利用蚁群算法编写求解多目标多旅行商问题的代码

时间: 2023-07-29 20:09:04 浏览: 61
以下是利用蚁群算法求解多目标多旅行商问题的Python代码,其中采用了NSGA-II算法对多个目标进行优化: ```python import numpy as np import random import copy class Ant: def __init__(self, num_cities): self.num_cities = num_cities self.visited_cities = [] self.distance = 0.0 self.pheromone_delta = np.zeros((num_cities, num_cities)) def visit_city(self, city_index, distance): self.visited_cities.append(city_index) self.distance += distance def update_pheromone_delta(self): for i in range(self.num_cities - 1): from_city = self.visited_cities[i] to_city = self.visited_cities[i+1] self.pheromone_delta[from_city][to_city] += 1.0 / self.distance def clear(self): self.visited_cities = [] self.distance = 0.0 self.pheromone_delta = np.zeros((self.num_cities, self.num_cities)) def init_pheromone(num_cities, init_pheromone_value=0.1): return np.ones((num_cities, num_cities)) * init_pheromone_value def prob(city_i, city_j, pheromone, dist, alpha, beta): return (pheromone[city_i][city_j] ** alpha) * ((1.0 / dist[city_i][city_j]) ** beta) def select_city(from_city, to_city, pheromone, dist, alpha, beta): num_cities = pheromone.shape[0] prob_list = np.zeros(num_cities) for i in range(num_cities): if i == from_city: prob_list[i] = 0.0 elif i in to_city: prob_list[i] = 0.0 else: prob_list[i] = prob(from_city, i, pheromone, dist, alpha, beta) selected_city = np.argmax(prob_list) return selected_city def select_next_city(ant, pheromone, dist, alpha, beta): current_city = ant.visited_cities[-1] available_cities = list(range(ant.num_cities)) to_city = ant.visited_cities[:-1] available_cities = [i for i in available_cities if i not in to_city] if len(available_cities) == 0: return None next_city = select_city(current_city, available_cities, pheromone, dist, alpha, beta) return next_city def simulate_ant(num_cities, pheromone, dist, alpha, beta): ant = Ant(num_cities) ant.clear() ant.visit_city(random.randint(0, num_cities-1), 0.0) for i in range(num_cities - 1): next_city = select_next_city(ant, pheromone, dist, alpha, beta) if next_city is None: return ant distance = dist[ant.visited_cities[-1]][next_city] ant.visit_city(next_city, distance) ant.visit_city(ant.visited_cities[0], dist[ant.visited_cities[-1]][ant.visited_cities[0]]) ant.update_pheromone_delta() return ant def simulate_ants(num_ants, num_cities, pheromone, dist, alpha, beta): ants = [] for i in range(num_ants): ant = simulate_ant(num_cities, pheromone, dist, alpha, beta) ants.append(ant) return ants def update_pheromone(pheromone, ants): decay_rate = 0.1 pheromone *= (1.0 - decay_rate) for ant in ants: pheromone += ant.pheromone_delta def sort_by_objective_values(values_list): num_objs = len(values_list[0]) num_samples = len(values_list) sorted_samples_list = [[] for _ in range(num_objs)] for i in range(num_objs): samples_list = [(j, values_list[j][i]) for j in range(num_samples)] samples_list.sort(key=lambda x:x[1]) for j in range(num_samples): sorted_samples_list[i].append(samples_list[j][0]) sorted_samples = [] for i in range(num_samples): sample = [] for j in range(num_objs): sample.append(sorted_samples_list[j][i]) sorted_samples.append(sample) return sorted_samples def crowding_distance(values_list, sorted_samples): num_objs = len(values_list[0]) num_samples = len(values_list) distance_list = [0.0 for _ in range(num_samples)] for i in range(num_objs): sorted_samples_obj = [(j, values_list[j][i]) for j in sorted_samples] sorted_samples_obj.sort(key=lambda x:x[1]) distance_list[sorted_samples_obj[0][0]] += float('inf') distance_list[sorted_samples_obj[-1][0]] += float('inf') for j in range(1, num_samples-1): distance_list[sorted_samples_obj[j][0]] += (sorted_samples_obj[j+1][1] - sorted_samples_obj[j-1][1]) / (sorted_samples_obj[-1][1] - sorted_samples_obj[0][1]) return distance_list def nsga2(num_ants, num_cities, num_generations, dist, alpha, beta, num_objs=2): pheromone = init_pheromone(num_cities) population = [] for i in range(num_ants): ant = simulate_ant(num_cities, pheromone, dist, alpha, beta) population.append(ant.visited_cities) for generation in range(num_generations): values_list = [] for i in range(num_ants): values = [] values.append(sum([dist[population[i][j]][population[i][(j+1)%num_cities]] for j in range(num_cities)])) values.append(len(set(population[i]))) values_list.append(values) sorted_samples = sort_by_objective_values(values_list) distance_list = crowding_distance(values_list, sorted_samples) new_population = [] for i in range(num_ants): parent1_index = random.choice(sorted_samples[:num_ants//2]) parent2_index = random.choice(sorted_samples[:num_ants//2]) offspring = [] for j in range(num_cities): if random.random() < 0.5: offspring.append(population[parent1_index][j]) else: offspring.append(population[parent2_index][j]) new_population.append(offspring) population = new_population for i in range(num_ants): ant = Ant(num_cities) ant.visited_cities = copy.deepcopy(population[i]) ant.distance = values_list[i][0] ant.update_pheromone_delta() simulate_ant(num_cities, pheromone, dist, alpha, beta) population[i] = ant.visited_cities update_pheromone(pheromone, ants) return sorted_samples if __name__ == '__main__': num_cities = 10 num_ants = 20 num_generations = 100 alpha = 1.0 beta = 2.0 dist = np.random.rand(num_cities, num_cities) dist += dist.T np.fill_diagonal(dist, 0.0) sorted_samples = nsga2(num_ants, num_cities, num_generations, dist, alpha, beta) print(sorted_samples) ``` 在上述代码中,Ant类代表一只蚂蚁,其中visited_cities属性表示已经访问过的城市列表,distance属性表示蚂蚁已经走过的距离,pheromone_delta属性表示蚂蚁走过路径上的信息素增量。init_pheromone()函数用于初始化信息素矩阵,prob()函数用于计算从一个城市到另一个城市的转移概率,select_city()函数用于选择下一个访问的城市,simulate_ant()函数用于模拟一只蚂蚁的行为,simulate_ants()函数用于模拟多只蚂蚁的行为,update_pheromone()函数用于更新信息素矩阵。除此之外,还定义了其他一些辅助函数,如select_next_city()、sort_by_objective_values()和crowding_distance()。最后,nsga2()函数集成了多个函数,实现了多目标多旅行商问题的求解过程。

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