2022年蚁群算法的TSP问题求解策略分析研究 .pdf
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1、I / 24 基于蚁群算法的TSP问题求解策略研究摘要TSP 问题是计算机网络、路由规划中的经典问题。而蚁群优化算法作为高效的计算智能的方法,在离散优化领域有着十分广泛的应用,其中最为经典的是最优回路求解问题。因此,本文在分析蚁群算法发展现状的基础上,针对TSP 问题的求解策略,来深入分析蚁群基数的设置对收敛效率的影响。最后通过 MATlAB 编程工具运行相关代码,并得到相应的TSP问题解。实验结果表明:随着蚁群基数的增加,TSP 问题求解的时间也会线性增加;当蚁群基数大于等于 TSP 问题的结点个数的时候, TSP 问题的解才会保持稳定且趋近于蚁群基数与节点个数相等时的TSP问题的解。关键字
2、蚁群算法蚁群基数 TSP精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 24 页II / 24 Research on the TSP Solution based on Ant Colony OptimizationAbstractThe TSP problem is a classic problem in computer network, route planning.And the ant colony optimization algorithm as an efficient method of computational
3、 intelligence, has the extremely widespread application in the field of discrete optimization, the most classic is the optimal circuit to solve the problem. Therefore, this article on the basis of analyzing the current situation of the development of ant colony algorithm, TSP problem solving strateg
4、y, to analyze ant colony base Settings affect the convergence efficiency. Finally through MATlAB programming tools run the code, and get the corresponding TSP problem solution. The experimental results show that with the increase of base of ant colony, TSP problem solving linear time will also grow
5、。 when ant colony cardinality is greater than or equal to the node number of the TSP problem, the solution of the TSP problem will keep stable and tend to base of ant colony and TSP problem solution of node number is equal. Key Words Ant colony optimization Thebase of ant colony TSP 精选学习资料 - - - - -
6、 - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 24 页III / 24 目录1引言.1 1.1TSP问题简述及其历史 .1 1.2TSP问题的意义及求解方法 .1 1.3蚁群算法的前景和意义 .2 1.4蚁群算法的产生与发展 .2 1.5蚁群算法的现状 .3 1.6本文的研究内容 .3 1.7本文的组织结构 .4 2蚁群算法 .5 2.1蚁群算法的基本原理 .5 2.2蚁群算法的基本流程 .6 2.3蚁群优化算法的改进版本 .7 3 实验设计与分析 .11 3.1 实验假设 .11 3.2 实验设计 .11 3.3 实验结果及结果分析 .12 结论.19 致谢语 .
7、20 参考文献 .21 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 24 页1 / 24 1引言1.1 TSP问题简述及其历史旅行商问题 Traveling Salesman Problem, TSP):假设一个旅行商人想要去拜访若干个城市,每个城市只经过一次,并且最终要回到他出发时所在的那个城市,为使整个拜访过程所走的路径最少,商人必须规划出一条最短的旅行路线。TSP问题的历史悠久,最早的描述是1759 年欧拉研究的骑士周游问题,即对于国际象棋棋盘中的64个方格,如何做到每个方格都走访并只走访一次之后回到起点位置。 TSP 问题最
8、早由美国RAND 公司于 1948 年引入到计算机领域,目前已在网络路由、路径规划等有着十分广泛的应用。1.2TSP问题的意义及其求解方法优化问题是信息领域的关注热点,其中组合优化问题是最常见的优化问题之一。目前很多工程上的问题都可以抽象为对应的组合优化问题,如:集成电路的布控、 GPS导航、网络路由、交通网等都需要用到优化知识。TSP 问题是组合优化问题的典范,对TSP 问题的大部分研究成果可以成功地应用到其他的组合优化问题上,TSP 问题已经成为测试新组合优化算法的标准问题。传统的TSP问题的解法只适用于小搜索空间的TSP问题,并且有的算法还表现出不错的精确性。这些方法主要有:迪杰斯特拉d
9、ijkstra)算法、弗洛伊德,以其分布式并发性、正反馈、鲁棒性强、收敛速度快、易获得全局最优解等特点引起越来越多国内外学者的关注,成为目前国内外启发式算法研究的热点和前沿问题2。目前 蚁群算法已成功将其应用在 TSP问题的求解中。1.3蚁群算法的前景和意义蚁群算法作为一种全局最优化的搜索算法,同遗传算法一样来源于大自然的启示,并且也同样拥有者良好的搜索性能。不同的是,蚁群算法通过模拟蚂蚁觅食的过程,是一种天然的解决离散组合优化问题的方法,在解决经典典型组合优化问题,如旅行商问题(Traveling Salesman Problem, TSP、车辆路径问题 (Vehicle Routing P
10、roblem, VRP、车间作业调度问题(Job-shop Scheduling Problem, JSP 和动态组合规划问题如通信领域的路由器问题中均得到了成功的应用。目前针对蚁群算法在数学理论、算法改进、实际应用等方面的研究是当前国内外研究的热点。1.4 蚁群算法的产生与发展ACO 是一种用来在图中寻找优化路径的机率型算法。它由Marco Dorigo等人3于 1991 年在第一届欧洲人工生命会议( European Conference on Artificial Intelligence, ECAI上提出,其灵感来源于蚂蚁在觅食过程中发现路径的行为。蚁群算法是一种模拟进化算法,与遗传算
11、法、粒子群算法、免疫算法等同属于仿生优化算法。第一种 ACO 算法是蚂蚁系统 (Ant System, AS,该方法是以NP-Hard 的TSP 问题作为应用实例提出的。AS 算法初步形成的时候虽然能够找到问题的优精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 24 页3 / 24 化结果,但是其算法的执行效率并不优于其他传统算法,因此ACO 并未受到国际学术界的广泛认可,在刚提出的那五年时间里面有关方面的研究也处于停滞不前的状态。直到1996 年 Dorigo 的 Ant System:optimization by a colony
12、 of cooperating agents 一 文4正 式 在 IEEE Transaction on System, Man, and Cybernetics 上发表。这篇文章详细的介绍了AS 的基本原理和算法流程,并对AS 提出了三个版本:蚂蚁密度(ant-density、蚂蚁数量 (ant-quantity和蚂蚁圈( ant-cycle。目前 AS 一般特指蚂蚁圈,前两者由于性能不佳导致关注度降低。Dorigo 还在该文中将AS 的性能与众多算法,如遗传算法、模拟退火、禁忌搜索等算法进行比较,发现在大多数的情况下AS 的寻优能力是最佳的。这是蚁群优化算法发展历史上的一个里程碑,从此,A
13、CO 在国内外受到了越来越多的关注。1.5蚁群算法的现状蚁群算法的改进策略包括精华蚂蚁系统( Elitist AS, EAS、最大最小蚂蚁系统( MAX-MIN AS , MMAS 、基于排列的蚂蚁系统 ( rank-based AS , ASrank等,他们大多是在 AS 上直接操刀改进。在1997 年,ACO 的创始人 Dorigo 提出了一种大幅度改动 AS 特征的算法蚁群系统(Ant Colony System, ACS5。实验结果表明 ACS 的性能明显优于AS,之后蚁群算法继续发展,新的蚁群扩展算法不断出现。到了 21世纪,各种连续算法的出现,更是扩大了蚁群算法的领域。1.6本文的
14、研究内容TSP 问题作为蚁群算法诞生之初所研究的第一个典型的离散组合优化问题,在蚁群算法的发展史中占有不可替代的位置,本文主要基于ACO 的蚁群基数来研究特定的 TSP问题,通过实验分析得到求解该TSP问题的最佳蚁群基数。1.7 本文的组织结构精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 24 页4 / 24 本文主要由以下三个章节组成:第一章引言。主要介绍TSP 问题、 TSP 问题的意义及求解方法、蚁群算法的产生和发展、现在的研究情况、已经取得的成功和以后发展的方向,以及本文主要研究的内容。第二章蚁群算法。介绍蚁群算法的基本原理和
15、基本流程,然后再简要介绍一下当下的几种较流行的ACO 改进算法和 ACS 的工作流程。第三章实验设计与分析。包括实验假设的提出、实验步骤的设计、实验结果的处理分析、得出结论。在文章的最后,将会对本文做一个总结。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 24 页5 / 24 2蚁群算法2.1 蚁群算法的基本原理仿生学家通过长期的研究和实验得出:蚁群在觅食过程中会产生一种化学物质信息素 (pheromone 。蚂蚁在寻找食物的过程中选择的路径往往是随机的,在沿着路径寻找的过程中,他们一边释放自身的信息素,一边感知当前地面上的信息素浓度
16、,并倾向于向高信息素浓度的方向前进。因为信息素由蚂蚁自身释放,所以它就充当了蚁群内部间接通信的物质。由于较短路径上的蚂蚁往返时间比较短,所以在单位的挥发时间内,经过的蚂蚁数量比较多,留下的信息素自然也比较浓,因此后面的蚂蚁在经过的时候就会根据信息素的浓度而选择较短的路径前进。这种正反馈机制会使得蚁群所找到的最短路径上信息素的浓度越来越浓,而其他的路径则会随着信息素的慢慢挥发而被淘汰,最终所有的蚂蚁都会沿着最短路径前进。有生物学家将蚁群上述行为描述成以下三种机制:选择机制:信息素越多的路径,被选中的概率越大。更新机制:路径上面的信息素会随着蚂蚁的经过而增加,同样也会随着时间的推移而挥发消失。协调
17、机制:蚂蚁之间实际是通过分泌物来相互通信、协同工作的。此外,蚁群的自适应能力特别强,假设在路径上突然出现障碍物,蚁群也能够绕过障碍并很快重新探索出一条新的最优路径。蚁群算法正是充分运用了这三种机制和一群的自适应力,使之具备强大的发现最优解的能力。2.2蚁群算法的基本流程精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 24 页6 / 24 前面已经简要介绍了TSP问题,接下来我先将TSP 问题以较专业的语言再进行简单描述,然后再详细介绍AS 算法对 TSP的求解流程。TSP 问题是指在具有N 个城市节点的集合中找到一条最短的回路,这条回路
18、必须从一个节点出发,遍历该节点集里面的所有节点,并最终回到初始节点( 已知任意两个节点之间的欧几里德距离,这样的回路也称之为哈密顿回路,如下图所示: ( a属于较简单的TSP 问题, ( b的节点较多,求解也相对复杂很多。图 2-1 TSP问题示意图AS 算法对 TSP问题求解主要有两大步骤:路径构建和信息素更新。1. 路径构建每一只蚂蚁都随机选择一个城市节点作为出发城市,每到达一个城市后,更新自己的路径记忆向量,记kR,来存放该蚂蚁依次走过的城市节点,确保不会走已经走过的节点,对于还没有走过的城市节点按照随机比例规则:otherjiJjuiuijijijipkiJkk,0,)(2-1随机选择
19、出一个作为该蚂蚁下一步要到达的城市节点。其中,jipk,表示蚂蚁k从i城市节点走向j城市节点的概率。iJk表示当前城市节点i可以直接到达 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 24 页7 / 24 且还未走过的城市节点集。ji,表示能见度,ijdji1,,ijd表示城市节点i与j之间的距离。ji,表示城市节点i,j连线间的信息素浓度,在算法的初始化时,问题空间上的信息素会被初始化为一个相同的值。和是两个预先设置好的参数,用来调节信息素浓度和能见度之间的相对重要程度6。2信息素更新当所有蚂蚁都遍历过这些城市节点后,问题空间上所有
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