基于mpi4py和multiprocess的并行遗传算法用于解决旅行商问题的python代码

时间: 2024-05-08 07:21:35 浏览: 10
以下是基于mpi4py和multiprocess的并行遗传算法用于解决旅行商问题的Python代码: ```python import random import numpy as np from mpi4py import MPI from multiprocessing import Pool comm = MPI.COMM_WORLD rank = comm.Get_rank() size = comm.Get_size() cities = np.array([[0, 0], [0, 1], [0, 2], [0, 3], [1, 0], [1, 1], [1, 2], [1, 3], [2, 0], [2, 1], [2, 2], [2, 3], [3, 0], [3, 1], [3, 2], [3, 3]]) num_cities = len(cities) population_size = 100 elite_size = 20 mutation_rate = 0.01 generations = 500 def distance(city1, city2): x_distance = abs(city1[0] - city2[0]) y_distance = abs(city1[1] - city2[1]) distance = np.sqrt((x_distance ** 2) + (y_distance ** 2)) return distance def fitness(route): route_distance = 0 for i in range(num_cities): from_city = route[i] to_city = None if i + 1 < num_cities: to_city = route[i + 1] else: to_city = route[0] route_distance += distance(cities[from_city], cities[to_city]) return route_distance def create_route(): route = random.sample(range(num_cities), num_cities) return route def create_population(): population = [] for i in range(population_size): population.append(create_route()) return population def rank_routes(population): fitness_results = {} for i in range(len(population)): fitness_results[i] = fitness(population[i]) return sorted(fitness_results.items(), key = lambda x : x[1]) def select(population_ranked): selection_results = [] df = np.array(population_ranked) df[:, 1] = 1 / df[:, 1].astype(np.float32) df[:, 1] = df[:, 1] / df[:, 1].sum() for i in range(elite_size): selection_results.append(population_ranked[i][0]) for i in range(len(population_ranked) - elite_size): pick = np.random.choice(len(population_ranked), 1, p = df[:, 1])[0] selection_results.append(population_ranked[pick][0]) return selection_results def breed(parent1, parent2): child = [None] * num_cities gene_a = int(random.random() * num_cities) gene_b = int(random.random() * num_cities) start_gene = min(gene_a, gene_b) end_gene = max(gene_a, gene_b) for i in range(start_gene, end_gene): child[i] = parent1[i] for i in range(num_cities): if parent2[i] not in child: for j in range(num_cities): if child[j] is None: child[j] = parent2[i] break return child def breed_population(mating_pool): children = [] pool = Pool(processes = (size - 1)) for i in range(0, len(mating_pool), 2): child1, child2 = pool.apply_async(breed, (mating_pool[i], mating_pool[i + 1])).get() children.append(child1) children.append(child2) pool.close() return children def mutate(individual): for swapped in range(num_cities): if random.random() < mutation_rate: swap_with = int(random.random() * num_cities) city1 = individual[swapped] city2 = individual[swap_with] individual[swapped] = city2 individual[swap_with] = city1 return individual def mutate_population(population): mutated_population = [] pool = Pool(processes = (size - 1)) for individual in population: mutated_individual = pool.apply_async(mutate, (individual,)).get() mutated_population.append(mutated_individual) pool.close() return mutated_population def next_generation(current_generation): population_ranked = rank_routes(current_generation) mating_pool = select(population_ranked) children = breed_population(mating_pool) next_generation = mutate_population(children) return next_generation if rank == 0: population = create_population() else: population = None for i in range(generations): if i % (generations // 10) == 0: if rank == 0: print("Generation:", i) print("Best route:", rank_routes(population)[0][1]) comm.barrier() if rank == 0: population_split = np.array_split(population, size - 1) else: population_split = None population_split = comm.scatter(population_split, root = 0) new_population_split = next_generation(population_split) new_population = comm.gather(new_population_split, root = 0) if rank == 0: population = [item for sublist in new_population for item in sublist] if rank == 0: print("Generation:", generations) print("Best route:", rank_routes(population)[0][1]) ``` 该代码使用了MPI和multiprocess库,其中MPI用于实现并行化,而multiprocess用于实现并行化中的并发操作。在代码中,首先定义了需要计算的城市坐标和其他一些参数,如种群大小、杂交率、精英数和迭代次数等。然后定义了一些辅助函数,如计算两个城市之间的距离、计算一条路径的适应度、创建一条随机路径、创建一个随机种群等。 在主程序中,进程0首先创建了初始种群,并将其分成多个子种群分配给所有进程。然后,每个进程都进行了遗传算法的迭代,由于每个进程都有自己的种群子集,因此每个进程都可以独立地执行并行化计算。在每个进程中,首先对种群进行排名,选择出最好的个体和其他个体,然后对其他个体进行交叉和变异,生成新的种群。最后,新的种群被收集回进程0,并更新种群。在迭代之后,进程0打印出最优路径和距离。

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