【人工智能】蚁群算法(密恐勿入)(三)

简介: 假设有一位邮递员,他从初始城市(任意一城市)出发,途径所有城市并回到初始城市,利用蚁群算法求得最短路径

4. TSP问题—蚁群算法实现(python版本)

问题背景:

假设有一位邮递员,他从初始城市(任意一城市)出发,途径所有城市并回到初始城市,利用蚁群算法求得最短路径

数据:

以下是10个城市的坐标数据:




城市
X坐标
Y坐标




A
5
10


B
6
15


C
10
15


D
14
14


E
20
10


F
16
5


G
8
5


H
4
8


I
8
12


J
12
12


准备阶段

  1. 首先,将数据存储在Graph中,并且计算各个城市之间的距离distances。
    ```python
    class Graph(object):
    def init(self, city_location, pheromone=1.0, alpha=1.0, beta=1.0):

     self.city_location = city_location
     self.n = len(city_location)
     # phernmone矩阵
     self.pheromone = [[pheromone for _ in range(self.n)] for _ in range(self.n)]
     self.alpha = alpha
     self.beta = beta
     # 城市之间的距离矩阵
     self.distances = self._generate_distances()
    

    欧式距离作为图的权重

    def _generate_distances(self):

     distances = []
     # 遍历行
     #   遍历列
     #       如果行值=列,比如(1,1)(2,2),这样就是相同的城市,则距离为零
     #       如果行值<列,比如(1,2)(2,3),这样就是不同的城市,距离按欧拉距离公式来算
     #       否则,将矩阵的斜对称位置上的距离来补(原因:城市之间距离矩阵是一个distances[i][j] = distances[j][i]特点的矩阵,这样的目的就是减少至少一半的计算)
     for index_i, _i in enumerate(self.city_location):
         row = []
         for index_j, _j in enumerate(self.city_location):
             if _i == _j:
                 row.append(0)
             elif _i < _j:
                 x1, y1 = self.city_location[str(_i)]
                 x2, y2 = self.city_location[str(_j)]
                 row.append(np.sqrt((x1 - x2) ** 2 + (y1 - y2) ** 2))
             else:
                 row.append(distances[index_j][index_i])
         distances.append(row)
     return distances
    
- 属性
    - `city_location`: 城市位置的字典
    - `n`: 城市的数量
    - `pheromone`: 蚂蚁留下的信息素的矩阵
    - `alpha`: 信息素强度的影响因子
    - `beta`: 启发式因子的影响因子
    - `distances`: 城市之间距离的矩阵
- 方法
    - `__init__(self, city_location, pheromone=1.0, alpha=1.0, beta=1.0)`: 对象初始化,计算出城市之间的距离矩阵
    - `_generate_distances(self)`: 计算城市之间的距离矩阵


 2. 那么,我们将各项能力赋予蚂蚁

    ```python
    class Ant(object):
        def __init__(self, graph, start_city):
            self.graph = graph
            self.start_city = start_city
            self.curr_city = start_city
            self.visited = [False for _ in range(graph.n)]
            self.visited[start_city] = True
            self.tour_length = 0
            self.tour = [start_city]

        def choose_next_city(self):
            # calculate probabilities of all cities
            probs = []
            total_prob = 0
            for i in range(self.graph.n):
                if not self.visited[i]:
                    prob = self.graph.pheromone[self.curr_city][i] ** self.graph.alpha * \\
                           (1.0 / self.graph.distances[self.curr_city][i]) ** self.graph.beta
                    probs.append((i, prob))
                    total_prob += prob
            # select the next city randomly based on the probabilities
            r = random.uniform(0, total_prob)
            upto = 0
            for i, prob in probs:
                if upto + prob >= r:
                    self.curr_city = i
                    self.visited[i] = True
                    self.tour.append(i)
                    self.tour_length += self.graph.distances[self.tour[-2]][i]
                    return
                upto += prob

        def tour_complete(self):
            return len(self.tour) == self.graph.n
- 属性:
    - `graph`: 图对象,表示要在其上运行蚁群算法的图
    - `start_city`: 整数,表示蚂蚁的起始城市
    - `curr_city`: 整数,表示蚂蚁当前所在城市
    - `visited`: 布尔列表,表示城市是否已被访问
    - `tour_length`: 浮点数,表示蚂蚁的路径长度
    - `tour`: 整数列表,表示蚂蚁的路径
- 方法:
    - `choose_next_city()`: 计算所有城市的概率,根据概率随机选择下一个城市
    - `tour_complete()`: 检查蚂蚁是否已经遍历完所有城市

算法构造

通过上面的准备,我们现阶段有了蚂蚁和城市图,那么,我们来规划一下算法的流程。把:

  1. 初始化蚂蚁和信息素矩阵。
  2. 蚂蚁根据信息素浓度和启发函数选择下一个节点。
  3. 蚂蚁在路径上释放信息素。
  4. 重复步骤2和3,直到所有蚂蚁都找到了解。
  5. 评估每条路径的适应度,并更新信息素矩阵。
  6. 重复步骤2到5,直到达到预设的迭代次数或者找到最优解。

这里要考虑选择哪一种更新策略、更新时机:

  • 静态规则(这里我选的这个)
  • 在每个迭代周期结束后进行更新,即在所有蚂蚁完成当前迭代周期后,根据其路径长度和信息素更新信息素浓度。
def ant_colony(graph, num_ants, num_iterations, evaporation_rate=0.5, q=500):
    shortest_tour = None  # 最短路径
    shortest_tour_length = float('inf')  # 最短路径长度
    for i in range(num_iterations):
        ants = [Ant(graph, random.randint(0, graph.n - 1)) for _ in range(num_ants)]  # 随机生成蚂蚁
        for ant in ants:
            while not ant.tour_complete():
                ant.choose_next_city()  # 选择下一个城市
            ant.tour_length += graph.distances[ant.tour[-1]][ant.start_city]  # 计算路径长度
            if ant.tour_length < shortest_tour_length:
                shortest_tour_length = ant.tour_length
                shortest_tour = ant.tour[:]
        for i in range(graph.n):
            for j in range(graph.n):
                if i != j:
                    graph.pheromone[i][j] *= (1 - evaporation_rate)  # 更新挥发信息素
                for ant in ants:
                    if (i, j) in zip(ant.tour, ant.tour[1:]):
                        graph.pheromone[i][j] += q / ant.tour_length  # 更新释放信息素
        return shortest_tour, shortest_tour_length
  • 注释:
    • shortest_tour:最短路径,初始化为 None。
    • shortest_tour_length:最短路径长度,初始化为正无穷。
    • ants:蚂蚁集合,随机生成。
    • ant:蚂蚁,从 graph 中随机选择一个起始城市开始走。
    • choose_next_city:选择下一个城市。
    • tour_length:路径长度,初始化为 0。
    • pheromone:信息素。
    • evaporation_rate:信息素挥发率。
    • q:信息素强度。
    • zip(ant.tour, ant.tour[1:]):将 ant.tour 中的相邻两个元素组成一个二元组 (i, j),便于后续计算。
    • 更新信息素时,需要更新挥发信息素和释放信息素。挥发信息素是指信息素随时间的推移而逐渐消失;释放信息素是指蚂蚁在路径上释放信息素,增强这条路径的吸引力。
    • 返回最短路径和最短路径长度。

      测试:

将数据和流程带入:

city_location = {
   
   
    'A': (5, 10),
    'B': (6, 15),
    'C': (10, 15),
    'D': (14, 14),
    'E': (20, 10),
    'F': (16, 5),
    'G': (8, 5),
    'H': (4, 8),
    'I': (8, 12),
    'J': (12, 12)
}

# 创建Graph对象
g = Graph(city_location)
shortest_tour, shortest_tour_length = ant_colony(graph=g, num_ants=500, num_iterations=1000)
print(shortest_tour,shortest_tour_length)

# 城市索引
city_index = {
   
   city: i for i, city in enumerate(sorted(city_location))}
# 城市索引
city_index = {
   
   city: i for i, city in enumerate(sorted(city_location))}
# 城市名称列表
shortest_tour = [list(city_index.keys())[i] for i in shortest_tour]
# 打印结果
print(shortest_tour)
g.plot_path(shortest_tour)

image.png
image.png

参考代码:

import math
import random

class Graph(object):
    def __init__(self, n, pheromone=1.0, alpha=1.0, beta=1.0):
        self.n = n
        self.pheromone = [[pheromone for _ in range(n)] for _ in range(n)]
        self.alpha = alpha
        self.beta = beta
        self.distances = self._generate_distances()

    def _generate_distances(self):
        # randomly generate distances between cities
        distances = []
        for i in range(self.n):
            row = []
            for j in range(self.n):
                if i == j:
                    row.append(0)
                elif j > i:
                    row.append(random.uniform(1, 10))
                else:
                    row.append(distances[j][i])
            distances.append(row)
        return distances

class Ant(object):
    def __init__(self, graph, start_city):
        self.graph = graph
        self.start_city = start_city
        self.curr_city = start_city
        self.visited = [False for _ in range(graph.n)]
        self.visited[start_city] = True
        self.tour_length = 0
        self.tour = [start_city]

    def choose_next_city(self):
        # calculate probabilities of all cities
        probs = []
        total_prob = 0
        for i in range(self.graph.n):
            if not self.visited[i]:
                prob = self.graph.pheromone[self.curr_city][i] ** self.graph.alpha * \\
                       (1.0 / self.graph.distances[self.curr_city][i]) ** self.graph.beta
                probs.append((i, prob))
                total_prob += prob
        # select the next city randomly based on the probabilities
        r = random.uniform(0, total_prob)
        upto = 0
        for i, prob in probs:
            if upto + prob >= r:
                self.curr_city = i
                self.visited[i] = True
                self.tour.append(i)
                self.tour_length += self.graph.distances[self.tour[-2]][i]
                return
            upto += prob

    def tour_complete(self):
        return len(self.tour) == self.graph.n

def ant_colony(graph, num_ants, num_iterations, evaporation_rate=0.5, q=500):
    shortest_tour = None
    shortest_tour_length = float('inf')
    for i in range(num_iterations):
        # initialize ants
        ants = [Ant(graph, random.randint(0, graph.n-1)) for _ in range(num_ants)]
        # have each ant choose a path
        for ant in ants:
            while not ant.tour_complete():
                ant.choose_next_city()
            ant.tour_length += graph.distances[ant.tour[-1]][ant.start_city]
            # check if this ant found a shorter tour
            if ant.tour_length < shortest_tour_length:
                shortest_tour_length = ant.tour_length
                shortest_tour = ant.tour[:]
        # update pheromones
        for i in range(graph.n):
            for j in range(graph.n):
                if i != j:
                    graph.pheromone[i][j] *= (1 - evaporation_rate)
                    for ant in ants:
                        if (i, j) in zip(ant.tour, ant.tour[1:]):
                            graph.pheromone[i][j] += q / ant.tour_length
    return shortest_tour, shortest_tour_length

# generate a 11-city TSP problem and solve it using the ant colony algorithm
graph = Graph(11)
shortest_tour, shortest_tour_length = ant_colony(graph, num_ants=10, num_iterations=50)

# print the shortest tour and its length
print("Shortest tour:", shortest_tour)
print("Shortest tour length:", shortest_tour_length)
写在最后,第二次上热门,流量还可以,我也是认真对待了这篇文章,写这篇博客的原因就是顺便把老师的作业也写了,作业你们也看到了,就是用代码实现蚁群算法去解决TSP问题,对于蚁群算法,我也是第一次去学习,并不是你们所认识的“佬”,说是博客,其实更像一篇记录我学习过程的日记,对于人工智能,说实话,挺有意思的,但考虑到本身实力情况,只能当作暂时的兴趣,大概这门课结课的时候,人工智能系列估计就不更了,唉毕竟是兴趣,不能吃饭,我的实力也不可能达到那些“佬”级别,下一篇估计也快了,应该是神经网络(泛泛而谈),有像了解的可以期待一下,我尽量把正确的,易懂的,可能老师考虑不到的方面给你们讲清楚,现学现卖的优势就是能将难点给它点出来。
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