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  • 蚁群算法 模拟退火算法 贪心算法 遗传算法 无线可充电传感器问题

    %% 蚁群算法及Matlab实现——TSP问题
    % 《MATLAB数学建模方法与实践》(《MATLAB在数学建模中的应用》升级版),北航出版社,卓金武、王鸿钧编著. 
    %% 数据准备
    % 清空环境变量
    clear all
    clc
    
    % 程序运行计时开始
    t0 = clock;
    
    %导入数据
    citys=xlsread('C题附件1.xlsx', 'B2:C31');
    x=xlsread('C题附件1.xlsx','B2:B31');
    y=xlsread('C题附件1.xlsx','C2:C31');
    
    %% 计算城市间相互距离
    n = size(citys,1);
    D = zeros(n,n);
    r=6371;
    for i = 1:n
        for j = 1:n
            if i ~= j
                D(i,j) =  r*acos(cos(y(i))*cos(y(j))*cos(x(i)-x(j))+sin(y(i))*sin(y(j)));
            else
                D(i,j) = 1e-4;      %设定的对角矩阵修正值
            end
        end    
    end
    
    %% 初始化参数
    m = 75;                              % 蚂蚁数量
    alpha = 1;                           % 信息素重要程度因子
    beta = 5;                            % 启发函数重要程度因子
    vol = 0.2;                           % 信息素挥发(volatilization)因子
    Q = 10;                               % 常系数
    Heu_F = 1./D;                        % 启发函数(heuristic function)
    Tau = ones(n,n);                     % 信息素矩阵
    Table = zeros(m,n);                  % 路径记录表
    iter = 1;                            % 迭代次数初值
    iter_max = 100;                      % 最大迭代次数 
    Route_best = zeros(iter_max,n);      % 各代最佳路径       
    Length_best = zeros(iter_max,1);     % 各代最佳路径的长度  
    Length_ave = zeros(iter_max,1);      % 各代路径的平均长度  
    Limit_iter = 0;                      % 程序收敛时迭代次数
    
    %% 迭代寻找最佳路径
    while iter <= iter_max
        % 随机产生各个蚂蚁的起点城市
          start = zeros(m,1);
          for i = 1:m
              temp = 1;
              start(i) = temp(1);
          end
          Table(:,1) = start; 
          % 构建解空间
          citys_index = 1:n;
          % 逐个蚂蚁路径选择
          for i = 1:m
              % 逐个城市路径选择
             for j = 2:n
                 tabu = Table(i,1:(j - 1));           % 已访问的城市集合(禁忌表)
                 allow_index = ~ismember(citys_index,tabu);    % 参加说明1(程序底部)
                 allow = citys_index(allow_index);  % 待访问的城市集合
                 P = allow;
                 % 计算城市间转移概率
                 for k = 1:length(allow)
                     P(k) = Tau(tabu(end),allow(k))^alpha * Heu_F(tabu(end),allow(k))^beta;
                 end
                 P = P/sum(P);
                 % 轮盘赌法选择下一个访问城市
                Pc = cumsum(P);     %参加说明2(程序底部)
                target_index = find(Pc >= rand); 
                target = allow(target_index(1));
                Table(i,j) = target;
             end
          end
          % 计算各个蚂蚁的路径距离
          Length = zeros(m,1);
          for i = 1:m
              Route = Table(i,:);
              for j = 1:(n - 1)
                  Length(i) = Length(i) + D(Route(j),Route(j + 1));
              end
              Length(i) = Length(i) + D(Route(n),Route(1));
          end
          % 计算最短路径距离及平均距离
          if iter == 1
              [min_Length,min_index] = min(Length);
              Length_best(iter) = min_Length;  
              Length_ave(iter) = mean(Length);
              Route_best(iter,:) = Table(min_index,:);
              Limit_iter = 1; 
              
          else
              [min_Length,min_index] = min(Length);
              Length_best(iter) = min(Length_best(iter - 1),min_Length);
              Length_ave(iter) = mean(Length);
              if Length_best(iter) == min_Length
                  Route_best(iter,:) = Table(min_index,:);
                  Limit_iter = iter; 
              else
                  Route_best(iter,:) = Route_best((iter-1),:);
              end
          end
          % 更新信息素
          Delta_Tau = zeros(n,n);
          % 逐个蚂蚁计算
          for i = 1:m
              % 逐个城市计算
              for j = 1:(n - 1)
                  Delta_Tau(Table(i,j),Table(i,j+1)) = Delta_Tau(Table(i,j),Table(i,j+1)) + Q/Length(i);
              end
              Delta_Tau(Table(i,n),Table(i,1)) = Delta_Tau(Table(i,n),Table(i,1)) + Q/Length(i);
          end
          Tau = (1-vol) * Tau + Delta_Tau;
        % 迭代次数加1,清空路径记录表
        iter = iter + 1;
        Table = zeros(m,n);
    end
    
    %% 结果显示
    [Shortest_Length,index] = min(Length_best);
    Shortest_Route = Route_best(index,:);
    Time_Cost=etime(clock,t0);
    disp(['最短距离:' num2str(Shortest_Length)]);
    disp(['最短路径:' num2str([Shortest_Route Shortest_Route(1)])]);
    disp(['收敛迭代次数:' num2str(Limit_iter)]);
    disp(['程序执行时间:' num2str(Time_Cost) '秒']);
    
    %% 绘图
    figure(1)
    plot([citys(Shortest_Route,1);citys(Shortest_Route(1),1)],...  %三点省略符为Matlab续行符
         [citys(Shortest_Route,2);citys(Shortest_Route(1),2)],'o-');
    grid on
    for i = 1:size(citys,1)
        text(citys(i,1),citys(i,2),['   ' num2str(i)]);
    end
    text(citys(Shortest_Route(1),1),citys(Shortest_Route(1),2),'       起点');
    text(citys(Shortest_Route(end),1),citys(Shortest_Route(end),2),'       终点');
    xlabel('城市位置横坐标')
    ylabel('城市位置纵坐标')
    title(['ACA最优化路径(最短距离:' num2str(Shortest_Length) ')'])
    figure(2)
    plot(1:iter_max,Length_best,'b')
    legend('最短距离')
    xlabel('迭代次数')
    ylabel('距离')
    title('算法收敛轨迹')
    %--------------------------------------------------------------------------
    %% 程序解释或说明
    % 1. ismember函数判断一个变量中的元素是否在另一个变量中出现,返回0-1矩阵;
    % 2. cumsum函数用于求变量中累加元素的和,如A=[1, 2, 3, 4, 5], 那么cumsum(A)=[1, 3, 6, 10, 15]。
    

    运行结果

    最短距离:433.5578
    最短路径:1   2   8   3  10   7   9  11  12  13  14  15  16  17  28   6   4   5  29  23  22  25  24  30  27  26  20  19  18  21   1
    收敛迭代次数:5
    程序执行时间:9.502秒

     退火算法 

    clear	
    	clc
        num=xlsread('C题附件1.xlsx', 'B2:C31');
        x=xlsread('C题附件1.xlsx','B2:B31');
        y=xlsread('C题附件1.xlsx','C2:C31');
    	a = 0.99;	% 温度衰减函数的参数
    	t0 = 97; tf = 3; t = t0;
    	Markov_length = 10000;	% Markov链长度
    	coordinates = [num,x,y];
    	coordinates(:,1) = [];
    	amount = size(coordinates,1); 	% 城市的数目
    	
    %% 计算城市间相互距离
    n = size(num,1);
    D = zeros(n,n);
    r=6371;
    for i = 1:n
        for j = 1:n
            if i ~= j
                D(i,j) =  r*acos(cos(y(i))*cos(y(j))*cos(x(i)-x(j))+sin(y(i))*sin(y(j)));
            else
                D(i,j) = 1e-4;      %设定的对角矩阵修正值
            end
        end    
    end
    
    	sol_new = 1:amount;         % 产生初始解
    % sol_new是每次产生的新解;sol_current是当前解;sol_best是冷却中的最好解;
    	E_current = inf;E_best = inf; 		% E_current是当前解对应的回路距离;
    % E_new是新解的回路距离;
    % E_best是最优解的
    	sol_current = sol_new; sol_best = sol_new;          
    	p = 1;
    
    	while t>=tf
    		for r=1:Markov_length		% Markov链长度
    			% 产生随机扰动
    			if (rand < 0.5)	% 随机决定是进行两交换还是三交换
    				% 两交换
    				ind1 = 0; ind2 = 0;
    				while (ind1 == ind2)
    					ind1 = ceil(rand.*amount);
    					ind2 = ceil(rand.*amount);
    				end
    				tmp1 = sol_new(ind1);
    				sol_new(ind1) = sol_new(ind2);
    				sol_new(ind2) = tmp1;
    			else
    				% 三交换
    				ind1 = 0; ind2 = 0; ind3 = 0;
    				while (ind1 == ind2) || (ind1 == ind3) ...
    					|| (ind2 == ind3) || (abs(ind1-ind2) == 1)
    					ind1 = ceil(rand.*amount);
    					ind2 = ceil(rand.*amount);
    					ind3 = ceil(rand.*amount);
    				end
    				tmp1 = ind1;tmp2 = ind2;tmp3 = ind3;
    				% 确保ind1 < ind2 < ind3
    				if (ind1 < ind2) && (ind2 < ind3)
    					;
    				elseif (ind1 < ind3) && (ind3 < ind2)
    					ind2 = tmp3;ind3 = tmp2;
    				elseif (ind2 < ind1) && (ind1 < ind3)
    					ind1 = tmp2;ind2 = tmp1;
    				elseif (ind2 < ind3) && (ind3 < ind1) 
    					ind1 = tmp2;ind2 = tmp3; ind3 = tmp1;
    				elseif (ind3 < ind1) && (ind1 < ind2)
    					ind1 = tmp3;ind2 = tmp1; ind3 = tmp2;
    				elseif (ind3 < ind2) && (ind2 < ind1)
    					ind1 = tmp3;ind2 = tmp2; ind3 = tmp1;
    				end
    				
    				tmplist1 = sol_new((ind1+1):(ind2-1));
    				sol_new((ind1+1):(ind1+ind3-ind2+1)) = ...
    					sol_new((ind2):(ind3));
    				sol_new((ind1+ind3-ind2+2):ind3) = ...
    					tmplist1;
    			end
    
    			%检查是否满足约束
    			
    			% 计算目标函数值(即内能)
    			E_new = 0;
    			for i = 1 : (amount-1)
    				E_new = E_new + ...
    					D(sol_new(i),sol_new(i+1));
    			end
    			% 再算上从最后一个城市到第一个城市的距离
    			E_new = E_new + ...
    				D(sol_new(amount),sol_new(1));
    			
    			if E_new < E_current
    				E_current = E_new;
    				sol_current = sol_new;
    				if E_new < E_best
    % 把冷却过程中最好的解保存下来
    					E_best = E_new;
    					sol_best = sol_new;
    				end
    			else
    				% 若新解的目标函数值小于当前解的,
    				% 则仅以一定概率接受新解
    				if rand < exp(-(E_new-E_current)./t)
    					E_current = E_new;
    					sol_current = sol_new;
    				else	
    					sol_new = sol_current;
    				end
    			end
    		end
    		t=t.*a;		% 控制参数t(温度)减少为原来的a倍
    	end
    
    	disp('最优解为:')
    	disp(sol_best)
    	disp('最短距离:')
    	disp(E_best)
    

      运行结果:

    最优解为:
      1 至 22 列
        1     5    18    21    19    20    26    27    30    24    25    22    23    29     4     6    11    13    14    17    28    16    15    12
      23 至 30 列
         9     7    10     3     8     2     
    最短距离:
      405.2805
     
    贪心算法 
    n = 30 ;                                   %用于记录点数
    best = 1:1:n;                              %生成一个用来存储点顺序的矩阵
    handle = 1:1:n;
    
    x=xlsread('C题附件1.xlsx','B2:B31');
    y=xlsread('C题附件1.xlsx','C2:C31');
    r=6371;
    D = zeros(n) ;
    for i = 1 : n 
        for j = 1 : n
            D(i,j) =  r*acos(cos(y(i))*cos(y(j))*cos(x(i)-x(j))+sin(y(i))*sin(y(j)));        %距离矩阵
        end
    end
    
    best(1) = 1;                             %默认起点
    num = 1; 
    for a = 1:(n-2)                         %需要n-2次判断
        handle(:,1)=[];                     %上一次最优点的数据裁掉
        dis = zeros(1,(n-a));               %用来存剩下各个点的距离
        for b = 1:(n-a)                     %用来获取剩下各个点的距离
            dis(b) = D (num  , handle(b));      
        end
        num1 = find( dis == min(dis) );     %得到最优点所在检索
        
        t = handle(1);                      %将最优点与最前面的点位置进行交换  
        handle(1) = handle(num1);
        handle(num1) = t;
        
        num = handle(1);                    %获取下次进行操作的数
        best(a+1) = handle(1);              %将最优点存入best数组
    end
    
    best(n) = handle(num1);                 %补上最后一个点
    
    plot(x(best),y(best),'-+') ;            %用'+'标出点并用实线连接得到最优路径
    grid on
    disp(best)
    

      运行结果:

    最短路径:

    1 至 22 列
         1     2     8    10     3     4     6    11     9     7    12    13    14    17    16    15    28     5    29    23    22    24
      23 至 30 列
        25    20    26    30    27    19    21    18
    最短距离:484.4739
     
    遗传算法
    运行结果:
    最优路径:1 7 9 12 11 17 28 16 15 13 14 6 8 4 23 22 24 20 30 27 26 25 21 18 29 2 3 10 5 19
    最短距离:597.9907
     
     
     
     
     
     
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