Python實現蟻群優(yōu)化算法的示例代碼
蟻群算法
蟻群算法是Colori A等人在1991年提出的,通過模仿螞蟻覓食行為,抽象出信息素這一獎懲機制,從而賦予螞蟻智能Agent的身份,使之得以在最佳路線問題中大展身手。
現有一群螞蟻想從A0?點走到An?點,假設兩點中間有多條路徑可以選擇,螞蟻不知道哪條路更近,所以最開始無論選擇哪條路,機會都是相等的。但是,當某一條路有螞蟻走過之后,就會留下信息素,如果每一只螞蟻的速度是恒定的,那么路程越短,螞蟻在這條路上往返也就越快,反過來說,單位時間內,越短的路會有更多的螞蟻走過,從而留下的信息素就會越多,這就是蟻群算法的基本原理了。
當不同路徑均留下信息素后,螞蟻們再行選擇路線就不是等概率的了,他們會有更大的概率選擇信息素更濃的路線。隨著時間的推演,信息素也會揮發(fā),從而螞蟻們不斷更新他們的路線,這個過程就是蟻群優(yōu)化(Ant Clony Optimization, ACO)。
螞蟻的基本變量
很顯然,蟻群算法的前提是來一群螞蟻對象,而螞蟻作為一個智能體,至少要有一些記憶,需要記住以下內容
- 城市個數
- 城市地圖
- 每個城市留下的信息素
- 已經走過和尚未到達的城市
- 移動的步數
- 已經走過的距離
而經過初始化之后,這個螞蟻必須得來到某個城市,所以需要一個隨機選擇城市的函數,下面就是一個螞蟻所必備的初始化流程
import numpy as np from functools import reduce class Ant(object): def __init__(self, nCity, graph, pheromone): self.nCity = nCity # 城市數 self.graph = graph # 城市地圖 self.pheromone = pheromone # 信息素地圖 self.cityEnabled = [True] * nCity # 尚未到達的城市標記 self.nMove = 0 # 移動步數 self.dTotal = 0.0 # 已經走過的距離 self.initData() # 初始化出生點 # 隨機選擇城市 def randCity(self): return np.random.randint(0,self.nCity-1) # 初始化 def initData(self): self.nowCity = self.randCity() # 隨機選擇一個城市 self.path = [self.nowCity] # 保存當前走過的城市 self.cityEnabled[self.nowCity] = False # 當前城市不再探索 self.nMove = 1 # 初始時的移動計數
螞蟻的優(yōu)化流程
某只螞蟻在初始化之后,就要通過它敏銳的“嗅覺”選擇下一個城市,直到走完所有城市為止。而選擇城市時,需要用到信息素地圖作為判斷依據。信息素濃度為p,兩點距離為d,則螞蟻前往該城市的概率為
其中,α和β分別叫做信息素啟發(fā)因子和期望啟發(fā)因子,故而在Ant類中新建方法:
# 計算到達第i個城市的概率 def getOneProb(self, i): ALPHA = 1.0 BETA = 2.0 dis = self.graph[self.nowCity][i] phe = self.pheromone[self.nowCity][i] # 計算移動到該城市的概率 if not self.cityEnabled[i]: return 0 else: return pow(phe, ALPHA) * pow(1/dis, BETA)
有了這個,就可以得到去所有城市的概率,然后隨機則取
def choiceNext(self): # 前往所有城市的概率 pSlct = [self.getOneProb(i) for i in range(self.nCity)] pSum = np.cumsum(pSlct) # 生成一個隨機數,這個隨機數在pSum中落入的區(qū)間就是選擇的城市 pTemp = np.random.uniform(0.0, pSum[-1]) return np.searchsorted(pSum, pTemp)
在選中接下來前往的城市之后,就要動身前往
# 移動到新的城市 def moveTo(self, city): self.path.append(city) # 添加目標城市 self.cityEnabled[city] = False # 目標城市不可再探索 # 總路程增加當前城市到目標城市的距離 self.dTotal += self.graph[self.nowCity][city] self.nowCity = city # 更新當前城市 self.nMove += 1 # 移動次數
唯一需要注意的是,旅行商問題要求走一圈,也就是說,當走遍所有城市之后,要記得把第一個城市和最后一個城市的距離添加到全部路程當中,故其總的搜索流程如下
def run(self): self.initData() while self.nMove < self.nCity: next_city = self.choiceNext() self.moveTo(next_city) self.dTotal += self.graph[self.path[0]][self.path[-1]] return self.dTotal
至此,就實現了一個螞蟻類。
蟻群優(yōu)化
有了螞蟻,那么接下來就要有蟻群,以及適用于蟻群算法的城市網點。設城市坐標序列為xi?和yi?,則根據這組坐標點的個數就是城市數nCity,而城市距離矩陣可表示為
另一方面,蟻群優(yōu)化過程中,信息素更新至關重要,其值受到兩個因素影響,一是螞蟻走過會使之增加,二則是時間流逝會使之揮發(fā),故而需要有一個揮發(fā)系數RHO。信息素更新函數如下
# 更新信息素 RHO = 0.5 # 信息素揮發(fā)系數 def updatePheromone(nCity, pheromone, ants): # 初始化螞蟻在兩兩城市間的信息素, 50行50列 temp = np.zeros([nCity, nCity]) # 遍歷每只螞蟻對象 for ant in ants: for i in range(1, nCity): # 遍歷該螞蟻經過的每個城市 st, ed = ant.path[i-1], ant.path[i] # 在兩個城市間留下信息素,濃度與總距離成反比 temp[st, ed] += Q / ant.dTotal temp[ed, st] = temp[st, ed] # 信息素矩陣軸對稱 return pheromone * RHO + temp
至此,萬事俱備,只欠東風,蟻群優(yōu)化算法的主體程序如下
import copy # xs, ys為城市的x和y坐標 # nAnts為螞蟻個數, nIter為迭代次數 def aco(xs, ys, nAnts, nIter): nCity = len(xs) xMat, yMat = xs-xs.reshape(-1,1), ys-ys.reshape(-1,1) graph = np.sqrt(xMat**2 + yMat**2) pheromone = np.ones([nCity, nCity]) # 信息素矩陣 ants = [Ant(nCity, graph, pheromone) for _ in range(nAnts)] best = Ant(nCity, graph, pheromone) # 初始化最優(yōu)解 best.dTotal = np.inf bestAnts = [] # 輸出并保存 for i in range(nIter): for ant in ants: ant.pheromone = pheromone ant.run() # 與當前最優(yōu)螞蟻比較步行的總距離 if ant.dTotal < best.dTotal: # 更新最優(yōu)解 best = copy.deepcopy(ant) print(f"{i},{best.dTotal}") # 更新信息素 pheromone = updatePheromone(nCity, pheromone, ants) bestAnts.append(best) return bestAnts
驗證與可視化
又到了激動人心的驗證時刻。根據aco函數的輸入參數來看,主要需要一組空間坐標,設置如下
# 每個城市的x和y坐標 xs = np.array([ 178,272,176,171,650,499,267,703,408,437,491,74,532, 416,626,42,271,359,163,508,229,576,147,560,35,714, 757,517,64,314,675,690,391,628,87,240,705,699,258, 428,614,36,360,482,666,597,209,201,492,294]) ys = np.array([ 170,395,198,151,242,556,57,401,305,421,267,105,525, 381,244,330,395,169,141,380,153,442,528,329,232,48, 498,265,343,120,165,50,433,63,491,275,348,222,288, 490,213,524,244,114,104,552,70,425,227,331]) xMat, yMat = xs-xs.reshape(-1,1), ys-ys.reshape(-1,1) distance_graph = np.sqrt(xMat**2 + yMat**2)
最后main函數為
if __name__ == '__main__': bAnts = aco(xs, ys, 50, 300) index = bAnts[-1].path index = index + [index[0]] plt.plot(xs[index], ys[index], marker='*') plt.tight_layout() plt.show()
最終優(yōu)化后的螞蟻路線如下
到此這篇關于Python實現蟻群優(yōu)化算法的示例代碼的文章就介紹到這了,更多相關Python蟻群算法內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家!
相關文章
在pycharm中運行js文件以及附加node.js下載步驟
js文件需要用node來運行,所以首先要安裝node軟件,下面這篇文章主要給大家介紹了關于在pycharm中運行js文件以及附加node.js下載步驟的相關資料,文中通過圖文介紹的非常詳細,需要的朋友可以參考下2023-12-12PyCharm+PySpark遠程調試的環(huán)境配置的方法
今天小編就為大家分享一篇PyCharm+PySpark遠程調試的環(huán)境配置的方法,具有很好的參考價值,希望對大家有所幫助。一起跟隨小編過來看看吧2018-11-11