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   -> 人工智能 -> 模拟退火simulated annealing -> 正文阅读

[人工智能]模拟退火simulated annealing

1983年Kirkpatrick使用模拟退火来求解组合最优化问题,尽管1953年Metropolis等人已经提出了模拟退火的思想。

也就是说1983年模拟退火开始被大量使用。它是模拟固体退火的过程,固体退火后,温度降低,能量也随之降低。如果我们把每个温度下的状态空间看做可行解集,把能量看做是目标函数值,就会发现它与组合最优化问题非常相似。

它是一种全局搜索算法,利用Metropolis控制温度下降过程来实现模拟退火。温度比较高时,接受差解的可能性/概率较高;温度较低时,接受差解的概率变小,趋近于爬山算法。这也很合理,温度高,也就是一开始,接受差解以保持解空间的多样性;待到后面温度降低,开始仔细搜索。也就是同时顾及到了搜索空间的多样性(横向)和质量(纵向)。

关键点有三个:怎么定义邻域结构,这往往是核心所在。也就是一个状态怎么变到另一个状态的(在随机过程中这被叫做马尔科夫过程)。还有接受/拒绝概率如何变化,这用来指导搜索方向。通常用蒙特卡洛法Monte Carlo来控制,接受概率为e^{-\frac{\triangle E}{T}},也就是说rand小于此概率,差解被接受。最后一个就是温度如何变化,冷却温度或者升温,这一块也要思考设计。

下面是流程和步骤:

模拟退火法可分为解空间、目标函数和初始解三部分。具体流程如下:

step1:初始化。设置初始温度T0,充分大;初始解状态X0,是算法迭代的起点;每个T值的迭代次数L。

step2:当k=1,...,L,执行step3~step6。这里L也被称为马尔科夫链长度(也就是每一温度下有多个解)。

step3:产生新解X'。这里涉及到邻域设计。

step4:计算增量\bigtriangleup E=E\left ( X' \right )-E\left ( X \right ),也就是新解与以前解的差,也就是增量。增量为负,说明解变好了。接受,当为非负时,没改善,就要考虑是否接受了。

step5:若\triangle E< 0,则接受X'作为新的当前解,否则以概率e^{-\frac{\triangle E}{T}}接受X'作为新的当前解。

step6:如果满足终止条件,则输出当前解作为最优解,结束程序。

step7:T逐渐缩小,且T趋于0,执行step2。

step2-step6,可以理解为内循环,因为是一个温度下的邻域解集。温度在外循环。

更详细的SA介绍可以看这篇。

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