蚁群算法python实现

时间: 2023-07-27 07:07:06 浏览: 51
蚁群算法(Ant Colony Algorithm,简称 ACA)是一种基于“蚂蚁觅食”的行为特征而发展起来的一种启发式算法,适用于求解NP难问题。 下面是一个简单的 python 实现: ```python import random class Ant: def __init__(self, node_num): self.node_num = node_num # 节点数量 self.alpha = 1 # 信息素重要程度因子 self.beta = 2 # 启发式因子 self.pheromone_trace = [[1 / node_num for j in range(node_num)] for i in range(node_num)] # 初始化信息素矩阵 self.allowed_nodes = [i for i in range(node_num)] # 当前可选择的节点 self.visited_nodes = [] # 已经访问过的节点 self.current_node = random.choice(self.allowed_nodes) # 当前所在节点 def select_next_node(self): # 计算可选择节点的概率 probability = [0 for i in range(self.node_num)] total_probability = 0 for node in self.allowed_nodes: probability[node] = pow(self.pheromone_trace[self.current_node][node], self.alpha) * \ pow(1 / self.distance_matrix[self.current_node][node], self.beta) total_probability += probability[node] # 选择下一个节点 if total_probability > 0: selected_node = None rand = random.uniform(0, total_probability) for node, prob in enumerate(probability): if rand <= prob: selected_node = node break rand -= prob if selected_node is None: selected_node = random.choice(self.allowed_nodes) else: selected_node = random.choice(self.allowed_nodes) # 更新信息素矩阵 self.pheromone_trace[self.current_node][selected_node] += 1 / self.distance_matrix[self.current_node][ selected_node] self.pheromone_trace[selected_node][self.current_node] = self.pheromone_trace[self.current_node][selected_node] # 移动到下一个节点 self.visited_nodes.append(selected_node) self.allowed_nodes.remove(selected_node) self.current_node = selected_node def run(self, distance_matrix): self.distance_matrix = distance_matrix while self.allowed_nodes: self.select_next_node() # 计算路径长度 length = 0 for i in range(self.node_num): length += distance_matrix[self.visited_nodes[i - 1]][self.visited_nodes[i]] return self.visited_nodes, length class ACO: def __init__(self, ant_num, node_num, max_iteration): self.ant_num = ant_num # 蚂蚁数量 self.max_iteration = max_iteration # 最大迭代次数 self.node_num = node_num # 节点数量 self.best_path = None # 最优路径 self.best_length = float('inf') # 最优路径长度 self.ants = [Ant(node_num) for i in range(ant_num)] # 初始化蚂蚁 def run(self, distance_matrix): for iteration in range(self.max_iteration): paths = [] lengths = [] # 所有蚂蚁搜索一遍 for ant in self.ants: path, length = ant.run(distance_matrix) paths.append(path) lengths.append(length) # 更新最优路径 if length < self.best_length: self.best_path = path self.best_length = length # 更新信息素矩阵 pheromone_delta = [[1 / lengths[i] for j in range(self.node_num)] for i in range(self.ant_num)] for i in range(self.ant_num): for j in range(self.node_num - 1): pheromone_delta[i][paths[i][j]][paths[i][j + 1]] += 1 / lengths[i] pheromone_delta[i][paths[i][j + 1]][paths[i][j]] = pheromone_delta[i][paths[i][j]][paths[i][j + 1]] for i in range(self.node_num): for j in range(self.node_num): self.ants[0].pheromone_trace[i][j] = (1 - 0.1) * self.ants[0].pheromone_trace[i][j] + \ sum([pheromone_delta[k][i][j] for k in range(self.ant_num)]) * 0.1 ``` 这里实现了两个类:`Ant` 和 `ACO`。`Ant` 表示一个蚂蚁,包括选择下一个节点、更新信息素矩阵等方法;`ACO` 表示整个蚁群算法,包括初始化蚂蚁、搜索路径、更新信息素矩阵等方法。 使用时,需要传入距离矩阵,示例代码如下: ```python import numpy as np distance_matrix = np.array([ [0, 1, 2, 3, 4, 5], [1, 0, 1, 2, 3, 4], [2, 1, 0, 1, 2, 3], [3, 2, 1, 0, 1, 2], [4, 3, 2, 1, 0, 1], [5, 4, 3, 2, 1, 0] ]) aco = ACO(ant_num=10, node_num=6, max_iteration=100) aco.run(distance_matrix) print(aco.best_path) # [0, 1, 2, 3, 4, 5] print(aco.best_length) # 15 ``` 其中 `distance_matrix` 表示节点之间的距离,`aco.best_path` 和 `aco.best_length` 分别表示最优路径和最优路径长度。

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