现有的大多数演化算法在整个演化过程中所涉及的基因,大多来源于个体本身,个体质量的高低决定了算法的全局性能,如果群体中初始个体的适应度都较差,肯定要影响算法的收敛速度,对于规模稍大的TSP尤其明显。该文为了克服上述弱点,首先利用普里姆算法求出TSP中最小生成树,并将各个MST中的每一条边都保存在一个n*(n-1)方阵里面,就构成了一个基因库,在生成初始群体的时候尽量使用基因库中的基因片段,来提高整个初始群体的适应度,从而提高算法的效率。

1　TSP编码表示

设n个城市编号为1,2,…,n,为一条可行路径,Pk=Vk1Vk2…Vkn为一条可行路径,它是1,2,…,n的一个随机排列,其含意是第k条路径起点城市是Vk1,最后一个城市是Vkn,则第k条环路的总长度可以表示为:

其中,d(Vki,Vkj)表示城市Vki与城市Vkj之间的距离。在算法中环路Pk的总长d(Pk)用来评价个体的好坏。适应度函数取路径长度d(Pk)的倒数,f(Pk)=1/ d(Pk)。

2　构建TSP基因库

对n个编号为1,2,…,n的城市,根据它们的坐标计算各城市之间的欧氏距离d(i,j),i,j=1,2,…,n,得到一个n*n的方阵D={ d(i,j)}。然后利用普里姆算法求得该TSP的一棵MST,并将这棵MST中的每一条边e(i,j)对应地存储在一个n*(n-1)的方阵M={ e(i,j)},即该文的基因库。由于一个TSP可能有多棵MST,操作可以重复多次,这样生成的基因库中的基因就更多,增强了初始群体的全局性。具体算法如下:

Void MiniSpanTree—PRIM(MGraph G,VertexTypeu){

Struct {

VertexType adjvex;

VRType lowcost;

}closedge[MAX—VERTEX—NUM];

k=LocateVex(G,u);

for(j=0;jG.vexnum;++j)

if(j!=k)closedge[j]={u,G.arcs[k][j].adj};

closedge[k].lowcost=0;

for(i=0;iG.vexnum;++i){

k=minimum(closedge);

printf(closedge[k].adjvex,G.vexs[k]);

closedge[k].lowcost=0;

for(j=0;jG.vexnum;++j)

if(G.arcs [k][j].adjclosedge[j].lowcost)

closedge[j]={G.vexs[k],G.arcs[k][j].adj};

}

}

3　单亲演化算法

单亲演化算法是利用遗传算法的优胜劣汰的遗传特性,在单个染色体内以基因重组的方式,使子代在满足TSP问题的限定条件下进行繁衍,然后保留适应度高的染色体种群,达到优化的目的。单亲演化算法的基因重组操作包括基因换位、基因段错位和基因段倒转三种操作来实现。基因换位操作是将亲代的染色体基因进行对换后,形成子代,其换位又分为单基因换位和基因段换位两种方式。基因段错位操作是随机确定基因段,也随机选定错位位置,整段错移。基因段倒转操作则是随机地确定倒转基因段的起止位置,倒转操作是对该段内基因按中垂线作镜面反射,若段内基因数为奇数时,则中位基因不变。单亲演化时可以是单个操作用于单个父代,也可以是几种操作同时采用。为了编程方便,文中采用基因段倒转操作。

2　群体演化过程

在单亲演化算法求得的初始群体基础上,再利用多重搜索策略并行地进行群体演化,这样在保证算法的快速收敛的同时也注重了搜索空间的全局性。

2.1　交叉算子

该文算子采用一种与顺序交叉OX(order crossover)法类似的交叉方法[11],即随机在串中选择一个交配区域,例如以下两个父串及交配区域选定为:

P1=(12|3456|789)　P2=(98|7654|321)

将P2的交配区域加到P1的前面或后面,P1的交配区域加到P2的前面或后面,得

M1=(7654|123456789)

M2=(3456|987654321)

在M1中自交配区域后依次删除与交配区域相同的城市码,得到最终的两个子串:

S1=(765412389)　S2=(345698721)

同时为了能更好地增强算子的全局搜索能力,对该算子作了如下的改进。子代个体的新边来自:随机生成和群体中其他个体,其选择比例由随机数p和阈值P来决定。如果随机数p小于阈值P,则子代个体的新边来自随机生成,否则就来自群体中的其他个体。

这种改进后的交叉算子在父串相同的情况下仍能产生一定程度的变异效果,这对维持群体的多样化特性有一定的作用。实验结果也证实了这种改进算子对于种群的全局搜索能力有一定的提高,避免搜索陷入局部解。

2.2　局部启发式算子

为了增强遗传算法的局部搜索性能,在算法中引入2-Opt局部搜索算子[12]。该算子通过比较两条边并交换路径以提升算法的局部搜索性能,示例见图2。

比较子路径ab+cd和ac+bd,如果ab+cdac+bd则交换,否则就不交换。考虑到程序的运行效率,不可能对每对边都做检查,所以选取染色体中的一定数量的边进行比较。2-Opt搜索算子实际上进行的相当于变异操作,同时又不仅仅是简单的变异,而是提高算法的局部搜索性能的变异操作。

2.3　选择机制和收敛准则

为了限制种群的规模[13],该文采用了联赛选择法的淘汰规则。联赛选择法就是以各染色体的适应度作为评定标准,从群体中任意选择一定数目的个体,称为联赛规模,其中适应度最高的个体保存到下一代。这个过程反复执行,直到保存到下一代的个体数达到预先设定的数目为止。这样做可能导致种群过早收敛,因此在收敛准则上要采取苛刻的要求来保证搜索的全局性。

遗传算法求TSP问题如果不设定终止条件,其演化过程将会无限制地进行下去。终止条件也称收敛准则,因为多数最优化问题事先并不了解最优的目标函数值,故无法判断寻优的精度。该文采用如下两条收敛准则:在连续K1代不再出现更优的染色体;优化解的染色体占种群的个数达K2的比例以上。当两准则均满足时,则终止运算,输出优化结果和对应的目标函数值。由数值实验表明,添加第2条准则之后,全局最优解的出现频率将大为提高。

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