禁忌搜索

7
练 习
定义邻域移动为：2-opt 对顺序编码[4 2 3 5 1]，下列编码是否在其邻域内：
[4 3 2 5 1] [5 2 3 4 1] [4 3 5 1 2] [1 2 3 5 4] [4 3 3 5 1] [3 4 2 5 1]
8
练 习
定义邻域移动为：位值+1或-1 对整数编码[2 2 3 5 3]，下列编码是否在其邻域内：
若选择这项 C(x)=16，渴望水平 不能发生作用
T表
1
2 3
1，3
4，5

结论：因交换1和3已在禁忌表中，故只能交换2和4
34
三.算法举例
④
迭代3 编码：4-2-7-1-5-6-3 C x 14 A(s, x) C ( x* ) 18 移动 S x C x 6 4，5 2 5 ，3 0 7 ，1 -3 1 ，3 -6 2 ，6 …… ……
对应目标函数为f(x)={45, 43, 45, 60, 60, 59, 44} xbest=xnow=(ACBDE)
A B C
D E
13
一.前言
2. 局域搜索
示例 全邻域搜索 第 2步 N(xbest)={(ACBDE)，(ABCDE)，(ADBCE)，(AEBDC) ，(ACDBE)，(ACEDB)，(ACBED)}，
是
否
10
一.前言
2. 局域搜索
算法流程 Step 1 选定一个初始可行解x0，记录当前最优解 xbest=x0, T=N(xbest)； Step 2 当T\{xbest}=Φ或满足其他停止运算准则时，停 止运算，输出计算结果；否则，转Step 3； Step 3 从T中选一个集合S，得到S中的最好解xnow； 若 f (xnow)<f(xbest)，则xbest= xnow，T=N(xbest)； 否则，T=T\S，转Step 2。 若S=T，则称为全邻域搜索 11
18
二.禁忌搜索
2. 构成要素
解的表达 ① 编码方法：用数学的形式来表示问题的解。 ② 初始解的产生：随机产生或者采用启发式方 法产生一个可行解。 ③ 评价函数C(x)的构造：往往直接将目标函数 f(x)作为评价函数。
19
二.禁忌搜索
2. 构成要素
邻域及邻域移动 ① 定义邻域移动s，例如，在函数优化问题中邻 域移动可以定义为给定步长和移动方向；在 组合优化问题中邻域移动可以定义为某种排 练序列置换。 ② 邻域是由当前解x及其通过定义的邻域移动能 够达到的所有解构成的集合。 注意：移动的意义是灵活的，目的是便于搜索。
因C(x)=20>A(s,x)=18，此时渴望水平
发生作用，破禁。交换4和5。
T表
1 2 3 2 ，4 பைடு நூலகம் ，3 4 ，5
结论：因渴望水平发挥作用，交换4和5
35
三.算法举例
⑤
迭代4 编码：5-2-7-1-4-6-3 C x 20 x* x A(s, x) C ( x* ) 20 移动 S x C x 0 7 ，1 -3 4 ，3 -5 6 ，3 -6 5 ，4 -8 2 ，6 …… ……
s ( x) T
x仍然可以移动到s(x)。 A(s,x)一般选取为历史上所能达到的最优函数值。
禁忌策略和渴望水平构成了TS的两大核心移动规则
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二.禁忌搜索
2. 构成要素
停止准则 ① 设定最大迭代次数 ② 得到满意解 ③ 设定某个对象的最大禁忌频率
24
二.禁忌搜索
3. 算法流程
Step 1 T ， 选一个初始点 x( x X )，令 x x， * 渴望水平 A(s, x) C( x ) ，迭代指标 k=0； Step 2 若 N x \ T ，则停止；否则令k=k+1；若 k>NG(其中NG为最大迭代次数)，则停止；
30
三.算法举例
2. 算法设计
编码方式：顺序编码 初始解的产生：随机产生，如2-5-7-3-4-6-1 适值函数：极大化目标值 邻域移动方式：2-opt，即两两交换 其他参数：禁忌对象为邻域移动方式，T表长度 设为3，NG设为5
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三.算法举例
初始表 初始编码：2-5-7-3-4-6-1 C x 10 x* x A(s, x) C ( x* ) 10 T
17
二.禁忌搜索
1. TS（Tabu Search）的提出
人类在选择过程中具有记忆功能，比如走迷宫 时，当发现有可能又回到某个地点的时候总会 有意识地避开先前选择的方向而选择其他的可 能性，这样就可以确定性的避开迂回搜索。 借鉴人类的智能思考特性，采用禁忌策略尽量 避免迂回搜索就构成了TS算法。 Glover在1977年提出TS。相对于LS，TS的优点 是能够通过接受劣解来逃离局优，在90年代初 开始受到广泛的关注。
第三章 禁忌搜索
1
第三章 禁忌搜索
一. 前言 二. 禁忌搜索 三. 算法举例 四. 短、中、长期表的使用 五.学习TS的几点体会
2
一.前言
1. 问题描述
min f ( x)
s.t. g ( x) 0
目标函数 约束条件 定义域
x X
3
一.前言
2. 局域搜索
邻域的概念 ① 函数优化问题： 邻域(N(x))通常定义为在给定距离空间内，以一点 (x)为中心的一个球体。 ② 组合优化问题：
C(sk x ) Opt C(s x ), s x N x \ T
则令 x sk ( x) ，本次移动到邻域N(x)中未被禁忌的最 优解 sk ( x)
22
二.禁忌搜索
2. 构成要素
渴望水平 渴望水平A(s,x)是一个取决于s和x的值，若有 C s x A s, x 成立，则s(x)不受T表限制。也就是说即使存在
[2 3 3 5 3] 是 [2 2 3 4 3] 是 [2 3 2 5 3] 否 [2 2 2 5 3] [2 2 3 5 5] 否 [2 2 3 4 4]
是
否
9
练 习
定义邻域移动为：2-opt 对顺序编码[4 2 3 5 1]，下列编码是否在其邻域内：
[4 3 2 5 1] 是 [5 2 3 4 1] 是 [4 3 5 1 2] [4 3 3 5 1] 否 否 [1 2 3 5 4] [3 4 2 5 1]
为了获得好解，可以采用的策略有(1)扩大邻域结构， (2)变邻域结构，(3)多初始点。但这些策略依然无 法保证算法具备跳出局优的能力。
16
一.前言
2. 局域搜索
优劣性 ① 通用易实现，易于理解 ② 搜索效果依赖于初始点和邻域结构，极易陷 入局优
为了获得好解，可以采用的策略有(1)扩大邻域结构， (2)变邻域结构，(3)多初始点。但这些策略依然无 法保证算法具备跳出局优的能力。
N : x X N ( x) 2 X 且 x N ( x) ，称为一个邻域映射，其中2 X表示X
所有子集组成的集合。 N(x)称为x的邻域， y N ( x) 称为x的一个邻居。
4
一.前言
2. 局域搜索
邻域的概念 例：TSP问题解的一种表示方法为D={x=(i1,i2,…,in)| i1,i2,…,in是1,2,…,n的排列}，定义它的邻域映射为
一.前言
2. 局域搜索
示例 例：五个城市的对称TSP问题
初始解为xbest=(ABCDE)，f(xbest)=45，定义邻域映射 为对换两个城市位置的2-opt，选定A城市为起点。
12
一.前言
2. 局域搜索
示例 全邻域搜索 第 1步 N(xbest)={(ABCDE)，(ACBDE)，(ADCBE)，(AECDB) ，(ABDCE)，(ABEDC)，(ABCED)}，
2-opt，即x中的两个元素进行对换，N(x)中共包含x 的Cn2=n(n-1)/2个邻居和x本身。
例如：x=(1,2,3,4)，
则C42=6，N(x)={(1,2,3,4), (2,1,3,4), (3,2,1,4),
(4,2,3,1), (1,3,2,4), (1,4,3,2), (1,2,4,3)}



28
二.禁忌搜索
4. TS克服局优分析
从选优规则看 始终保持历史最优解，不以当前解为最优 从停止规则上看 不以最优判据为停止规则，而是指定最大迭代 步数为停止条件，这样不能保证最优性。
29
三.算法举例
1. 问题提出
由7层不同的绝缘材料构成的一种绝缘体，应如何排 列顺序，可获得最好的绝缘性能?
注：N x \ T 表示非正常终止，造成的原因： 邻域小，T表长。正常设置为T表长度<邻域大小。 Step 2的作用是设置循环体出口。
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二.禁忌搜索
3. 算法流程
Step 3 若 C sL x Opt C s x , s x N x 且 C sL x A(s, x) ，令 x sL ( x) ，转Step 5；




注：Step 3的作用破禁检查
Step 4 若 C sK x Opt C s x , s x N x \ T ，令 x sK ( x) ；


注：Step 4的作用邻域选优
26
二.禁忌搜索
3. 算法流程
Step 5 若 C x C x ，令 x x ， C x C x ， A s, x C x ； 注：Step 5的作用更新历史最好解及渴望水平


Step 6 更新T表，转Step 2 ； 注：x存入T表中的第一个位置
27
二.禁忌搜索
4. TS克服局优分析
从邻域搜索的方法看
sK x Opt s x , s x N x \ T
移向N(x)\T中最好的解，而不与当前解比较， sK x 是 N(x)\T中的最好点，但 C sK x * C x 可能劣于
①
移动 S x C x 6 5 ，4 4 7 ，4 2 3 ，6 0 2 ，3 -1 4 ，1 …… …… 结论：交换4和5
T表 1 2
3

32
三.算法举例
②
迭代1 编码：2-4-7-3-5-6-1 C x 16 x* x A(s, x) C ( x* ) 16 移动 S x C x 2 3 ，1 1 2 ，3 -1 3 ，4 -2 7 ，1 -4 6 ，1 …… …… T表
对应目标函数为f(x)={43, 45, 44, 59, 59, 58, 43} xbest=(ACBDE)
14
一.前言
2. 局域搜索
优劣性 ① 通用易实现，易于理解 ② 搜索效果依赖于初始点和邻域结构，极易陷 入局优
x0
x0
15
一.前言
2. 局域搜索
优劣性 ① 通用易实现，易于理解 ② 搜索效果依赖于初始点和邻域结构，极易陷 入局优
5
一.前言
2. 局域搜索
邻域的概念 例：
解的邻域映射可由2-opt，推广到k-opt，即对k个元 素按一定规则互换。
邻域的构造依赖于解的表示，邻域的结构
在智能优化算法中起重要的作用。
6
练 习
定义邻域移动为：位值+1或-1 对整数编码[2 2 3 5 3]，下列编码是否在其邻域内：
[2 3 3 5 3] [2 2 3 4 3] [2 3 2 5 3] [2 2 2 5 3] [2 2 3 5 5] [2 2 3 4 4]
20
二.禁忌搜索
2. 构成要素
禁忌表 禁忌表(T表)的作用：防止搜索出现循环 ① 将移动、移动分量或适值作为禁忌对象 ② 表的长度称为Tabu-Size，可以用来控制局域 搜索和广域搜索 ③ 表是动态更新的：把最新的解记入，最老的 解从表中释放（解禁）
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二.禁忌搜索
2. 构成要素
选择策略 选择策略的作用：保证TS具有跳出局优的能力 当前解x每一步总是移动到邻域N(x)中未被禁忌的最优 解，即若
1
2 3
4，5

结论：交换1和3
33
三.算法举例
③
迭代2 编码：2-4-7-1-5-6-3 C x 18 x* x A(s, x) C ( x* ) 18 移动 S x C x -2 1 ，3 -4 2 ，4 -6 7 ，6 -7 4 ，5 -9 5 ，3 …… ……