蚁群实例
蚁群算法
什么是群?
指的是蜂群、鸟群、蚁群、鱼群等等,具有社会群居行为 的动物。
群的特征:
1.相互作用的相邻个体的集合 2.个体的行为简单,只能完成一般工作 3.智能化的集体行为 a.个体间不仅能够交互信息,还能够处理信息,根
什么是蚁群算法 蚁群算法的特点
它是一种通用的启发式算法,可用来解 决各种不同的组合优化问题。
1.能觉察小范围区域内状况,并判断出是否有食物或其他同类的信息 激素轨迹; 2.能释放自己的信息激素; 3所遗留的信息激素数量会随时间而逐步减少。
蚂蚁系统:模拟蚁群突现聚集行为的蚁群算法, 是作为一类新的计算模式引入的。 蚂蚁系统的提出 1.蚂蚁之间通过环境进行通信。
据信息改变自身行为。 b.没有一个集中控制中心,分布式、自组织 c.作为群体协同工作时,能够实现出非常复杂的行 为特征——智能
蚂蚁的觅食过程
1.随机移动 2.遇到食物分泌信息素 3.在搬运食物回家的路上留下信息素 4.其他蚂蚁发现留有信息素的路径结束漫游,沿该路径移 动,遇到食物同样开始分泌信息素。 5.信息素会随时间挥发,短路径上的信息素相对浓度高。
信息激素全局更新策略 当所有蚂蚁走完全部城市后,只有经过那些路径边上的蚂 蚁才允许释放信息激素,按照式(8-12)进行更新。
其中ρ为信息激素蒸发系数;Lk为最优路径的长度。 这种策略的目的是为了增强那些属于最优路径上的边的信 息激素,可以大大增加这些边上的信息激素。
4.3最大-最小蚂蚁系统 为了克服在 Ant-Q 算法中可能出现的停滞现象, Thomas 等 提出了最大 -最小蚂蚁系统,该算法主要做了如下改进: ①每次迭代结束后,只有最优解所属路径上的信息被更新, 从而更好地利用了历史信息; ②为了避免算法过早收敛 于并非全局最优的解,将各条路径可能的外激素浓度限制 于 [τmin ,τmax] ,超出这个范围的值被强制设为 τmin 或 τmax ,一方面避免了某条路径上的信息激素远大于其他 路径的信息激素浓度,从而有效降低了过早停滞的可能。 另一方面,不会因为某路径的信息激素浓度过低而丧失发 现新路径的可能。各路径上外激素的起始浓度设为τmax , 在算法的初始时刻, ρ取较小的值时,算法有更好的发现 较好解的能力。所有蚂蚁完成一次迭代后,按式(8-13)
蚁群算法
基本蚁群算法程序流程图
开始 初始化
循环次数Nc← Nc+1
蚂蚁k=1 蚂蚁k=k+1
按式(1)选择下一元素 修改禁忌表 N Y K≥ m
按式(2)和式(3)进行信息量更新 满足结束条件 Y
Байду номын сангаас输出程序计算结果 结束 N
复杂度分析
对于TSP,所有可行的路径共有(n-1)!/2条,以 此路径比较为基本操作,则需要(n-1)!/2-1次基 本操作才能保证得到绝对最优解。 若1M FLOPS,当n=10, 需要0.19秒 n=20, 需要1929年 n=30, 需要1.4X10e17年
{ ij (t ) | ci , c j C}是t时刻集合C中元素
蚂蚁k(k=1,2,…,m)在运动过程中,根据各条路径上的信息 量决定其转移方向。这里用禁忌表tabuk来记录蚂蚁k当前 所走过的城市,集合随着tabuk进化过程做动态调整。在 搜索过程中,蚂蚁根据各条路径上的信息量及路径的启发 信息来计算状态转移概率。在t时刻蚂蚁k由元素(城市)i 转移到元素(城市)j的状态转移概率:
1) 标有距离的路径图 2) 在0时刻,路径上没有信息素累积,蚂蚁选择路径为任意 3) 在1时刻,路径上信息素堆积,短边信息素多与长边,所以蚂蚁更 倾向于选择ABCDE
特
点
(1)其原理是一种正反馈机制或称增强型学习系统;它通过 信息素的不断更新达到最终收敛于最优路径上; (2)它是一种通用型随机优化方法;但人工蚂蚁决不是对实 际蚂蚁的一种简单模拟,它融进了人类的智能; (3)它是一种分布式的优化方法;不仅适合目前的串行计算 机,而且适合未来的并行计算机; (4)它是一种全局优化的方法;不仅可用于求解单目标优化 问题,而且可用于求解多目标优化问题; 2 (5)它是一种启发式算法;计算复杂性为 O( NC m n ),其 中NC 是迭代次数,m 是蚂蚁数目,n 是目的节点数目。
蚁群算法最全集PPT课件
采用智能优化算法,如遗传算法、粒子群算法等,对算法参数进行 优化,以寻找最优参数组合,提高算法性能。
04
蚁群算法的实现流程
问题定义与参数设定
问题定义
明确待求解的问题,将其抽象为优化 问题,并确定问题的目标函数和约束 条件。
参数设定
根据问题的特性,设定蚁群算法的参 数,如蚂蚁数量、信息素挥发速度、 信息素更新方式等。
动态调整种群规模
根据搜索进程的需要,动态调整参与搜索的蚁群规模,以保持种群 的多样性和搜索的广泛性。
自适应调整参数
参数自适应调整策略
根据搜索进程中的反馈信息,动态调整算法参数,如信息素挥发速 度、蚂蚁数量、移动概率等。
参数动态调整规则
制定参数调整规则,如基于性能指标的增量调整、基于时间序列的 周期性调整等,以保持算法性能的稳定性和持续性。
06
蚁群算法的优缺点分析
优点
高效性
鲁棒性
蚁群算法在解决组合优化问题上表现出高 效性,尤其在处理大规模问题时。
蚁群算法对噪声和异常不敏感,具有较强 的鲁棒性。
并行性
全局搜索
蚁群算法具有天然的并行性,可以充分利 用多核处理器或分布式计算资源来提高求 解速度。
蚁群算法采用正反馈机制,能够实现从局 部最优到全局最优的有效搜索。
强化学习
将蚁群算法与强化学习相结合,利用强化学习中的奖励机制指导 蚁群搜索,提高算法的探索和利用能力。
THANKS
感谢观看
蚂蚁在移动过程中会不断释放新 的信息素,更新路径上的信息素 浓度。
蚂蚁在更新信息素时,会根据路 径上的信息素浓度和自身的状态 来决定释放的信息素增量。
搜索策略与最优解的形成
搜索策略
matlab-蚁群算法-机器人路径优化问题
matlab-蚁群算法-机器人路径优化问题4.1问题描述移动机器人路径规划是机器人学的一个重要研究领域。
它要求机器人依据某个或某些优化原则(如最小能量消耗,最短行走路线,最短行走时间等),在其工作空间中找到一条从起始状态到目标状态的能避开障碍物的最优路径。
机器人路径规划问题可以建模为一个有约束的优化问题,都要完成路径规划、定位和避障等任务。
4.2算法理论蚁群算法(AntColonyAlgorithm,ACA),最初是由意大利学者DorigoM.博士于1991年首次提出,其本质是一个复杂的智能系统,且具有较强的鲁棒性,优良的分布式计算机制等优点。
该算法经过十多年的发展,已被广大的科学研究人员应用于各种问题的研究,如旅行商问题,二次规划问题,生产调度问题等。
但是算法本身性能的评价等算法理论研究方面进展较慢。
Dorigo提出了精英蚁群模型(EAS),在这一模型中信息素更新按照得到当前最优解的蚂蚁所构造的解来进行,但这样的策略往往使进化变得缓慢,并不能取得较好的效果。
次年Dorigo博士在文献[30]中给出改进模型(ACS),文中改进了转移概率模型,并且应用了全局搜索与局部搜索策略,来得进行深度搜索。
Stützle与Hoo给出了最大-最小蚂蚁系统(MA某-MINAS),所谓最大-最小即是为信息素设定上限与下限,设定上限避免搜索陷入局部最优,设定下限鼓励深度搜索。
蚂蚁作为一个生物个体其自身的能力是十分有限的,比如蚂蚁个体是没有视觉的,蚂蚁自身体积又是那么渺小,但是由这些能力有限的蚂蚁组成的蚁群却可以做出超越个体蚂蚁能力的超常行为。
蚂蚁没有视觉却可以寻觅食物,蚂蚁体积渺小而蚁群却可以搬运比它们个体大十倍甚至百倍的昆虫。
这些都说明蚂蚁群体内部的某种机制使得它们具有了群体智能,可以做到蚂蚁个体无法实现的事情。
经过生物学家的长时间观察发现,蚂蚁是通过分泌于空间中的信息素进行信息交流,进而实现群体行为的。
蚁群算法PPT课件
Macro Dorigo
2021/7/1
3
基本原理
Nest
Food
Obstacle
图1 蚂蚁正常行进,突然环境改变,增加了障碍物
2021/7/1
4
基本原理
Nest
Food
Obstacle
图2 蚂蚁以等同概率选择各条路径 较短路径信息素浓度高,选择该路径的蚂蚁增多
2021/7/1
5
基本原理
E
t=0
迭代次数 t_max 4784 1999 806 8950 6665 884 3650 2214 948 1802
程序运行时间 time 99.0466 123.0078 458.4601 148.2777 381.1539 499.8319 88.1896 149.1128 495.0127 134.2481
LumerE和FaietaB通过在Denurbourg的基本分 类模型中引入数据对象之间相似度的概念,提出了 LF聚类分析算法,并成功的将其应用到数据分析中。
2021/7/1
11
基于蚂蚁觅食行为和信息素的聚类分析模型
蚂蚁在觅食的过程中,能够分为搜索食物和 搬运食物两个环节。每个蚂蚁在运动过程中 都将会在其所经过的路径上留下信息素,而 且能够感知到信息素的存在及其强度,比较 倾向于向信息素强度高的方向移动,同样信 息素自身也会随着时间的流逝而挥发,显然 某一路径上经过的蚂蚁数目越多,那么其信 息素就越强,以后的蚂蚁选择该路径的可能 性就比较高,整个蚁群的行为表现出了信息 正反馈现象。
2021/7/1
Z
蚁 群 聚 类 结 果 (R=100,t=1000)
3500
3000
2500
2000
蚁群算法及算例
(四)优点
◆求解问题的快速性——由正反馈机制 决定;
◆全局优化性——由分布式计算决定, 避免蚁群在寻优空间中过早收敛;
◆有限时间内答案的合理性——由贪婪 式搜索模式决定,使能在搜索过程的早期 就找到可以接受的较好解。
二、蚂蚁系统(AS算法)——最早的ACO算法
3、信息素计算公式
当所有蚂蚁完成1次周游后,各路径上的信息素为:
ij (t n) (1 ) ij (t ) ij
m
ij
Δτ
k ij
k 1
k ij
Q
Lk
,
0,
若蚂蚁k在本次周游中经过边(i, j) 否则
Q ——正常数,
Lk ——蚂蚁 k 在本次周游中所走路径的长度。
开始时,令 ij 0 C
pikj
t
τ ij t τ is
sJk i
α ηij t β t α ηis t
β,
0, 否则
如果j Jk i
——信息素的相对重要程度;
——启发式因子的相对重要程度;
Jk i ——蚂蚁 k 下一步允许选择的城市集合。
2、启发式因子计算公式:ij
1 d ij
(四)算法步骤
1、初始化参数:开始时每条边的信息素量都相等。 ij (0) C ij (0) 0
2、将各只蚂蚁放置各顶点,禁忌表为对应的顶点。
3、取1只蚂蚁,计算转移概率 Pijk (t),按轮盘赌的方式 选择下一个顶点,更新禁忌表,再计算概率,再选
择顶点,再更新禁忌表,直至遍历所有顶点1次。
3、展望——初步的研究结果已显示出ACO算法在求解复杂 优化问题,特别是离散优化问题方面的优越性。虽然严格的 理论基础尚未奠定,但从当前的应用效果来看,此算法具有 光明的发展前景。
《蚁群算法介绍》课件
输出最优解和相关性能指标。
详细描述
这一步是将最优解和相关性能指标输出,以 便于对算法的性能进行分析和评估。
04
蚁群算法的性能分析
收敛性分析
收敛速度
蚁群算法在优化问题中的收敛速度取决于初始信息素分布、蚂蚁数量、迭代次数等因素 。
最优解质量
蚁群算法在某些问题上可能找到全局最优解,但在其他问题上可能只能找到近似最优解 。
VS
详细描述
这一步是生成初始解的过程,需要按照设 定的规则,将蚂蚁随机放置在解空间中, 并初始化每条路径上的信息素。
迭代优化
总结词
通过蚂蚁的移动和信息素的更新,不断优化 解的质量。
详细描述
这一步是蚁群算法的核心部分,通过模拟蚂 蚁的移动和信息素的更新机制,不断迭代优 化解的质量,最终找到最优解。
结果
多目标优化问题的蚁群算法
针对多目标优化问题,蚁群算法需要 进行相应的改进。
VS
多目标优化问题要求算法在满足多个 冲突目标的同时找到最优解。这需要 对蚁群算法进行相应的调整,以适应 多目标优化的特性。例如,可以通过 引入权重因子来平衡各个目标之间的 矛盾,或者采用非支配排序方法对解 进行分层处理,以便更好地处理多目 标优化问题。
蚁群算法的优化目标
寻找最短路径
蚁群算法的主要目标是找到起点到终 点之间的最短路径,这在实际应用中 可用于解决如旅行商问题、车辆路径 问题等优化问题。
平衡搜索与探索
蚁群算法需要在搜索和探索之间取得 平衡,以避免陷入局部最优解,提高 算法的全局搜索能力。
03
蚁群算法的实现步骤
问题建模
总结词
将实际问题抽象为蚁群算法能够解决的问题模型。
蚂蚁根据局部信息素浓度选择移动方向,倾向于选择信息素浓度较高的路径。
蚁群算法及案例分析
群在选择下一条路径的时
候并不是完全盲目的,而是
按一定的算法规律有意识
地寻找最短路径
自然界蚁群不具有记忆的
能力,它们的选路凭借外
激素,或者道路的残留信
息来选择,更多地体现正
反馈的过程
人工蚁群和自然界蚁群的相似之处在于,两者优先选择的都
是含“外激素”浓度较大的路径; 两者的工作单元(蚂蚁)都
Eta=1./D;
%Eta为启发因子,这里设为距离的倒数
Tau=ones(n,n);
%Tau为信息素矩阵
Tabu=zeros(m,n);
%存储并记录路径的生成
NC=1;
%迭代计数器
R_best=zeros(NC_max,n); %各代最佳路线
L_best=inf.*ones(NC_max,1);%各代最佳路线的长度
for ii=2:N
R_best(NC,:)=Tabu(pos(1),:);
plot([C(R(ii-1),1),C(R(ii),1)],[C(R(ii-1),2),C(R(ii),2)])
L_ave(NC)=mean(L);
hold on
NC=NC+1;
end
%第五步:更新信息素
Delta_Tau=zeros(n,n);
, 表示可根据由城市i到城市j的期望程度,可根据启发式算法具体确定,
一般为 。
= 0,算法演变成传统的随机贪婪算法最邻近城市被选中概率最大
= 0,蚂蚁完全只根据信息度浓度确定路径,算法将快速收敛,这样构出
的路径与实际目标有着较大的差距,实验表明在AS中设置α=1~2,β=2~5比较合
DrawRoute(C,Shortest_Route)
团结的蚂蚁作文(精选29篇)
团结的蚂蚁作文团结的蚂蚁作文(精选29篇)在生活、工作和学习中,大家都经常接触到作文吧,借助作文人们可以实现文化交流的目的。
还是对作文一筹莫展吗?下面是小编收集整理的团结的蚂蚁作文,仅供参考,大家一起来看看吧。
团结的蚂蚁作文篇1蚂蚁有着团结合作的精神,也有着超常的力量,能把比自己重几倍、几十倍、几百倍,甚至几千倍的东西抬起来,而这是为什么呢?因为蚂蚁有着团结的精神,宁可自己死也不愿意大家死,具有舍己为人的精神。
科学家用一个实例来了蚂蚁的团结:有一个地方发生了火灾,而蚂蚁的巢正好就在那里,蚁群为了岀巢,也想不出什么好办法,该怎么办呢?这时,蚁群一个惊人的举动让人们目瞪口呆:蚂蚁群竟然合成了一个球,滚过烈火,有些蚂蚁虽然已经伤痕累累,可为了内圈的蚂蚁们,外圈的蚂蚁们仍然锲而不舍地紧紧地抱着内圈的蚂蚁,没有一个退缩,最后,内圈的蚂蚁活了下来,而外圈的蚂蚁,已经被烧死了。
还有一件事也令人们大大震惊,在一个电视节目中我看到了:有一只蝎子闯进了蚁群,蝎子的攻击力虽然很大,可蚂蚁的团结力量更强大,所以,蚂蚁们英勇向前,不怕自己死亡,团结一致,最后,在蚁群的打拼下,弱小的蚂蚁打败了强大的蝎子,终于胜利了。
蚂蚁具有超常的力量,它们让人们明白了一个道理:团结是人们必不可少的品德。
有了团结,就等于工作上更轻松,学习上成绩更好,也让我们的生活更加美好!团结的蚂蚁作文篇2昨天,阳光灿烂,阳光温暖地照耀着地球。
我四楼的双胞胎兄弟在楼下一起玩。
玩的时候哥哥突然发现一个蚂蚁洞,和我的铅笔芯一样粗。
为了不打扰蚂蚁,我们静静地走着,仔细观察它们的行动。
洞旁边有一块大饼干。
一只小蚂蚁闻了一会儿,然后沿着饼干转过身,试着移动了几下,然后匆匆回家。
进去一段时间后,小蚂蚁带着一小群士兵和马匹直接去找饼干,但是这群小蚂蚁根本动不了饼干。
我们看到他们很着急,好像在讨论什么。
然后大部分蚂蚁都退了,只留下几只蚂蚁留着好吃的。
当我和我的兄弟惊讶地写下,时,我们发现被撤回的蚂蚁从洞穴里出来了。
毕业论文:蚁群算法的研究应用(定稿)-精品【范本模板】
第一章绪论1。
1选题的背景和意义受社会性昆虫行为的启发,计算机工作者通过对社会性昆虫的模拟产生了一系列对于传统问题的新的解决方法,这些研究就是群体智能的研究。
群体智能作为一个新兴领域自从20世纪80年代出现以来引起了多个学科领域研究人员的关注,已经成为人工智能以及经济社会生物等交叉学科的热点和前沿领域。
群体智能(Swarm Intelligence)中的群体(Swarm)指的是“一组相互之间可以进行直接通信或者间接通信(通过改变局部环境)的主体,这组主体能够合作进行分布问题求解,群体智能指的是无智能或者仅具有相对简单智能的主体通过合作表现出更高智能行为的特性;其中的个体并非绝对的无智能或只具有简单智能,而是与群体表现出来的智能相对而言的。
当一群个体相互合作或竞争时,一些以前不存在于任何单独个体的智慧和行为会很快出现。
群体智能的提出由来已久,人们很早以前就发现,在自然界中,有的生物依靠其个体的智慧得以生存,有的生物却能依靠群体的力量获得优势。
在这些群体生物中,单个个体没有很高的智能,但个体之间可以分工合作、相互协调,完成复杂的任务,表现出比较高的智能。
它们具有高度的自组织、自适应性,并表现出非线性、涌现的系统特征。
群体中相互合作的个体是分布式的,这样更能够适应当前网络环境下的工作状态;没有中心的控制与数据,这样的系统更具有鲁棒性,不会由于某一个或者某几个个体的故障而影响整个问题的求解。
可以不通过个体之间直接通信而是通过非直接通信进行合作,这样的系统具有更好的可扩充性。
由于系统中个体的增加而增加的系统的通信开销在这里十分小.系统中每个个体的能力十分简单,这样每个个体的执行时间比较短,并且实现也比较简单,具有简单性。
因为具有这些优点,虽说群集智能的研究还处于初级阶段,并且存在许多困难,但是可以预言群集智能的研究代表了以后计算机研究发展的一个重要方向。
随着计算机技术的飞速发展,智能计算方法的应用领域也越来越广泛,当前存在的一些群体智能算法有人工神经网络,遗传算法,模拟退火算法,群集智能,蚁群算法,粒子群算等等。
蚁群算法的讲解
路径的蚂蚁多,所以信息素的积累速度比较长路径快。因此,当后续蚂蚁在路口时
,就能感知先前蚂蚁留下的信息,并倾向于选择一条较短的路径前行。这种正反馈
机制使得越来越多的蚂蚁在巢穴与食物之间的最短路径上行进。由于其他路径上的
信息素会随着时间蒸发,最终所有的蚂蚁都在最优路径上行进。
TSP作为应用实例提出的。
TSP 问题(Traveling Salesman Problem,旅行商问题)
是数学领域中著名问题之一。
问题概述:假设有一个旅行商人要拜访n个城市,他必须
选择所要走的路径,路径的限制是每个城市只能拜访一次,
而且最后要回到原来出发的城市。路径的选择目标是要求得
的路径路程为所有路径之中的最小值。TSP问题是一个NP问
整数,表示算法已经收敛,不再需要继续;
4. 目标值控制规则,给定优化问题(目标最小化)的一
个下界和一个误差值,当算法得到的目标值同下界之
差小于给定的误差值时,算法终止。
71
例 1 旅行商问题(TSP 问题)假设有一个旅行商人
要拜访全国 31 个省会城市,他需要选择所要走的路
径,路径的限制是每个城市只能拜访一次,而且最
后要回到原来出发的城市。路径的选择要求是:所
选路径的路程为所有路径之中的最小值。全国 31 个
省会城市的坐标为 [1304 2312; 3639 1315; 4177
2244; 3712 1399; 3488 1535; 3326 1556; 3238
1229; 4196 1004; 4312 790; 4386 570; 3007 1970;
致、有形的结构。经过“演化”,有些死亡,有些静止,有些
《蚁群算法》PPT
Thank you so much for your time,and have a nice day.
可选路径较少,使种群陷入局部最优。
信息素重要程度因子
蚂蚁选择以前已经走过的路可能性较大, 会使蚁群的搜索范围减小容易过早的收
容易使随机搜索性减弱。
敛,使种群陷入局部最优。
启发函数重要程度因子 虽然收敛速度加快,但是易陷入局部最优
蚁群易陷入纯粹的随机搜索,很难找到 最优解
信息素挥发因子
各路径上信息素含量差别较小,收敛速 信息素挥发较快,容易导致较优路径被排除 度降低
2.并行的算法
每只蚂蚁搜索的过程彼此独立,仅通过信 息激素进行通信。 在问题空间的多点同时开始进行独立的解 搜索,不仅增加了算法的可靠性,也使得算 法具有较强的全局搜索能力。
3
蚁群算法的基本步骤
1)初始化参数;2)构建解空间;3)更新信息素;4)判断终止与迭代。
3 蚁群算法的基本步骤
优化问题与蚂蚁寻找食物的关系
0.04
0.04
0.92 到城市1 到城市3 到城市5
3.3 更 新 信 息 素
蚂蚁访问完所有城市之后,进行信息素的更新。信息素的更新包括挥发和蚂蚁的产生,由以下 公式决定:
第 t+1 次 循 环 后 城 市 i 到 城市j上的信息素含量
信息素残留系数=1-信息素挥发因子
ij (t 1) (1 ) ij (t) ij , (0 1)
2.2 蚁 群 算 法 的 特 点
1.自组织的算法
自组织:组织力或组织指令是来自于系 统的内部。 在抽象意义上讲,自组织就是在没有外 界作用下使得系统嫡减小的过程(即是 系统从无序到有序的变化过程)。
蚂蚁王国
伊氏臭蚁 生活习性:性喜在树皮下及树木的腐朽部分等营巢。
黑蚁(狂蚁、家褐蚁) 分布:台湾,世界性分布。 生活习性:室外筑巢于树洞或 腐木中,或在各种物体着地的缝隙内,也可在建筑物内营 巢。巢穴中、大型。工蚁爬行很快,且能跳跃。嗅觉敏锐, 能迅速寻找到食物。喜食甜食及肉类,还取食昆虫、种子、 蜜露、果实渗出物。常侵入室内窃取食物。
一个大的蚁巢就像一个王宫,而王宫的主人就是蚁 后。蚁后像一部巨大的产卵机,每隔几秒钟就产一 个卵,它每天产3万个卵。这些卵在一个月后,就 会发育成小白蚁。每天蚁后都会为整个蚁群输送上 万个生力军,因此,如果不能够消灭蚁后,任何杀 灭方法都是没有用的。但是,想找到它们的巢穴不 是一件容易的事。 白蚁的蚁巢具有很强的隐蔽性,有些蚁巢筑在地下, 有些蚁巢筑在钢筋混凝土墙里面,有些蚁巢筑在离 它被害的物体几十米外的一些物体里面,白蚁巢是 非常隐蔽的。 蚁巢的分群孔,在每年4到6月份的繁殖季节里,白 蚁巢里会有上万只具有繁殖能力的白蚁飞离蚁巢, 这些繁殖蚁会在蚁巢附近开一个很小的出口,发现 了分群孔就说明蚁巢已经不远了。
• 蚂蚁的天敌有哪些?
食蚁兽
热带雨林中虽然有着极其丰富的动植物,但白蚁和蚂蚁却占整个 生物量的30%,算得上是一个庞大的蛋白库。食蚁兽本身行动缓 慢,呆头呆脑,要想捕食别的动物实在太困难了,然而,热带雨 林中的蚁穴像坟堆一样到处都是,只要想吃,随时可以开怀畅食。 不过吃蚂蚁也要有吃蚂蚁的本事。第一要挖得出,蚁穴坚硬而复 杂,蚂蚁又与泥土混杂在一起;第二要吃得快,否则,这么小的 东西,吃到猴年马月才能填饱肚子啊。食蚁兽就有这种本事,因 为它的前肢长着锋利的爪,可以毫不费力地劈开蚁穴,犹如一个 练过功夫的武林高手;还有它的喙,长而稍弯,在蚁穴中进退自 如;再有是它的嘴,嘴中无齿,长长的舌头极其灵活而且布满黏 液,能很方便地把蚂蚁粘住。食蚁兽的这些身体结构,完美得就 像上帝特意安排它来吃世上的蚁类,真叫人叹为观止。 食蚁兽共有4种,其中最大的大食蚁兽为陆栖。其余的为树栖,大 食蚁兽栖于有沼泽的林区内,体重可达40千克,昼伏夜出,喜欢 挖蚁巢中的蚁类吃;而树栖的中小型食蚁兽会在树冠层中搜寻隐 藏茌枯树皮下的白蚁和蚂蚁。这样的话,在雨林里,从树上到地 下,都有消灭白蚁和蚂蚁的食蚁兽存在,也算是对雨林环境保护
蚁群算法(C语言实现)
蚁群算法(C语⾔实现)蚁群算法(ant colony optimization, ACO),⼜称蚂蚁算法,是⼀种⽤来在图中寻找优化路径的机率型算法。
它由Marco Dorigo于1992年在他的中提出,其灵感来源于蚂蚁在寻找⾷物过程中发现路径的⾏为。
蚁群算法是⼀种模拟进化算法,初步的研究表明该算法具有许多优良的性质.针对参数优化设计问题,将蚁群算法设计的结果与遗传算法设计的结果进⾏了⽐较,数值仿真结果表明,蚁群算法具有⼀种新的模拟进化优化⽅法的有效性和应⽤价值。
预期的结果: 各个蚂蚁在没有事先告诉他们⾷物在什么地⽅的前提下开始寻找⾷物。
当⼀只找到⾷物以后,它会向⼀种信息素,吸引其他的蚂蚁过来,这样越来越多的蚂蚁会找到⾷物!有些蚂蚁并没有象其它蚂蚁⼀样总重复同样的路,他们会另辟蹊径,如果令开辟的道路⽐原来的其他道路更短,那么,渐渐,更多的蚂蚁被吸引到这条较短的路上来。
最后,经过⼀段时间运⾏,可能会出现⼀条最短的路径被⼤多数蚂蚁重复着。
原理: 为什么⼩⼩的蚂蚁能够找到⾷物?他们具有智能么?设想,如果我们要为蚂蚁设计⼀个⼈⼯智能的程序,那么这个程序要多么复杂呢?⾸先,你要让蚂蚁能够避开障碍物,就必须根据适当的地形给它编进指令让他们能够巧妙的避开障碍物,其次,要让蚂蚁找到⾷物,就需要让他们遍历空间上的所有点;再次,如果要让蚂蚁找到最短的路径,那么需要计算所有可能的路径并且⽐较它们的⼤⼩,⽽且更重要的是,你要⼩⼼翼翼的编程,因为程序的错误也许会让你前功尽弃。
这是多么不可思议的程序!太复杂了,恐怕没⼈能够完成这样繁琐冗余的程序。
然⽽,事实并没有你想得那么复杂,上⾯这个程序每个蚂蚁的核⼼程序编码不过100多⾏!为什么这么简单的程序会让蚂蚁⼲这样复杂的事情?答案是:简单规则的涌现。
事实上,每只蚂蚁并不是像我们想象的需要知道整个世界的信息,他们其实只关⼼很⼩范围内的眼前信息,⽽且根据这些局部信息利⽤⼏条简单的规则进⾏决策,这样,在蚁群这个集体⾥,复杂性的⾏为就会凸现出来。
蚁群算法原理介绍
缺点分析
01
易陷入局部最优解
在某些情况下,蚁群算法可能会 陷入局部最优解,导致无法找到
全局最优解。
03
计算量大
蚁群算法需要大量的计算资源, 对于大规模问题可能会变得低效
。
02
参数设置困难
蚁群算法的参数选择对结果影响 较大,参数设置不当可能导致算
法性能下降。
04
适用性问题
蚁群算法适用于连续、离散、静 态或动态优化问题,但对于某些 特定问题可能不是最优选择。
06 蚁群算法的应用实例
TSP问题求解
总结词
蚁群算法在TSP问题求解中表现出色,能够 找到接近最优解的路径。
详细描述
TSP问题是一个经典的组合优化问题,旨在 寻找一条旅行路线,使得一组城市被访问且 仅被访问一次,最后返回到起始城市,且总 旅行距离最短。蚁群算法通过模拟蚂蚁觅食 行为,利用信息素传递机制,在解空间中搜 索最优解。通过不断迭代更新,蚁群算法能 够找到接近最优解的路径。
蚁群算法原理介绍
目 录
• 蚁群算法概述 • 蚁群算法的基本原理 • 蚁群算法的实现过程 • 蚁群算法的优化策略 • 蚁群算法的优缺点分析 • 蚁群算法的应用实例
01 蚁群算法概述
定义与特点
定义
蚁群算法是一种模拟自然界中蚂 蚁觅食行为的优化算法,通过模 拟蚂蚁的信息素传递过程来寻找 最优解。
特点
环境中的一些特征也会被蚂蚁利用, 如地形的高低、障碍物的分布等,这 些特征会影响蚂蚁的移动路径和信息 素挥发。
03 蚁群算法的实现过程初始阶段参数设定在蚁群算法的初始化阶段,需要设定一些基本参数,如蚂蚁数量、信息素挥发 速度、信息素初始值等。这些参数对算法的性能和结果有着重要影响。
蚁群算法.
论文实例
基本蚁群算法的缺点
在TPS问题中 • 如果参数设置不当,导致求解速度慢且解质量差 • 基本蚁群算法计算量大,求解时间较长 • 基本蚁群算法收敛速度慢,易陷入局部最优,蚁群 算法中初始信息素匮乏
应用范围
• • • • • • • • • 作业调度JSP 网络路由 Antnet 车辆路径VRP 电力系统 图着色问题GCP 机器人领域 生命科学 空战决策 聚类分析
蚁群算法的优点
• 蚁群算法和其他启发式算法相比,在求解性能上具 有很强的鲁棒性,和搜索较好解的能力 • 蚁群算法是基于种群的进化算法,具有本质并行性, 易于并行实现 • 蚁群算法可以用来解决一些尚未找到有效算法的问 题,而且蚁群算法还是元启发式算法 (Metaheuristic),是一种算法框架,可以在其基 本思想上针对不同问题做改进从而应用到不同问题 上去。 • 蚁群算法可以和其它近似算法相比较,而这些算法 本身也根据问题的不同有较大的改进弹性
电力系统领域
• 电力系统的许多优化问题本质上是属于组合优化问题。 Gomez等人将蚁群算法应用于配电网络的规划。王林川等人 将一种改进蚁群算法应用于配电网故障的定位。王海燕等人 将蚁群算法应用于电力系统暂态稳定评估特征选择,减少了 特征维数,提高了分类正确率。电力系统的这些组合优化问 题的有效解决将为电力企业节省大量的资金,因此在电力系 统的应用具有很大的实际价值。
m bi (t ) ——t时刻位于城市i的蚂蚁的个数,
m ——蚁群中蚂蚁数量
b (t )
i
n
• 初始时刻,各条路径上的信息素量相 式中,α为信息启发式因子,表示归集的 等,设 ij (0) C (C为常数),蚂蚁 相对重要性,反映了蚂蚁在运动过程中所 积累信息在蚂蚁运动时所起的作用,其值 k(k=1,2,…,m)在运动过程中根据各 越大,则该蚂蚁越倾向于其他蚂蚁经过的 路径,蚂蚁之间协作性越强;β为期望启 条路径信息素决定转移方向。蚂蚁系 发式因子,表示能见度的相对重要性,反 映了蚂蚁在运动过程中启发信息在蚂蚁选 统所使用的状态转移规则称为随机比 择路径中的重要程度,其值越大,则该状 态转移概率越接近于贪心规则。 例规则,它给出了位于城市i的蚂蚁k 选择移动到城市j的概率。在t时刻,蚂 k P 蚁k在城市i选择城市j的转移概率 ij (t )
了不起的行军蚁
了不起的行军蚁作者:门秋雷来源:《大自然探索》2022年第04期你是否曾停下脚步,观察穿梭于石缝间或草丛间的那些行色匆匆的蚂蚁?作为一类具有高度社会性的昆虫,蚂蚁分工协作,各司其职,高效地完成筑巢、觅食、清洁和饲喂后代的工作。
全世界已经记载的蚂蚁有1万多种,在我国分布着600多种蚂蚁,其中比较常见的有掘穴蚁、黄猄蚁和黑褐举腹蚁等。
在世界各地的雨林中,有一类非常奇特的蚂蚁把团结协作的能力发挥到了极致:它们往往倾巢出动,围猎比自身大许多倍的猎物;它们利用自己的身体建造形态各异的“建筑”……这种奇特的蚂蚁就是行军蚁。
行军蚁是一类蚂蚁的统称,大约有400种,主要包括生活于南美洲的行军蚁亚科、生活于非洲的矛蚁亚科以及生活于东南亚的双节行军蚁亚科。
在过去的17年里,美国昆虫学家丹尼尔一直致力于对行军蚁的研究。
行军蚁超强的适应能力深深地吸引着他。
尽管每次他的研究小组会花上数周的时间跟踪蚁群,时常忍受行军蚁的叮咬,但他们仍然乐此不疲。
行军蚁的集体狩猎可能是自然界最壮观的景象之一。
丹尼尔的团队在哥斯达黎加、肯尼亚和委内瑞拉的雨林中考察时,多次看到地面突然像被施了魔法一般活动起来。
这些“活动的地面”有近20米宽,那是如洪流般涌动的行军蚁大军。
它们前赴后继地穿过落叶层,爬上植被,寻找一切适口的猎物。
在这些“小战士”中,只要有一个遇到了合适的猎物(也许是一只螽斯或一条蚯蚓),它马上会发出一种化学信号来召集其他的同伴。
之后,它们便以超乎寻常的速度迅速集结,将猎物控制住,并分割成适合搬运的小块。
据统计,在一天中,一股行军蚁大军能够捕食数以万计的节肢动物和其他无脊椎动物。
行军蚁蚁群在进攻的时候会分成几小股部队,在战斗结束后它们会带着满满的战利品重新汇聚成一股。
在行军蚁大军的另一头,会不断有新的战士加入战斗。
这些行军蚁行动的轨迹如高速公路般在雨林中蜿蜒,轨迹宽度甚至超过100米,根据这些轨迹你就可以想象行军蚁袭击猎物的盛况。
行军蚁是地球上个体数量最多的动物类群,一些生活在非洲的蚁群可以达到2000万只个体。
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#include<iostream>#include<math.h>#include<time.h>using namespace std;//该程序是以蚁群系统为模型写的蚁群算法程序(强调:非蚂蚁周模型),以三个著名的TSP 问题为测试对象//通过微调参数,都可以获得较好的解/*//----------(1)问题一:Oliver 30 城市TSP 问题best_length = 423.7406;------------------------//该程序最好的结果是423.741,可运行多次获得//城市节点数目#define N 30//城市坐标double C[N][2]={{2,99},{4,50},{7,64},{13,40},{18,54},{18,40},{22,60},{24,42},{25,62 },{25,38},{37,84},{41,94},{41,26},{44,35},{45,21},{54,67},{54,62},{58,35},{5 8,69},{62,32},{64,60},{68,58},{71,44},{71,71},{74,78},{82,7},{83,46},{83,69},{87, 76},{91,38}};//----------上面参数是固定的,下面的参数是可变的-----------//蚂蚁数量#define M 30//最大循环次数NcMaxint NcMax = 500;//信息启发因子,期望启发式因子,全局信息素挥发参数,局部信息素挥发参数, 状态转移公式中的q0double alpha = 2, beta = 3, rou = 0.1, alpha1 = 0.1, qzero = 0.01;//-----------问题一结束------------------------------------------------------------------------*//*//----------(2)问题二:Elion50 城市TSP 问题best_length = 427.96;----------------------------//该程序最好的结果是428.468,可运行多次获得//城市节点数目#define N 50//城市坐标double C[N][2]={{5,64}, {5,25}, {5,6}, {7,38}, {8,52}, {10,17},{12,42}, {13,13}, {16,57}, {17,33}, {17,63},{20,26}, {21,47}, {21,10}, {25,32}, {25,55},{27,68}, {27,23}, {30,48}, {30,15}, {31,62},{31,32}, {32,22}, {32,39}, {36,16}, {37,69},{37,52}, {38,46}, {39,10}, {40,30}, {42,57},{42,41}, {43,67}, {45,35}, {46,10}, {48,28},{49,49}, {51,21}, {52,33}, {52,41}, {52,64},{56,37}, {57,58}, {58,27}, {58,48}, {59,15},{61,33}, {62,42}, {62,63}, {63,69}};//----------上面参数是固定的,下面的参数是可变的-----------//蚂蚁数量#define M 50//最大循环次数NcMaxint NcMax = 1000;//信息启发因子,期望启发式因子,全局信息素挥发参数,局部信息素挥发参数, 状态转移公式中的q0double alpha = 2, beta = 4, rou = 0.1, alpha1 = 0.1, qzero = 0.01;//-----------问题二结束------------------------------------------------------------------------*///----------(3)问题三:Elion75 城市TSP 问题best_length = 542.31;//该程序最好的结果是542.309,可运行多次获得//城市节点数目#define N 75//城市坐标double C[N][2]={{6,25}, {7,43}, {9,56}, {10,70}, {11,28},{12,17}, {12,38}, {15,5}, {15,14}, {15,56},{16,19}, {17,64}, {20,30}, {21,48}, {21,45},{21,36}, {22,53}, {22,22}, {26,29}, {26,13},{26,59}, {27,24}, {29,39}, {30,50}, {30,20},{30,60}, {31,76}, {33,34}, {33,44}, {35,51},{35,16}, {35,60}, {36,6}, {36,26}, {38,33},{40,37}, {40,66}, {40,60}, {40,20}, {41,46},{43,26}, {44,13}, {45,42}, {45,35}, {47,66},{48,21}, {50,30}, {50,40}, {50,50}, {50,70},{50,4}, {50,15}, {51,42}, {52,26}, {54,38},{54,10}, {55,34}, {55,45}, {55,50}, {55,65},{55,57}, {55,20}, {57,72}, {59,5}, {60,15},{62,57}, {62,48}, {62,35}, {62,24}, {64,4},{65,27}, {66,14}, {66,8}, {67,41}, {70,64}};//----------上面参数是固定的,下面的参数是可变的-----------//蚂蚁数量#define M 75//最大循环次数NcMaxint NcMax =1000;//信息启发因子,期望启发式因子,全局信息素挥发参数,局部信息素挥发参数, 状态转移公式中的q0double alpha = 2, beta = 5, rou = 0.1, alpha1 = 0.1, qzero = 0.1;//-----------问题三结束------------------------------------------------------------------------//=============================================== ================================================ ============//局部更新时候使用的的常量,它是由最近邻方法得到的一个长度//什么是最近邻方法?:)就是从源节点出发,每次选择一个距离最短的点来遍历所有的节点得到的路径//每个节点都可能作为源节点来遍历double Lnn;//矩阵表示两两城市之间的距离double allDistance[N][N];//计算两个城市之间的距离double calculateDistance(int i, int j){return sqrt(pow((C[i][0]-C[j][0]),2.0) + pow((C[i][1]-C[j][1]),2.0)); }//由矩阵表示两两城市之间的距离void calculateAllDistance(){for(int i = 0; i < N; i++){for(int j = 0; j < N; j++){if (i != j){allDistance[i][j] = calculateDistance(i, j);allDistance[j][i] = allDistance[i][j];}}}}//获得经过n个城市的路径长度double calculateSumOfDistance(int* tour){double sum = 0;for(int i = 0; i< N ;i++){int row = *(tour + 2 * i);int col = *(tour + 2* i + 1);sum += allDistance[row][col];}return sum;}class ACSAnt;class AntColonySystem{private:double info[N][N], visible[N][N];//节点之间的信息素强度,节点之间的能见度public:AntColonySystem(){}//计算当前节点到下一节点转移的概率double Transition(int i, int j);//局部更新规则void UpdateLocalPathRule(int i, int j);//初始化void InitParameter(double value);//全局信息素更新void UpdateGlobalPathRule(int* bestTour, int globalBestLength);};//计算当前节点到下一节点转移的概率double AntColonySystem::Transition(int i, int j){if (i != j){return (pow(info[i][j],alpha) * pow(visible[i][j], beta));}else{return 0.0;}}//局部更新规则void AntColonySystem::UpdateLocalPathRule(int i, int j){info[i][j] = (1.0 - alpha1) * info[i][j] + alpha1 * (1.0 / (N * Lnn)); info[j][i] = info[i][j];}//初始化void AntColonySystem::InitParameter(double value){//初始化路径上的信息素强度tao0for(int i = 0; i < N; i++){for(int j = 0; j < N; j++){info[i][j] = value;info[j][i] = value;if (i != j){visible[i][j] = 1.0 / allDistance[i][j];visible[j][i] = visible[i][j];}}}}//全局信息素更新void AntColonySystem::UpdateGlobalPathRule(int* bestTour, int globalBestLength){for(int i = 0; i < N; i++){int row = *(bestTour + 2 * i);int col = *(bestTour + 2* i + 1);info[row][col] = (1.0 - rou) * info[row][col] + rou * (1.0 / globalBestLength);info[col][row] =info[row][col];}}class ACSAnt{private:AntColonySystem* antColony;protected:int startCity, cururentCity;//初始城市编号,当前城市编号int allowed[N];//禁忌表int Tour[N][2];//当前路径int currentTourIndex;//当前路径索引,从0开始,存储蚂蚁经过城市的编号public:ACSAnt(AntColonySystem* acs, int start){antColony = acs;startCity = start;}//开始搜索int* Search();//选择下一节点int Choose();//移动到下一节点void MoveToNextCity(int nextCity);};//开始搜索int* ACSAnt::Search(){cururentCity = startCity;int toCity;currentTourIndex = 0;for(int i = 0; i < N; i++){allowed[i] = 1;}allowed[cururentCity] = 0;int endCity;int count = 0;do{count++;endCity = cururentCity;toCity = Choose();if (toCity >= 0){MoveToNextCity(toCity);antColony->UpdateLocalPathRule(endCity, toCity);cururentCity = toCity;}}while(toCity >= 0);MoveToNextCity(startCity);antColony->UpdateLocalPathRule(endCity, startCity);return *Tour;}//选择下一节点int ACSAnt::Choose(){int nextCity = -1;double q = rand()/(double)RAND_MAX;//如果q <= q0,按先验知识,否则则按概率转移,if (q <= qzero){double probability = -1.0;//转移到下一节点的概率for(int i = 0; i < N; i++){//去掉禁忌表中已走过的节点,从剩下节点中选择最大概率的可行节点if (1 == allowed[i]){double prob = antColony->Transition(cururentCity, i);if (prob > probability){nextCity = i;probability = prob;}}}}else{//按概率转移double p = rand()/(double)RAND_MAX;//生成一个随机数,用来判断落在哪个区间段double sum = 0.0;double probability = 0.0;//概率的区间点,p 落在哪个区间段,则该点是转移的方向//计算概率公式的分母的值for(int i = 0; i < N; i++){if (1 == allowed[i]){sum += antColony->Transition(cururentCity, i);}}for(int j = 0; j < N; j++){if (1 == allowed[j] && sum > 0){probability += antColony->Transition(cururentCity, j)/sum;if (probability >= p || (p > 0.9999 && probability > 0.9999)){nextCity = j;break;}}}}return nextCity;}//移动到下一节点void ACSAnt::MoveToNextCity(int nextCity){allowed[nextCity]=0;Tour[currentTourIndex][0] = cururentCity;Tour[currentTourIndex][1] = nextCity;currentTourIndex++;cururentCity = nextCity;}//------------------------------------------//选择下一个节点,配合下面的函数来计算的长度int ChooseNextNode(int currentNode, int visitedNode[]) {int nextNode = -1;double shortDistance = 0.0;for(int i = 0; i < N; i++){//去掉已走过的节点,从剩下节点中选择距离最近的节点if (1 == visitedNode[i]){if (shortDistance == 0.0){shortDistance = allDistance[currentNode][i];nextNode = i;}if(shortDistance < allDistance[currentNode][i]){nextNode = i;}}}return nextNode;}//给一个节点由最近邻距离方法计算长度double CalAdjacentDistance(int node){double sum = 0.0;int visitedNode[N];for(int j = 0; j < N; j++){visitedNode[j] = 1;}visitedNode[node] = 0;int currentNode = node;int nextNode;do{nextNode = ChooseNextNode(currentNode, visitedNode);if (nextNode >= 0){sum += allDistance[currentNode][nextNode];currentNode= nextNode;visitedNode[currentNode] = 0;}}while(nextNode >= 0);sum += allDistance[currentNode][node];return sum;}//---------------------------------结束--------------------------------------------- //--------------------------主函数-------------------------------------------------- int main(){time_t timer,timerl;time(&timer);unsigned long seed = timer;seed %= 56000;srand((unsigned int)seed);//由矩阵表示两两城市之间的距离calculateAllDistance();//蚁群系统对象AntColonySystem* acs = new AntColonySystem();ACSAnt* ants[M];//蚂蚁均匀分布在城市上for(int k = 0; k < M; k++){ants[k] = new ACSAnt(acs, (int)(k%N));}calculateAllDistance();//随机选择一个节点计算由最近邻方法得到的一个长度int node = rand() % N;Lnn = CalAdjacentDistance(node);//各条路径上初始化的信息素强度double initInfo = 1 / (N * Lnn);acs->InitParameter(initInfo);//全局最优路径int globalTour[N][2];//全局最优长度double globalBestLength = 0.0;for(int i = 0; i < NcMax; i++){//局部最优路径int localTour[N][2];//局部最优长度double localBestLength = 0.0;//当前路径长度double tourLength;for(int j = 0; j < M; j++){int* tourPath = ants[j]->Search();tourLength = calculateSumOfDistance(tourPath);//局部比较,并记录路径和长度if(tourLength < localBestLength || abs(localBestLength - 0.0) <0.000001){for(int m = 0; m< N; m++){int row = *(tourPath + 2 * m);int col = *(tourPath + 2* m + 1);localTour[m][0] = row;localTour[m][1] = col;}localBestLength = tourLength;}}//全局比较,并记录路径和长度if(localBestLength < globalBestLength || abs(globalBestLength - 0.0) < 0.000001){for(int m = 0; m< N; m++){globalTour[m][0] = localTour[m][0];globalTour[m][1] = localTour[m][1];}globalBestLength = localBestLength;}acs->UpdateGlobalPathRule(*globalTour, globalBestLength);//输出所有蚂蚁循环一次后的迭代最优路径cout<<"第"<<i + 1<<" 迭代最优路径:"<<localBestLength<<"."<<endl;for(int m = 0; m< N; m++){cout<<localTour[m][0]<<".";}cout<<endl;}//输出全局最优路径cout<<"全局最优路径长度:"<<globalBestLength<<endl; cout<<"全局最优路径:";for(int m = 0; m< N; m++){cout<<globalTour[m][0]<<".";}cout<<endl;time(&timerl);int t = timerl - timer;return 0;}。