模拟退火算法及其改进算法
模拟退火算法解决优化问题
模拟退火算法解决优化问题模拟退火算法（Simulated Annealing，SA）是一种基于模拟固体退火过程的全局优化算法，被广泛应用于解决各种优化问题。
它的基本思想源于固体退火过程中的原子热运动，通过模拟原子在退火过程中的状态变化，寻找全局最优解。
本文将介绍模拟退火算法的基本原理、算法流程以及在解决优化问题中的应用。
一、模拟退火算法的基本原理模拟退火算法的基本原理来自于固体物理学中的固体退火过程。
在固体退火过程中，固体在高温下加热后逐渐冷却，原子会随着温度的降低而逐渐趋于稳定状态。
类比到优化问题中，算法在搜索过程中允许一定概率接受比当前解更差的解，以避免陷入局部最优解，最终达到全局最优解。
二、模拟退火算法的基本步骤1. 初始化：随机生成初始解，并设定初始温度和终止条件。
2. 选择邻域解：根据当前解生成邻域解。
3. 接受准则：根据一定概率接受邻域解，更新当前解。
4. 降温策略：根据降温策略逐渐降低温度。
5. 终止条件：达到终止条件时停止搜索，输出最优解。
三、模拟退火算法的应用模拟退火算法在解决各种优化问题中都有广泛的应用，包括组合优化、函数优化、图像处理等领域。
下面以组合优化问题为例，介绍模拟退火算法的具体应用。
1. 旅行商问题（TSP）：旅行商问题是一个经典的组合优化问题，目标是找到一条最短路径经过所有城市并回到起点。
模拟退火算法可以通过不断调整路径来寻找最优解。
2. 排课问题：在学校排课过程中，需要合理安排老师和班级的上课时间，避免冲突和空闲时间过长。
模拟退火算法可以优化排课方案，使得课程安排更加合理。
3. 装箱问题：在物流领域中，需要将不同大小的物品合理装箱，使得装箱空间利用率最大化。
模拟退火算法可以帮助优化装箱方案，减少空间浪费。
四、总结模拟退火算法作为一种全局优化算法，具有较好的全局搜索能力和收敛性。
通过模拟退火算法，可以有效解决各种优化问题，得到较优的解决方案。
在实际应用中，可以根据具体问题的特点调整算法参数和策略，进一步提高算法的效率和准确性。
模拟退火算法
Keynote：尤志强
背景
模拟退火算法是Kirkpatrick提出，应组合优化问题而产生的，主要解决的是NP-hard问题。 优化问题可以分为：函数优化问题和组合优化问题两大类
1、函数优化问题： 可以描述为：令S为上的有界子集（即变量的定义域），f：S—>R为n维实值函数，所谓函数f在S域上全局最 小化就是寻求点XminS使得f(Xmin)在S域上全局最小，即X S：f(Xmin)<=f(X)
pr exp[(E j Ei ) / kt]
大于[0,1)区间内的随机数则仍旧接受新状态j为当前状态，若不成立则保留i为当前状态，其中k为 Boltzmann常数。 这种重要性采样过程在高温下可接受与当前状态能量差较大的新状态，而在低温下基本只接受与当 前能量差较小的新状态，而且当温度趋于零时，就不能接受比当前状态能量高的新状态。
背景
计算复杂度
由于某些优化算法所需的计算时间和存储空间难以承受，因此算法可解的问题在实践中不 一定可解。如TSP问题，可能的路径有n！，暴力求解显然是不行的。所以只有了解了研究 问题的复杂性，才能有针对性地设计算法，进而提高优化效率。
算法的时间和空间复杂性对计算机求解非常重要。问题的时间复杂性是指求解该问题的所 有算法中时间复杂性最小的算法的时间复杂性，同理，空间复杂性也有类似定义。这样， 按照计算复杂性理论研究问题求解的难易程度，可把问题分为P类、NP类和NP完全类。
背景
4、基于系统动态演化算法
将优化过程转化为系统动态的演化过程，基于系统动态的演化来实现优化，如神经网络和混沌 搜索等。
5、混合型算法 上述算法从结果或者操作上相混合而产生的各类算法
五大常用算法 模拟退火算法
五大常用算法模拟退火算法
模拟退火算法是一种常用的求解优化问题的算法，它可以用于解决各种实际问题。
本文将介绍模拟退火算法及其应用，同时还会介绍其他四种常用的算法。
一、模拟退火算法
模拟退火算法是一种启发式算法，适用于求解复杂的优化问题。
它源于固体物理学中的退火过程，通过模拟退火过程来寻求最优解。
模拟退火算法通过随机跳出局部最优解的过程，寻找全局最优解。
二、其他四种常用算法
1.遗传算法
遗传算法是一种模拟自然进化过程的优化方法。
它通过对可行解进行适应度评价、选择、交叉和变异等操作，将优秀的个体遗传给下一代，从而不断优化解的质量。
2.蚁群算法
蚁群算法是一种模拟蚂蚁寻找食物的行为而发展出来的算法。
它通过模拟蚂蚁在搜索过程中的信息素沉积和信息素挥发，不断优化搜索路径，从而找到最优解。
3.粒子群算法
粒子群算法是一种模拟粒子在空间中移动的算法。
它通过模拟粒子在搜索空间中的移动和互相协作，不断优化搜索路径，从而找到最优解。
4.人工神经网络
人工神经网络是一种模拟人脑神经元工作原理的算法。
它通过构建神经元之间的连接和权重来实现对输入信息的处理和输出结果的预测，可以用于分类、回归等问题的求解。
三、总结
以上介绍了五种常用的算法，它们都可以用于解决不同类型的优化问题。
在实际应用中，需要根据具体问题的特点选择合适的算法。
模拟退火算法是其中一种常用算法，具有较为广泛的应用。
模拟退火算法
目录
搜索算法简介
模拟退火算法的原理
模拟退火算法的应用
英文文献介绍
参考文献
搜索问题
最小最优解的搜索
局部最优
除对当 前的位 置外， 对环境 无任何 感知。
全局最优
搜索算法
• 盲目搜索与启发式搜索 • 按照预定的控制策略实行搜索，在搜索过程中 获取的中间信息不用来改进控制策略，称之为 盲目搜索，反之，称为启发式搜索。 • 盲目搜索
文献讲解——问题描述
• 如图，为一个二维运输网，由供应商，直接转运设施与用 户组成，本文做出以下相关假设，约束条件方便建模。
文献讲解——算法应用
• 退火算法流程 所示如图
• 求新解的方法 1.改变货物的顺序 2.改变进入车的顺序 3.改变出去车的顺序
文献讲解——计算与结论
• 通过设置不同的参数（S/C/D/Fmax） • 文中设置了两个例子分析：单产品，单卡车模型与多产品 多卡车模型。
外文文献讲解[2]
• 文献题目：Simulated annealing approach for transportation problem of cross-docking network design • 译名：使用模拟退火方法解决运输问题中的直接转运网的 设计 • 2014年，Uludag 大学，第二届世界商业经济管理大会 • 研究背景：在产品供应链管理中，运输效率是一个重要因 素，高效的运输既满足了顾客的需求，也降低了成本。直 接转运策略降低了储存成本加速了产品流通，而直接转运 网的设计与优化是一个研究热点。 • 研究目的：设计二维的直接转运网络，设计卡车载运计划 与货物的流通路径来实现最低的运输费用。
模拟退火算法及其改进算法
模拟退火算法及其改进算法模拟退火算法（Simulated Annealing Algorithm）是一种基于概率的全局优化算法，它模拟了金属冶炼过程中的“退火”过程。
退火过程是指将高温物质逐渐降温，使之逐渐固化形成晶态结构。
同样地，模拟退火算法通过随机和接受不太好的解决方案的策略，以找到全局最优解。
算法的基本思路是在一个空间中随机生成一个起始解，然后通过一系列的变换和评估过程逐步更新当前解，直到找到满足优化目标的解决方案。
在每次迭代中，算法会通过采样邻域解决方案来将当前解转移到新的状态，并计算相应的目标函数值。
如果新的状态比当前解更优，则接受新的解作为当前解，并在下一次迭代中继续。
如果新的状态不是更优的解，则以一定的概率接受新的解，概率的大小与两个解之间的差距以及当前温度有关。
温度逐渐降低，使得算法在开始时可以接受较差的解决方案，但随着迭代次数的增加逐渐降低接受较差解决方案的概率，最终使算法收敛到一个较好的解。
尽管模拟退火算法在全局优化问题中表现优秀，但仍存在一些问题，例如收敛速度慢、易陷入局部最优解等。
因此，研究者提出了一些改进算法来提高模拟退火算法的性能。
一种改进算法是自适应模拟退火算法（Adaptive Simulated Annealing, ASA），它利用负自适应参数来调整算法自身的控制参数，从而提高收敛速度。
通过对负自适应参数进行精确建模和合适的调整，能够使算法自动地根据当前状态的差距和目标函数值的变化来调整的速度和方向。
另一种改进算法是量子模拟退火算法（Quantum Simulated Annealing, QSA），它引入了量子位操作和量子态演化来提高效率。
QSA利用一种特殊的迭代方式来更新解决方案，将随机排列算法与量子信息处理技术相结合，通过量子态的演化来寻找最优解，并避免陷入局部最优解。
此外，还有一些其他的改进算法，如多重爬山算法（Multi-startHill Climbing）、禁忌算法（Tabu Search）等，它们在模拟退火算法的基础上增加了一些启发式方法和约束条件，从而进一步提高性能。
模拟退火算法详解
车间调度问题求解
总结词
模拟退火算法在车间调度问题求解中具有较好的应用 效果，能够提高生产效率。
详细描述
车间调度问题是一个复杂的优化问题，旨在合理安排生 产任务和资源分配，以提高生产效率。模拟退火算法通 过随机搜索和接受不良解的概率，能够找到较为满意的 调度方案。在车间调度问题中，模拟退火算法可以与其 他启发式方法结合使用，以获得更好的性能。此外，模 拟退火算法还可以应用于其他生产调度问题，如作业车 间调度、装配线平衡等。
旅行商问题求解
总结词
模拟退火算法在旅行商问题求解中具有较好的性能， 能够找到高质量的解。
详细描述
旅行商问题是一个NP难问题，旨在寻找一条旅行路线 ，使得一个旅行商能够访问一系列城市并返回到起始 城市，且总旅行距离最短，同时满足每个城市恰好经 过一次。模拟退火算法通过随机搜索和接受不良解的 概率，能够探索更广阔的解空间，从而找到高质量的 解。在旅行商问题中，模拟退火算法可以与其他启发 式方法结合使用，以获得更好的性能。
迭代更新
重复产生新解、计算能量差和降低温度的 过程，直到满足终止条件。
终止条件
达到最大迭代次数
当达到预设的最大迭代次数时，算法终止。
温度低于阈值
当温度低于一个预设的阈值时，算法终止。
解的质量满足要求
当当前解的质量满足预设的要求或与最优解 的差距在可接受范围内时，算法终止。
03
模拟退火算法参数设置
温度衰减率
总结词
温度衰减率是模拟退火算法中温度变化的速率，它决定了算法的收敛速度和全局搜索能 力。
详细描述
温度衰减率决定了算法在迭代过程中温度下降的速度。较小的衰减率可以使算法在迭代 过程中有更多的时间来探索解空间，但可能会导致算法收敛速度较慢；而较大的衰减率 则可以使算法更快地收敛到最优解，但可能会牺牲一些全局搜索能力。因此，选择合适
模拟退火算法介绍
模拟退火算法介绍模拟退火算法（Simulated Annealing，SA）是一种基于蒙特卡洛方法的优化算法，由Kirkpatrick等人于1983年提出。
它模拟了固体物体从高温到低温时退火的过程，通过模拟这一过程来寻找问题的最优解。
首先，模拟退火算法需要生成一个初始解。
初始解是随机生成的，它代表了问题的一个可能解。
初始解的生成可以采用随机数生成方法，或者使用其他启发式算法生成。
然后，算法需要定义一个邻域结构来解空间。
邻域结构定义了问题的解的相邻解之间的关系。
在退火算法中，邻域结构是动态变化的，随着算法的进行，邻域结构会不断调整以适应的需求。
在退火准则方面，模拟退火算法使用了一个“接受准则”来决定是否接受一个邻域解。
接受准则基于Metropolis准则，它比较了当前解和邻域解之间的差异以及温度参数。
如果邻域解的质量更好，那么就接受它；否则，以一定的概率接受较差的解。
这个概率与温度成正比，随着温度降低，接受较差解的概率逐渐减小。
在算法的每个迭代中，温度参数会随着迭代次数逐渐降低，这意味着算法逐渐从随机转变为局部。
温度参数的降低速率决定了算法的接受较差解的概率的减小速率。
温度参数的决定是关键，它通常是一个退火函数的参数，根据经验选择。
总的来说，模拟退火算法是一种随机化的优化算法，通过模拟物理退火过程，在解空间时能够克服局部最优解，从而寻找全局最优解。
它的应用范围广泛，涵盖了诸多领域，如组合优化、图像处理、网络设计等。
但是，模拟退火算法的收敛速度相对较慢，需要很多次迭代才能找到最优解，因此在实际应用中需要根据具体问题进行合适的调整和优化。
如何在Matlab中进行模拟退火算法的优化
如何在Matlab中进行模拟退火算法的优化模拟退火算法是一种用于求解复杂问题的全局优化算法。
在Matlab中，我们可以利用其强大的数值计算和优化工具箱来实现模拟退火算法的优化。
本文将介绍如何在Matlab中进行模拟退火算法的优化，并通过一个实际的案例来演示其应用。
一、模拟退火算法简介模拟退火算法是一种启发式的全局优化算法，模拟了固体物体在退火过程中的特性。
其基本原理是通过模拟固体退火过程，逐渐降低系统能量，从而找到全局最优解。
在模拟退火算法中，由于退火过程中存在较高的温度，使算法有机会跳出局部极小值点，因此能够在搜索空间中全面地寻找最优解。
二、Matlab中的模拟退火算法优化函数Matlab提供了优化工具箱，在其中包含了一系列优化函数，其中包括模拟退火算法。
我们可以使用"simulannealbnd"函数来在Matlab中实现模拟退火算法的优化。
三、案例演示：函数最优化假设我们要求解以下函数的最小值：f(x) = x^2 + sin(5x)我们可以使用Matlab中的模拟退火算法优化函数来找到该函数的全局最小值。
1. 定义目标函数首先，我们需要在Matlab中定义目标函数：function y = myfunc(x)y = x.^2 + sin(5*x);2. 编写优化代码接下来，我们可以编写优化代码，利用"simulannealbnd"函数进行模拟退火算法的优化：options = saoptimset('Display','iter','TolFun',1e-6);[x,fval] = simulannealbnd(@myfunc, [-10,10],[],[],options);在上述代码中，"options"用于设置优化选项，"@myfunc"是要优化的目标函数，[-10,10]为变量的取值范围，[]表示无约束条件。
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2.3 模拟退火算法的特点
2.3.1 模拟退火算法的优点 计算过程简单，通用，鲁棒性强，适用于并行处 理，可用于求解复杂的非线性优化问题 2.3.2模拟退火算法的缺点 降温过程与解的质量的矛盾
2.4 模拟退火算法的改进
（1）设计合适的状态产生函数，使其根据搜索进 程的需要表现出状态的全空间分散性或局部区域 性。 （2） 设计高效的退火策略。
X ( 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 ) , t 1 , N 5 , 0 . 0 2 . 0 0
* ( 1 , 1 , 0 , 1 , 1 , 0 , 1 , 1 , 1 , 1 ) 在计算机上运行后得到最优解 X
1.模拟退火算法起源
1.1 模拟退火算法起源于物理退火 1.1.1 物理退火过程：
a.加温过程
b.保温过程
c.冷却过程
温度升高
T0
原子动能增加
跳离原来位置 的概率增加 降 温 原子动能减小
继续降温 跳离原来位置 的概率减小
原子位置排列将趋于 能量低的状态最后稳定
根据这一物理过程，1953年Metropolis提出 重要性采样法，即以概率接受新状态。 称为Metropolis准则。 该准则指出： 固体在恒定温度下达到 热平衡的过程可以用MorteCarol算法方法加 以模 拟，虽然该方法简单，但必须大量采 样才能得到比较精确的结果，因而计算量很 大。鉴于物理系统倾向于能量较低的状态， 而热运动又妨碍它准确落到最低态。采样时 着重选取那些有重要贡献的状态则可较快达 到较好的结果。
பைடு நூலகம்
3.1.3 根据模拟退火算法的思想设计适合 该模型的算法
= { ( x , ， x ) x ( 0 , 1 ) } 步骤1 产生初始解 X 0 ，其中， 1 m i 为可能解集合，x i 代表第 i 个单位是否获得
投资的状态 W
链长度N以及停止参数K和
0
给出控制参数初值 t 0 ,
Mapkob
。
步骤2 判断初始解的可行性，若不可行，则进行快 速调整，否则转步骤3. 步骤3 产生新解并计算新解与当前解的目标函数值 之差 W 。然后由接受准则计算
P （ W ， t ） ,
取( 0 , 1 ) 上服从均匀分布的随机数 , 若
接受新解，否则放弃新解。
P ( W ,t)
i 1 m
L b 为投资额下限， L a 为投资额上限。 其中：
可得到投资风险组合优化决策模型如下：
o b j m a x W T N P V /
3.1.2 模型建立 本模型的建立基于以下三个原则： （1）单位风险收益最大原则 通过计算组合投资的平均收益与组合风险比来判断 组合方案的优劣 比值大的组合方案表其单位风险所获得 的收益也大 （2）投资剩余资源最少原则 如果仅依据单位风险收益最大原则来决策就可能出现 只有很少几个项目被选中的情况 这样会造成分配后的剩 余资金过多 因此 在投资组合优化决策中 应在每笔单项 投资可行的基础上 增加一个最低投资额度 的约束条件 以使剩余资金处于可以接受的水平
1.2 随机神经网络 BP神经网络和反馈神经网络都是使能量 函数按梯度单调下降，如图 常常导致网络 落入局部最小点而达不到全局最小点，这 就意味着训练不收敛。
而随机网络即能赋予网络下山的能力，也 能赋予网络上山的能力，特点如下： （1）在学习阶段，随机网络不像其它网络那 样基于某种确定性算法（2）在运行阶段， 随机网络不是按某种确定性的网络方程进 行状态演变，神经元的净输入不能决定其 状态是1还是0.
(3) 避免状态的迂回搜索。 (4) 采用并行搜索结构。 (5) 为避免陷入局部极小，改进对温度的控制方式 (6) 选择合适的初始状态。 (7) 设计合适的算法终止准则。 还可以通过以下方式进行改进 (1) 增加升温或重升温过程。在算法进程的适当时 机，将温度适当提高，从而可激活各状态的接受 概率，以调整搜索进程中的当前状态，避免算法 在局部极小解处停滞不前。 (2) 增加记忆功能。为避免搜索过程中由于执行率接 受环节而遗失当前遇到的最优解，可通过增加存 储环节，将一些在这之前好的态记忆下来。
3.1改进模拟退火算法导弹研制投资决策研究 中的应用 3.1.1 情况概述 导弹研制投资决策 是在综合考虑投资效果 和风险的前提下 从众多的投资对象中选择一 组合适的投资对象的过程。 投资总风险定义为：
1 /2 = [ c o v ( T N P V X , T N P V X )] i i i j i 1 j 1 m 1 /2 [ X X c o v ( T N P V , T N P V )] i j i j i 1 j 1 m m m
投资组合的总效益为：
T N P V T N P V i X i
i 1 m
T N P V i ：为第i个项目的总净现值
X
i
为0表示第i个项目未被选中，为1表示被选中
根据上述原则，决策目标函数为 m a x W T N P V /
L LX 资金约束为：L b L a,L I i
(3) 增加补充搜索过程。即在退火过程结束后，以搜 索到的最优解为初始状态，再次执行模拟退火过 程或局部性搜索。 (4) 对每一当前状态，采用多次搜索策略，以概率接 受区域内的最优状态，而非标准SA的单次比较方 式。 (5) 结合其他搜索机制的算法，如遗传算法、混沌搜 索等。
3 模拟退火算法的应用
t 0 . 9, t n 0 , 转步骤3,否则停止算法输出当
3.1.4实例分析
L b 为270万元。 某型导弹改进项目的投资 L a 为300万元， 现有10个研制单位申请投资，有关信息如表1表2所示。 现在要求确定军方的投资组合决策，以决定对哪些单 位投资。
运用Matlab软件，可以根据上述算法编制相应程对 该问题进行求解，其中相关参数的设置为
步骤4
步骤5
累计重排次数n，若 n N 转步骤3，否则转 步骤5
判断停止准则是否满足，若不满足,则令
前解。 由于模拟退火算法的随机性，终止解可能不是整个过程 所遇到的解中最优的，即使是最优的，虽然可证明算法 对整体最优解的渐进收敛性，但终止解的可接受性也不 能不遭到怀疑，另外，当终止解在最优解的附近时，算 法本身不能迅速逼近或达到它。