禁忌搜索算法TSA 旅行商问题TSP python
import math
import random
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import sys
from numpy.matlib import rand
from matplotlib.artist import getp
import copy
from test.test__locale import candidate_locales
from cProfile import run
import city
import scipy.stats as stats
def greedy():
#通过贪婪算法确定初始r值,也就是初始信息素浓度
sum = 0.0
#必须实例化一个一个赋值,不然只是把地址赋值,牵一发而动全身
dis = [[0 for col in range(n)] for raw in range(n)]
for i in range(n):
for j in range(n):
dis[i][j] = distance[i][j]
visited = []
#进行贪婪选择——每次都选择距离最近的
id = 0
for i in range(n):
for j in range(n):
dis[j][id] = sys.maxsize
minvalue = min(dis[id])
if i != 29:
sum += minvalue
visited.append(id)
id = dis[id].index(minvalue)
sum += distance[0][visited[n-1]]
return visited
#构建初始参考距离矩阵
def getdistance():
for i in range(n):
for j in range(n):
x = pow(city_x[i] - city_x[j], 2)
y = pow(city_y[i] - city_y[j], 2)
distance[i][j] = pow(x + y, 0.5)
for i in range(n):
for j in range(n):
if distance[i][j] == 0:
distance[i][j] = sys.maxsize
#计算总距离
def cacl_best(rou):
sumdis = 0.0
for i in range(n-1):
sumdis += distance[rou[i]][rou[i+1]]
sumdis += distance[rou[n-1]][rou[0]]
return sumdis
#初始设置
def setup(methods=1):
global best_route
global best_distance
global tabu_time
global current_tabu_num
global current_distance
global current_route
global tabu_list
#得到初始解以及初始距离
if methods==1:
current_route = greedy()
else:
current_route = random.sample(range(0, n), n)
best_route = copy.copy(current_route)
#函数内部修改全局变量的值
current_distance = cacl_best(current_route)
best_distance = current_distance
#置禁忌表为空
tabu_list.clear()
tabu_time.clear()
current_tabu_num = 0
return current_distance
#交换数组两个元素
def exchange(index1, index2, arr):
current_list = copy.copy(arr)
current = current_list[index1]
current_list[index1] = current_list[index2]
current_list[index2] = current
return current_list
#得到邻域候选解
def get_candidate():
global best_route
global best_distance
global current_tabu_num
global current_distance
global current_route
global tabu_list
#存储两个交换的位置
exchange_position = []
temp = 0
#随机选取邻域
while True:
current = random.sample(range(0, n), 2)
#print(current)
if current not in exchange_position:
exchange_position.append(current)
candidate[temp] = exchange(current[0], current[1], current_route)
if candidate[temp] not in tabu_list:
#print(temp)
candidate_distance[temp] = cacl_best(candidate[temp])
temp += 1
if temp >= 200:
break
#得到候选解中的最优解
candidate_best = min(candidate_distance)
best_index = candidate_distance.index(candidate_best)
current_distance = candidate_best
current_route = copy.copy(candidate[best_index])
#与当前最优解进行比较
if current_distance < best_distance:
best_distance = current_distance
best_route = copy.copy(current_route)
#加入禁忌表
tabu_list.append(candidate[best_index])
tabu_time.append(tabu_limit)
current_tabu_num += 1
#更新禁忌表以及禁忌期限
def update_tabu():
global current_tabu_num
global tabu_time
global tabu_list
del_num = 0
temp = [0 for col in range(n)]
#更新步长
tabu_time = [x-1 for x in tabu_time]
#如果达到期限,释放
for i in range(current_tabu_num):
if tabu_time[i] == 0:
del_num += 1
tabu_list[i] = temp
current_tabu_num -= del_num
while 0 in tabu_time:
tabu_time.remove(0)
while temp in tabu_list:
tabu_list.remove(temp)
def draw():
result_x = [0 for col in range(n+1)]
result_y = [0 for col in range(n+1)]
for i in range(n):
result_x[i] = city_x[best_route[i]]
result_y[i] = city_y[best_route[i]]
result_x[n] = result_x[0]
result_y[n] = result_y[0]
print(result_x)
print(result_y)
plt.xlim(0, 100) # 限定横轴的范围
plt.ylim(0, 100) # 限定纵轴的范围
plt.plot(result_x, result_y, marker='>', mec='r', mfc='w',label=u'Route')
plt.legend() # 让图例生效
plt.margins(0)
plt.subplots_adjust(bottom=0.15)
plt.xlabel(u"x") #X轴标签
plt.ylabel(u"y") #Y轴标签
plt.title("TSP Solution") #标题
plt.show()
plt.close(0)
def solve(runtime=500):
getdistance()
setup()
for i in range(runtime):
get_candidate()
update_tabu()
def TSA_TSP(runtime):
'''遗传算法、禁忌搜索算法和微粒群算法收敛速度的对比'''
getdistance()
setup()
a = []
for j in range(runtime):
get_candidate()
update_tabu()
a.append(best_distance)
return a
def TSA_better(runtime):
'''遗传算法、禁忌搜索算法和微粒群算法收敛速度的对比'''
global tabu_limit
getdistance()
setup()
a = []
for j in range(runtime):
tabu_limit = int(100*(j/runtime)+1)
get_candidate()
update_tabu()
a.append(best_distance)
return a
def main():
global city_x, city_y, distance, n, tabu_limit, tabu_list, tabu_time, current_tabu_num, candidate, candidate_distance
global best_route, best_distance, current_distance, current_route
if(1):
city_x = []
city_y = []
a = dict.values(city.china)
a = list(a)
for i in range(100):
city_x.append(a[i][0])
city_y.append(a[i][1])
# 城市数量
n = len(city_x)
distance = [[0 for col in range(n)] for raw in range(n)]
#禁忌表
tabu_list = []
tabu_time = []
#当前禁忌对象数量
current_tabu_num = 0
#禁忌长度,即禁忌期限
tabu_limit = 50
#候选集
candidate = [[0 for col in range(n)] for raw in range(200)]
candidate_distance = [0 for col in range(200)]
#最佳路径以及最佳距离
best_route = []
best_distance = sys.maxsize
current_route = []
current_distance = 0.0
getdistance()
setup()
k = 6
if k==1:
'''不同初始样本对结果的影响'''
init = []
x = []
y = []
for i in range(20):
print(i)
getdistance()
x.append(i)
init.append(setup(methods=2))
for epoch in range(500):
get_candidate()
update_tabu()
y.append(best_distance)
r,p = stats.pearsonr(init,y) # 相关系数和P值
print('相关系数r=%.3f,p值=%.3f'%(r,p))
plt.figure(figsize = (6,6)) # 图片像素大小
plt.scatter(init,y,color="blue") # 散点图绘制
plt.grid() # 显示网格线
plt.xlabel('init')
plt.ylabel('result')
plt.show() # 显示图片
plt.plot(x,init,color='blue',label='init_distance')
plt.plot(x,y,color='red',label='result_distance')
plt.xlabel('times')
plt.ylabel('distance')
plt.title('The effect of the initial route on the distance')
elif k==2:
'''禁忌表长度对于结果的影响'''
x = []
y = []
for i in range(10,200,10):
print(i)
distance = [[0 for col in range(n)] for raw in range(n)]
#禁忌表
tabu_list = []
tabu_time = []
#当前禁忌对象数量
current_tabu_num = 0
#候选集
candidate = [[0 for col in range(n)] for raw in range(200)]
candidate_distance = [0 for col in range(200)]
#最佳路径以及最佳距离
best_route = []
best_distance = sys.maxsize
current_route = []
current_distance = 0.0
getdistance()
setup()
tabu_limit = i # 禁忌长度
for j in range(2500):
get_candidate()
update_tabu()
x.append(i)
y.append(best_distance)
plt.plot(x,y)
plt.xlabel('Tabu_len')
plt.ylabel('distance')
plt.title('The effect of the length of tabu list on the distance')
elif k==3:
'''不同禁忌表长度的情况下的最佳迭代次数'''
x = []
y = []
for i in range(1,21):
distance = [[0 for col in range(n)] for raw in range(n)]
#禁忌表
tabu_list = []
tabu_time = []
#当前禁忌对象数量
current_tabu_num = 0
#候选集
candidate = [[0 for col in range(n)] for raw in range(200)]
candidate_distance = [0 for col in range(200)]
#最佳路径以及最佳距离
best_route = []
best_distance = sys.maxsize
current_route = []
current_distance = 0.0
getdistance()
setup()
tabu_limit = i*10
best = []
for epoch in range(25000):
get_candidate()
update_tabu()
best.append(best_distance)
if(epoch>500 and len(set(best[epoch-500:epoch]))==1):
break
x.append(tabu_limit)
y.append(epoch-500)
print(tabu_limit,epoch-500)
plt.plot(x,y)
plt.xlabel('tabu_len')
plt.ylabel('best_epochs')
plt.title('The best number of epochs in different length of tabu list')
elif k==4:
'''遗传算法与禁忌搜索算法在不同迭代次数上的比较'''
from 遗传TSP import GA_TSP
i = 500
epoch = [x for x in range(1,i+1)]
plt.plot(epoch,TSA_better(i),color='red',label='Better')
plt.plot(epoch,GA_TSP(epochs=i),color='blue',label='GA')
plt.plot(epoch,TSA_TSP(i),color='red',label='TSA')
plt.xlabel('epochs')
plt.ylabel('distance')
plt.title('The effect of the difference methods on the distance')
elif k==5:
'''禁忌长度自适应改进算法与标准算法的对比'''
i = 1500
epoch = [x for x in range(1,i+1)]
plt.plot(epoch,TSA_TSP(i),color='blue',label='Simple')
plt.plot(epoch,TSA_better(i),color='red',label='Better')
plt.xlabel('epochs')
plt.ylabel('distance')
plt.title('The different arithmetic')
elif k==6:
'''遗传算法与禁忌搜索算法在不同城市规模上的比较'''
epoch = []
GA = []
TSA = []
for scale in range(20,151,10):
from 遗传TSP import GA_TSP
city_x = []
city_y = []
a = dict.values(city.china)
a = list(a)
for i in range(scale):
city_x.append(a[i][0])
city_y.append(a[i][1])
# 城市数量
n = len(city_x)
distance = [[0 for col in range(n)] for raw in range(n)]
#禁忌表
tabu_list = []
tabu_time = []
#当前禁忌对象数量
current_tabu_num = 0
#禁忌长度,即禁忌期限
tabu_limit = 50
#候选集
candidate = [[0 for col in range(n)] for raw in range(200)]
candidate_distance = [0 for col in range(200)]
#最佳路径以及最佳距离
best_route = []
best_distance = sys.maxsize
current_route = []
current_distance = 0.0
getdistance()
setup()
epoch.append(scale)
TSA.append(min(TSA_better(1000)))
GA.append(min(GA_TSP(scale=scale,epochs=5000+scale*100)))
print(scale)
plt.plot(epoch,GA,color='blue',label='GA')
plt.plot(epoch,TSA,color='red',label='TSA')
plt.xlabel('city_scale')
plt.ylabel('distance')
plt.title('The effect of the scale of cities on the distance')
plt.legend()
plt.show()
if __name__=="__main__":
main()
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