("最佳路径:"); for (int i = 0; i < nodeNum; i++) { System.out.print(bestRoute[i] + ","); } } /** * @Description: 输出结运行状态 */ private void printRunStatus() { long millis=System.currentTimeMillis(); if (millis-tp>20) { tp=millis; ddWindow.addData(millis, bestEvaluation); } try { Thread.sleep(100L); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } /** * @param args * @throws IOException */ public static void main(String[] args) throws IOException { System.out.println("Start...."); TabuSearchAlgorithm tabu = new TabuSearchAlgorithm(48, 120, 500, 100); tabu.ddWindow=new DynamicDataWindow("禁忌搜索算法优化求解过程"); tabu.ddWindow.setVisible(true); tabu.init("C:\\Users\\att48.txt"); tabu.startSearch(); } }
启发式搜索算法蕴含着许多人生哲学,它虽不是数学方法,其思想更类似于人类解决问题的思想和一些人生中总结的道理,值得好好体会。最后用网上一段描述各种搜索算法的例子来作为总结:
为了找出地球上最高的山,一群有志气的兔子们开始想办法。
(1)兔子朝着比现在高的地方跳去。他们找到了不远处的最高山峰。但是这座山不一定是珠穆朗玛峰。这就是爬山法,它不能保证局部最优值就是全局最优值。
(2)兔子喝醉了。他随机地跳了很长时间。这期间,它可能走向高处,也可能踏入平地。但是,他渐渐清醒了并朝他踏过的最高方向跳去。这就是模拟退火。
(3)兔子们知道一个兔的力量是渺小的。他们互相转告着,哪里的山已经找过,并且找过的每一座山他们都留下一只兔子做记号。他们制定了下一步去哪里寻找的策略。这就是禁忌搜索。
(4)兔子们吃了失忆药片,并被发射到太空,然后随机落到了地球上的某些地方。他们不知道自己的使命是什么。但是,如果你过几年就杀死一部分海拔低的兔子,多产的兔子们自己就会找到珠穆朗玛峰。这就是遗传算法。
(1)兔子朝着比现在高的地方跳去。他们找到了不远处的最高山峰。但是这座山不一定是珠穆朗玛峰。这就是爬山法,它不能保证局部最优值就是全局最优值。
(2)兔子喝醉了。他随机地跳了很长时间。这期间,它可能走向高处,也可能踏入平地。但是,他渐渐清醒了并朝他踏过的最高方向跳去。这就是模拟退火。
(3)兔子们知道一个兔的力量是渺小的。他们互相转告着,哪里的山已经找过,并且找过的每一座山他们都留下一只兔子做记号。他们制定了下一步去哪里寻找的策略。这就是禁忌搜索。
(4)兔子们吃了失忆药片,并被发射到太空,然后随机落到了地球上的某些地方。他们不知道自己的使命是什么。但是,如果你过几年就杀死一部分海拔低的兔子,多产的兔子们自己就会找到珠穆朗玛峰。这就是遗传算法。
参考资料
1.爬山法 。
2.局部搜索案例与求解方法。
3.《群体智能优化算法及其应用》雷秀娟 著。
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版权声明:本文为CSDN博主「StevenSun2014」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/tyhj_sf/java/article/details/54235550
1.爬山法 。
2.局部搜索案例与求解方法。
3.《群体智能优化算法及其应用》雷秀娟 著。
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版权声明:本文为CSDN博主「StevenSun2014」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/tyhj_sf/java/article/details/54235550
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