人工智能原理 局部搜索与群体智能 4-2-1 局部搜索算法

Local Search Algorithms

Contents

?4.2.1. Hill-Climbing Search ?4.2.2. Local Beam Search ?4.2.3. Tabu Search

Hill-Climbing 爬山法

?A mathematical optimization technique which belongs to the family of local search.

是一种属于局部搜索家族的数学优化方法。

?It is an iterative algorithm:

?starts with an arbitrary solution to a problem,

?then incrementally change a single element of the solution,

?if it’s a better solution, the change is made to the new solution,

?repeating until no further improvements can be found.

是一种迭代算法:开始时选择问题的一个任意解,然后递增地修改该解的一个元素,若得到一个更好的解,则将该修改作为新的解;重复直到无法找到进一步的改善。

?Most basic local search algorithm without maintaining a search tree.

大多数基本的局部搜索算法都不保持一棵搜索树。

State-Space Landscape 状态空间地形图?It can be explored by one of local

search algorithms.

可通过局部搜索算法对其进行搜索。

?A complete local search algorithm always finds a goal if one exists.

一个完备的局部搜索算法总能找到一个存

在的目标。

?an optimal local search algorithm

always finds a global minimum or

maximum.

一个最优的局部搜索算法总能找到一个全

局的最小或最大值。

function H ILL-C LIMBING(problem)returns a state that is a local maximum persistent:current, a node

neighbor, a node

current← M AKE-N ODE(problem.I NITIAL-S TATE)

loop do

neighbor←a successor of current

if neighbor.V ALUE≤ current.V ALUE then return current.S TATE

current←neighbor

Steepest-ascent version: at each step, current node is replaced by the best neighbor (the neighbor with highest value), else it reaches a “peak”.

最陡爬坡版:当前节点每一步都用最佳邻接点(具有最高值的邻接点)替换,否则到达一个“峰值”。

?Hill-Climbing search algorithm is the most basic local search technique.

爬山搜索算法是最基本的局部搜索方法。

?It often makes rapid progress toward a solution, because it is usually quite easy to improve a bad state.

它常常会朝着一个解快速地进展,因为通常很容易改善一个不良状态。

?It is sometimes called greedy local search, because it grabs a good neighbor state without thinking ahead about where to go next.

它往往被称为贪婪局部搜索,因为它只顾抓住一个好的邻接点的状态,而不提前思考下一步该

去哪儿。

?Although greed is considered one of the“seven deadly sins”, it turns out that greedy algorithms often perform quite well.

尽管贪婪被认为是“七宗罪”之一,但是贪婪算法往往表现的相当好。

?To illustrate hill climbing, we will use the n -queens problem. Local search typically use a complete-state formulation .

为了举例说明爬山法,我们将选用n 皇后问题。局部搜索通常采用完整状态形式化。

?Put all n queens on an n x n board. Each time move a queen to reduce number of

conflicts, to be with no two queens on the same row, column, or diagonal.

把n 个皇后放在n x n 的棋盘上。每次移动一个皇后来减少冲突数量,使得没有两个皇后在同一行、同一列、或同一对角线上。

Example : n -queens problems n 皇后问题

(a) h = 5

(b) h = 2(c) h = 0

Weaknesses of Hill-Climbing 爬山法的弱点?It often gets stuck for the three reasons:

它在如下三种情况下经常被困:

?Local maxima 局部最大值

higher than its neighbors but lower than global

maximum.

高于相邻节点但低于全局最大值。

?Plateaux高原

can be a flat local maximum, or a shoulder.

可能是一个平坦的局部最大值,或山肩。

?Ridges 山岭

result in a sequence of local maxima that is very

difficult to navigate.

结果是一系列局部最大值,非常难爬行。

?Stochastic hill-climbing 随机爬山法

?It chooses at random among uphill moves; the probability of selection can vary

with the steepness of uphill move.

?This usually converges more slowly than steepest ascent.

在向上移动的过程中随机选择;选择的概率随向上移动的斜度而变化。与最陡爬坡相比,收敛速度通常较慢。

?First-choice hill-climbing 首选爬山法

?It implements stochastic hill climbing by generating successors randomly until

one is generated that is better than the current state.

?This is a good strategy when a state has many of successors.

它通过随机生成后继点来实现随机爬山法,直到生成一个比当前状态好的点。当某个状态有许多后继时,用此策略为好。

?Random-restart hill-climbing 随机重启爬山法

?It conducts a series of hill-climbing searches from randomly generated initial

states, until a goal is found.

?It is trivially complete with probability approaching 1, because it will eventually

generate a goal state as the initial state.

?If each hill-climbing search has a probability p of success, then the expected

number of restarts required is 1/p.

它好于其它爬山搜索方法,从随机生成的初始状态直到找到目标。它十分完备,概率逼近1,因为最终它将生成一个目标状态作为初始状态。如果每次爬山搜索成功的概率为p,则重启需要的期望值是1/p。

It adopts the well-known adage:“If at first you don’t succeed, try, try again.”

蚁群算法(C++版)

// AO.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。 #pragma once #include #include #include const double ALPHA=1.0; //启发因子,信息素的重要程度 const double BETA=2.0; //期望因子,城市间距离的重要程度 const double ROU=0.5; //信息素残留参数 const int N_ANT_COUNT=34; //蚂蚁数量 const int N_IT_COUNT=1000; //迭代次数 const int N_CITY_COUNT=51; //城市数量 const double DBQ=100.0; //总的信息素 const double DB_MAX=10e9; //一个标志数,10的9次方 double g_Trial[N_CITY_COUNT][N_CITY_COUNT]; //两两城市间信息素,就是环境信息素 double g_Distance[N_CITY_COUNT][N_CITY_COUNT]; //两两城市间距离 //eil51.tsp城市坐标数据 double x_Ary[N_CITY_COUNT]= { 37,49,52,20,40,21,17,31,52,51, 42,31,5,12,36,52,27,17,13,57,

62,42,16,8,7,27,30,43,58,58, 37,38,46,61,62,63,32,45,59,5, 10,21,5,30,39,32,25,25,48,56, 30 }; double y_Ary[N_CITY_COUNT]= { 52,49,64,26,30,47,63,62,33,21, 41,32,25,42,16,41,23,33,13,58, 42,57,57,52,38,68,48,67,48,27, 69,46,10,33,63,69,22,35,15,6, 17,10,64,15,10,39,32,55,28,37, 40 }; //返回指定范围内的随机整数 int rnd(int nLow,int nUpper) { return nLow+(nUpper-nLow)*rand()/(RAND_MAX+1); } //返回指定范围内的随机浮点数 double rnd(double dbLow,double dbUpper) { double dbTemp=rand()/((double)RAND_MAX+1.0); return dbLow+dbTemp*(dbUpper-dbLow); }

人工智能算法综述

人工智能算法综述 人工智能算法大概包括五大搜索技术,包括一些早期的搜索技术或用于解决比较简单问题的搜索原理和一些比较新的能够求解比较复杂问题的搜索原理,如遗传算法和模拟退火算法等。 1、盲目搜索 盲目搜索又叫做无信息搜索,一般只适用于求解比较简单的问题。包括图搜索策略,宽度优先搜索和深度优先搜素。 1、图搜索(GRAPH SERCH)策略是一种在图中寻找路径的方法。在有关图的表示方法中,节点对应于状态,而连线对应于操作符。 2、如果搜素是以接近其实节点的程度依次扩展节点的,那么这种搜素就叫做宽度优先搜素(breadth-first search 。 3、深度优先搜索属于图算法的一种,英文缩写为DFS即Depth First Search.其过程简要来说是对每一个可能的分支路径深入到不能再深入为止,而且每个节点只能访问一次。 二、启发式搜索 盲目搜索的不足之处是效率低,耗费过多的时间和空间。启发信息是进行搜索技术所需要的一些有关具体问题的特性的信息。利用启发信息的搜索方法叫做启发式搜索方法。 启发式搜索就是在状态空间中的搜索对每一个搜索的位置进行评估,得到最好的位置,再从这个位置进行搜索直到目标。这样可以省略大量无谓的搜索路径,提高了效率。在启发式搜索中,对位置的估价是十分重要的。采用了不同的估价可以有不同的效果。 3、博弈树搜索 诸如下棋、打牌、竞技、战争等一类竞争性智能活动称为博弈。博弈有很多种,我们讨论最简单的"二人零和、全信息、非偶然"博弈,其特征如下: (1 对垒的MAX、MIN双方轮流采取行动,博弈的结果只有三种情况:MAX方胜,MIN方败;MIN方胜,MAX方败;和局。 (2 在对垒过程中,任何一方都了解当前的格局及过去的历史。

4蚁群算法的基本思想

蚁群算法的基本思想 一、引言 蚁群算法(Ant Colony Optimization, ACO),是一种用来在图中寻找优 化路径的算法。它由Marco Dorigo于1992年在他的博士论文中提出,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。 蚁群算法成功解决了旅行商问题(Traveling Salesman Problem, TSP):一个商人要到若干城市推销物品,从一个城市出发要到达其他各城市一次而且 最多一次最后又回到第一个城市。寻找一条最短路径,使他从起点的城市到达 所有城市一遍,最后回到起点的总路程最短。若把每个城市看成是图上的节点,那么旅行商问题就是在N个节点的完全图上寻找一条花费最少的回路。 二、基本蚁群算法 (一)算法思想 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,它会向环境释放一种信息素,信息素多的地方显然经过这 里的蚂蚁会多,因而会有更多的蚂蚁聚集过来。假设有两条路从窝通向食物, 开始的时候,走这两条路的蚂蚁数量同样多(或者较长的路上蚂蚁多,这也无 关紧要)。当蚂蚁沿着一条路到达终点以后会马上返回来,这样,短的路蚂蚁 来回一次的时间就短,这也意味着重复的频率就快,因而在单位时间里走过的 蚂蚁数目就多,洒下的信息素自然也会多,自然会有更多的蚂蚁被吸引过来, 从而洒下更多的信息素。因此,越来越多地蚂蚁聚集到较短的路径上来,最短 的路径就找到了。 蚁群算法的基本思想如下图表示:

(二)算法描述 基本蚁群算法的算法简单描述如下: 1.所有蚂蚁遇到障碍物时按照等概率选择路径,并留下信息素; 2.随着时间的推移,较短路径的信息素浓度升高; 3.蚂蚁再次遇到障碍物时,会选 择信息素浓度高的路径; 4.较短路径的信息素浓度继续升高,最终最优路径 被选择出来。 三、随机蚁群算法 在基本蚁群算法中,蚂蚁会在多条可选择的路径中,自动选择出最短的一 条路径。但是,一旦蚁群选择了一条比之前短的路径,就会认为这条路径是最 好的,在这条路径上一直走下去。这样的算法存在问题:蚂蚁可能只是找到了 局部的最短路径,而忽略了全局最优解。 因此,在基本蚁群算法的基础上,需要对蚂蚁选路的方案加以改善: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,也就是它会按 照一定的概率不往信息素高的地方。如果令开辟的道路比原来的其他道路更短,

基于正交方法求解连续优化问题的蚁群搜索算法

基于正交方法求解连续优化问题的蚁群搜索算法 【研究背景和意义】 目前,以蚁群算法为代表的群体智能算法得到越来越多的重视。原因是其以生物的群体行为为研究对象,通过系统仿真,设计出求解各种问题的优化算法。这些算法无论在速度和灵活性上都比传统的确定性算法更适合于求解大规模的优化问题。蚁群算法利用蚂蚁寻找食物时会释放一定量的信息素,而信息素又会随时间蒸发消失的特点,通过设计信息素的释放和蒸发模型,配合启发式信息的使用,使得蚁群算法中的人工蚂蚁通过协作搜索出问题的最优解。 蚁群算法最初由M. Dorigo提出,用于求解旅行商(TSP)问题,后来人们把算法进行扩充和改进,应用到诸如车辆调度、车间调度、路由问题等,并取得很好的计算效果。因此,蚁群算法一直都是用于解决离散组合优化问题的算法。然而,蚁群算法在求解连续优化问题上也具有很好的发展前景,本文就是对蚁群算法求解连续问题的研究成果。 【研究的内容,研究中采取的方法,手段和新的发现】 通过对蚁群算法的研究,本文作者发现,求解连续问题的最大困难在于如何让蚁群中的蚂蚁学到连续空间中的信息,由于不同于TSP问题已经给定有形的路径,连续空间的搜索是无定向的,因此蚂蚁需要高效的方法了解其所处位置周围的状况。 本文提出的正交蚁群搜索方法,首先基于正交试验的方法让蚂蚁快速测试周围正交位置上的优劣程度,根据测试的结果获取当前环境的信息,尝试移动到最优的邻近位置;其次自适应调整测试的邻域的范围,让蚂蚁的搜索更具鲁棒性;最后,通过设计新的信息素释放与蒸发的模式,让蚁群中的蚂蚁以更快的速度交换各自的搜索信息,吸引同伴朝最优的区域探索。 【研究的创新点和主要贡献】 本文与其他学者已经提出的求解连续空间优化问题的蚁群算法的不同之处,在于本文首次提出利用多因素试验中的正交试验法,加强蚂蚁的搜索能力,并提出动态区域的方法,让蚂蚁以更大的自由度试验连续空间中通过正交表产生的测试点。这些思想在同类型的群体智能优化方法中是首创,通过17个连续问题的测试,显示出本文提出的方法既发扬了蚁群的搜索优点,也大大提高了蚁群在连续空间中的搜索能力。 此外,本文提出的正交试验和区域的调整方法是一种基础模型,可以容易地扩充到其他类型优化算法中,为进一步的研究提供良好的借鉴。

人工智能化(A星算法)

A*算法实验报告 实验目的 1.熟悉和掌握启发式搜索的定义、估价函数和算法过程 2. 学会利用A*算法求解N数码难题 3. 理解求解流程和搜索顺序 实验原理 A*算法是一种有序搜索算法,其特点在于对估价函数的定义上。对于一般的有序搜索,总是选择f值最小的节点作为扩展节点。因此,f是根据需要找到一条最小代价路径的观点来估算节点的,所以,可考虑每个节点n的估价函数值为两个分量:从起始节点到节点n的代价以及从节点n到达目标节点的代价。 实验条件 1.Window NT/xp/7及以上的操作系统 2.内存在512M以上 3.CPU在奔腾II以上 实验内容 1.分别以8数码和15数码为例实际求解A*算法 2.画出A*算法求解框图 3.分析估价函数对搜索算法的影响 4.分析A*算法的特点 实验分析 1. A*算法基本步骤 1)生成一个只包含开始节点n0的搜索图G,把n0放在一个叫OPEN的列表上。

2)生成一个列表CLOSED,它的初始值为空。 3)如果OPEN表为空,则失败退出。 4)选择OPEN上的第一个节点,把它从OPEN中移入CLPSED,称该节点为n。 5)如果n是目标节点,顺着G中,从n到n0的指针找到一条路径,获得解决方案,成功退出(该指针定义了一个搜索树,在第7步建立)。 6)扩展节点n,生成其后继结点集M,在G中,n的祖先不能在M中。在G中安置M的成员,使他们成为n的后继。 7)从M的每一个不在G中的成员建立一个指向n的指针(例如,既不在OPEN 中,也不在CLOSED中)。把M1的这些成员加到OPEN中。对M的每一个已在OPEN中或CLOSED中的成员m,如果到目前为止找到的到达m的最好路径通过n,就把它的指针指向n。对已在CLOSED中的M的每一个成员,重定向它在G中的每一个后继,以使它们顺着到目前为止发现的最好路径指向它们的祖先。 8)按递增f*值,重排OPEN(相同最小f*值可根据搜索树中的最深节点来解决)。 9)返回第3步。 在第7步中,如果搜索过程发现一条路径到达一个节点的代价比现存的路径代价低,就要重定向指向该节点的指针。已经在CLOSED中的节点子孙的重定向保存了后面的搜索结果,但是可能需要指数级的计算代价。 实验步骤 算法流程图

局部搜索算法

全局搜索和局部搜索. 目前使用较普遍的、有影响的 全局搜索算法主要包括主从面算法、单曲面算法、级域算法、位码算法及NBS 算法; 局部接触搜索算法主要有基于"点面算法"、基于"小球算法"、基于光滑曲面(曲线)算法三大类. 接触界面算法目前主要有拉格朗日乘子法和罚函数法,以及扰动拉氏法和增广拉氏法. 此外,接触问题的并行计算也是不可忽视的研究内容 模拟退火算法和遗传算法等是较新发展起来的算法,算法引入了随机因素,不一定能找到最优解,但一般能快速找到满意的解。 局部搜索算法是从爬山法改进而来的。 爬山法:在没有任何有关山顶的其他信息的情况下,沿着最陡的山坡向上爬。 局部搜索算法的基本思想:在搜索过程中,始终选择当前点的邻居中与离目标最近者的方向搜索。 现实问题中,f在D上往往有多个局部的极值点。一般的局部搜索算法一旦陷入局部极值点,算法就在该点处结束,这时得到的可能是一个糟糕的结果。解决的方法就是每次并不一定选择邻域内最优的点,而是依据一定的概率,从邻域内选择一个点。指标函数优的点,被选中的概率大,指标函数差的点,被选中的概率小。考虑归一化问题,使得邻域内所有点被选中的概率和为1。 一般的局部搜索算法是否能找到全局最优解,与初始点的位置有很大的依赖关系。解决的方法就是随机生成一些初始点,从每个初始点出发进行搜索,找到各自的最优解。再从这些最优解中选择一个最好的结果作为最终的结果。起始点位置影响搜索结果示意图 爬山算法

1, n := s; 2, LOOP: IF GOAL(n) THEN EXIT(SUCCESS); 3, EXPAND(n) →{mi},计算h(mi), nextn=min{h(mi)} 4, IF h(n)

《人工智能基础》实验报告-实验名称:启发式搜索算法

实验名称:启发式搜索算法 1、实验环境 Visual C++ 6.0 2、实验目的和要求 (复述问题)使用启发式算法求解8数码问题 (1)编制程序实现求解8数码问题A*算法,采用估价函数 f(n)=d(n)+p(n) 其中:d(n)是搜索树中结点n的深度;w(n)为节点n的数据库中错放的旗子个数; p(n)为结点n的数据库中每个棋子与其目标位置之间的距离总和。 (2)分析上述(1)中两种估价函数求解8数码问题的效率差别,给出一个是p(n)的上界h(n)的定义,并测试该估价函数是否使算法失去可采纳性。 实验目的:熟练掌握启发式搜索A*算法及其可采纳性。 3、解题思路、代码 3.1解题思路 八数码问题的求解算法 (1)盲目搜索 宽度优先搜索算法、深度优先搜索算法 (2)启发式搜索 启发式搜索算法的基本思想是:定义一个评价函数f,对当前的搜索状态进行评估,找出一个最有希望的节点来扩展。 先定义下面几个函数的含义: f*(n)=g*(n)+h*(n) (1) 式中g*(n)表示从初始节点s到当前节点n的最短路径的耗散值;h*(n)表示从当前节点n到目标节点g的最短路径的耗散值,f*(n)表示从初始节点s经过n到目标节点g的最短路径的耗散值。 评价函数的形式可定义如(2)式所示: f(n)=g(n)+h(n) (2) 其中n是被评价的当前节点。f(n)、g(n)和h(n)分别表示是对f*(n)、g*(n)和h*(n)3个函数值的估计值。 利用评价函数f(n)=g(n)+h(n)来排列OPEN表节点顺序的图搜索算法称为算法A。在A算法中,如果对所有的x,h(x)<=h*(x) (3)成立,则称好h(x)为h*(x)的下界,它表示某种偏于保守的估计。采用h*(x)的下界h(x)为启发函数的A算法,称为A*算法针对八数码问题启发函数设计如下: F(n)=d(n)+p(n) (4)

局部搜索

一般认为,NP完全问题的算法复杂性是指数级的。当问题规模达到一定程度时,这些算法显得无能为力。 局部搜索算法、模拟退火算法和遗传算法等是较新发展起来的算法,算法引入了随机因素,不一定能找到最优解,但一般能快速找到满意的解。 组合优化问题举例 TSP问题 从某个城市出发,经过n个指定的城市,每个城市只能且必须经过一次,最后回到出发城市,如何安排旅行商的行走路线以使总路程最短? 约束机器排序问题 n个加工量为di(i=1,2,… n)的产品在一台机器上加工,机器在第t个时段的工作能力为ct,完成所有产品加工的最少时段数。 指派问题 一家公司经理准备安排N名员工去完成N项任务,每人一项。由于各员工的特点不同,不同的员工去完成同一项任务时获得的回报是不同的。如何分配工作方案可以获得最大收益? 0-1背包问题 设有一个容积为b的背包,n个体积分别为ai(i=1,2,… n),价值分别为ci (i=1,2,… n)的物品,如何以最大的价值装包? 装箱问题

如何用个数最少的尺寸为1的箱子装进n个尺寸不超过1的物品? SAT问题 称判定一个公式是否存在一个模型的问题为可满足性问题(以后简称为SAT 问题)。如果一个公式存在模型,则称该公式是可满足的,否则称为不可满足的。 皇后问题 在n×n的国际象棋棋盘上,摆放n个皇后,使得n个皇后之间不能相互“捕捉”?局部搜索算法 局部搜索算法是从爬山法改进而来的。 爬山法:在没有任何有关山顶的其他信息的情况下,沿着最陡的山坡向上爬。 局部搜索算法的基本思想:在搜索过程中,始终选择当前点的邻居中与离目标最近者的方向搜索。 爬山算法 1, n := s; 2, LOOP: IF GOAL(n) THEN EXIT(SUCCESS); 3, EXPAND(n) →{mi},计算h(mi), next n=min{h(mi)}

AI人工智能的几种常用算法概念

一、粒子群算法 粒子群算法,也称粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization),缩写为PSO,是近年来发展起来的一种新的进化算法((Evolu2tionary Algorithm - EA)。PSO 算法属于进化算法的一种,和遗传算法相似,它也是从随机解出发,通过迭代寻找最优解,它也是通过适应度来评价解的品质,但它比遗传算法规则更为简单,它没有遗传算法的交叉(Crossover) 和变异(Mutation) 操作,它通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。这种算法以其实现容易、精度高、收敛快等优点引起了学术界的重视,并且在解决实际问题中展示了其优越性。 优化问题是工业设计中经常遇到的问题,许多问题最后都可以归结为优化问题.为了解决各种各样的优化问题,人们提出了许多优化算法,比较著名的有爬山法、遗传算法等.优化问题有两个主要问题:一是要求寻找全局最小点,二是要求有较高的收敛速度.爬山法精度较高,但是易于陷入局部极小.遗传算法属于进化算法(EvolutionaryAlgorithms)的一种,它通过模仿自然界的选择与遗传的机理来寻找最优解.遗传算法有三个基本算子:选择、交叉和变异.但是遗传算法的编程实现比较复杂,首先需要对问题进行编码,找到最优解之后还需要对问题进行解码,另外三个算子的实现也有许多参数,如交叉率和变异率,并且这些参数的选择严重影响解的品质,而目前这些参数的选择大部分是依靠经验.1995年Eberhart博士和kennedy博士提出了一种新的算法;粒子群优化(ParticalSwarmOptimization-PSO)算法.这种算法以其实现容易、精度高、收敛快等优点引起了学术界的重视,并且在解决实际问题中展示了其优越性. 粒子群优化(ParticalSwarmOptimization-PSO)算法是近年来发展起来的一种新的进化算法(Evolu2tionaryAlgorithm-EA).PSO算法属于进化算法的一种,和遗传算法相似,它也是从随机解出发,通过迭代寻找最优解,它也是通过适应度来评价

局部搜索算法源代码

# include # include # include # include using namespace std; #define SAT 3 //每个子句所含变量的个数,即定义N-SAT问题的N int **arr; //描述SAT问题的二维数组 int Var_Num; //变元个数 int Clause_Num; //子句个数 ifstream fin; ofstream fout; void Random(int *v, int *s); int Proper_Num(int *s); void Reverse(int *v,int *s, int num); void Local_Search(double &duration); void Read_And_Save(int it); int main() { srand(time(NULL)); fout.open("result50-Local_Search_Algorithm.txt"); fout << "#姓名学号" << endl; double totaltime = 0.0; for (int i = 1; i <= 10; ++i) { double duration=0.0; Read_And_Save(i); Local_Search(duration); totaltime += duration; } fout.close(); cout<<"平均时间为: "<< totaltime / 10 <<" 秒 "<

人工智能算法在图像处理中的应用

人工智能算法在图像处理中的应用 人工智能算法在图像处理中的应用人工智能算法包括遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法和粒子群算法等,在图像边缘检测、图像分割、图像识别、图像匹配、图像分类等领域有广泛应用。本文首先介绍常用人工智能算法的的原理和特点,然后将其在图像处理方面的应用进行综述,最后对应用前景做出展望。【关键词】人工智能算法图像处理人工智能算法是人类受自然界各种事物规律(如人脑神经元、蚂蚁觅食等)的启发,模仿其工作原理求解某些问题的算法。随着计算机技术的发展,人工智能算法在图像处理方面得到广泛应用。当前流行的人工智能算法包括人工神经网络、遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、粒子群算法等。 1 人工神经网络人工神经网络是一种模拟动物神经网络行为特征,进行分布式并行信息处理的算法数学模型,通过调整内部大量节点之间相互连接的关系,达到处理信息的目的,具有自组织、自学习、自推理和自适应等优点。神经网络可用于图像压缩,将图像输入层和输出层设置较多节点,中间传输层设置较少节点,学习后的网络可以较少的节点表示图像,用于存储和传输环节,节约了存储空间,提高的传输效率,最后在输出层将图像还原。学者Blanz和Gish 提出一个三层的前馈神经网络图像分割模型,Babaguchi提出多层BP网络获取图像的分割阈值,Ghosh使用神经网络

对大噪声的图像进行分割。J.Cao使用PCA神经网络提取图像特征来对图像进行分类,B.Lerner用神经网络对人类染色体图像进行分类。神经网络还可与小波变换相结合(MCNN)对手写体数字进行多分辨率识别。 2 遗传算法遗传算法(Genetic Algorithm,GA)是模拟生物进化论的自然选择和遗传学进化过程的计算模型,是一种通过模拟自然进化过程随机搜索最优解的方法,体现了适者生存、优胜劣汰的进化原则,其主要特点是直接对结构对象进行操作,不存在求导和函数连续性的限定,具有并行性和较强的全局寻优能力。遗传算法把问题的解表示成染色体,求解步骤如下: (1)编码:定义问题的解空间到染色体编码空间的映射,一个候选解(个体)用一串符号表示。(2)初始化种群:在一定的限制条件下初始化种群,该种群是解空间的一个子空间。(3)设计适应度函数:将种群中的每个染色体解码成适于适应度函数的形式,计算其数值。(4)选择:根据适应度大小选择优秀个体繁殖下一代,适应度越高,选择概率越大。(5)交叉:随机选择两个用于繁殖下一代的个体的相同位置,在选中的位置实行交换。(6)变异:对某个串中的基因按突变概率进行翻转。(7)从步骤4开始重复进行,直到满足某一性能指标或规定的遗传代数。GA在图像分割领域应用最为成熟,只要有两种应用,一是在多种分割结果中搜索最佳分割结果,二是搜索图像分割算法的最优参数,如用来确定图

人工智能[第五章状态空间搜索策略]山东大学期末考试知识点复习

第五章状态空间搜索策略 搜索是人工智能的一个基本问题,是推理不可分割的一部分。搜索是求解问 题的一种方法,是根据问题的实际情况,按照一定的策略或规则,从知识库中寻找可利用的知识,从而构造出一条使问题获得解决的推理路线的过程。搜索包含两层含义:一层含义是要找到从初始事实到问题最终答案的一条推理路线;另一层含义是找到的这条路线是时间和空间复杂度最小的求解路线。搜索可分为盲目搜索和启发式搜索两种。 1.1 盲目搜索策略 1.状态空间图的搜索策略 为了利用搜索的方法求解问题,首先必须将被求解的问题用某种形式表示出来。一般情况下,不同的知识表示对应着不同的求解方法。状态空间表示法是一 种用“状态”和“算符”表示问题的方法。状态空间可由一个三元组表示(S ,F, S g )。 利用搜索方法求解问题的基本思想是:首先将问题的初始状态(即状态空间图中的初始节点)当作当前状态,选择一适当的算符作用于当前状态,生成一组后继状态(或称后继节点),然后检查这组后继状态中有没有目标状态。如果有,则说明搜索成功,从初始状态到目标状态的一系列算符即是问题的解;若没有,则按照某种控制策略从已生成的状态中再选一个状态作为当前状态,重复上述过程,直到目标状态出现或不再有可供操作的状态及算符时为止。 算法5.1 状态空间图的一般搜索算法 ①建立一个只含有初始节点S 0的搜索图G,把S 放入OPEN表中。 ②建立CLOSED表,且置为空表。 ③判断OPEN表是否为空表,若为空,则问题无解,退出。 ④选择OPEN表中的第一个节点,把它从OPEN表移出,并放入CLOSED表中,

将此节点记为节点n。 ⑤考察节点n是否为目标节点,若是,则问题有解,并成功退出。问题的解 的这条路径得到。 即可从图G中沿着指针从n到S ⑥扩展节点n生成一组不是n的祖先的后继节点,并将它们记作集合M,将M中的这些节点作为n的后继节点加入图G中。 ⑦对那些未曾在G中出现过的(即未曾在OPEN表上或CLOSED表上出现过的)M中的节点,设置一个指向父节点(即节点n)的指针,并把这些节点加入OPEN 表中;对于已在G中出现过的M中的那些节点,确定是否需要修改指向父节点(n 节点)的指针;对于那些先前已在G中出现并且已在COLSED表中的M中的节点,确定是否需要修改通向它们后继节点的指针。 ⑧按某一任意方式或按某种策略重排OPEN表中节点的顺序。 ⑨转第③步。 2.宽度优先搜索策略 宽度优先搜索是一种盲目搜索策略。其基本思想是,从初始节点开始,逐层对节点进行依次扩展,并考察它是否为目标节点,在对下层节点进行扩展(或搜索)之前,必须完成对当前层的所有节点的扩展(或搜索)。在搜索过程中,未扩展节点表OPEN中的节点排序准则是:先进入的节点排在前面,后进入的节点排在后面(即将扩展得到的后继节点放于OPEN表的末端)。 宽度优先搜索的盲目性较大,搜索效率低,这是它的缺点。但宽度优先搜索策略是完备的,即只要问题有解,用宽度优先搜索总可以找到它的解。 3.深度优先搜索 深度优先搜索也是一种盲目搜索策略,其基本思想是:首先扩展最新产生的 开始,在其后继节点中选择一个节点,对其进(即最深的)节点,即从初始节点S 行考察,若它不是目标节点,则对该节点进行扩展,并再从它的后继节点中选择

基于人工智能的路径查找优化算法【精品毕业设计】(完整版)

毕业设计[论文] 题目:基于人工智能的路径查找优化算法 学生姓名: Weston 学号:090171021XXX 学部(系):信息科学与技术学部 专业年级:计算机应用技术 指导教师:XXX 职称或学位: XX 2012 年 5 月 18 日

目录 摘要............................................................... II ABSTRACT ........................................................... III KEY WORDS .......................................................... III 1.前言 (1) 2.概述 (2) 2.1遗传算法优缺点 (2) 2.2遗传算法应用领域 (3) 2.3遗传算法基本流程 (3) 3.传统遗传算法解决旅行商问题 (5) 3.1常用概念 (5) 3.2基本过程 (5) 3.3关键步骤 (5) 3.4总结 (8) 4.改进后的遗传算法 (9) 4.1编码、设计遗传算子 (9) 4.2种群初始化 (9) 4.3评价 (10) 4.4选择复制 (10) 4.5交叉 (11) 4.6变异 (12) 4.7终结 (13) 5.系统设计与实现 (14) 5.1系统设计 (14) 5.2系统实现 (17) 5.3结果分析 (20) 6.总结 (21) 参考文献 (22) 致谢 (23)

基于人工智能的路径查找优化算法 摘要 旅行商是一个古老且有趣的问题它可以描述为:给定n个城市以及它们之间的距离(城市i到城市j的距离),求解从其中一个城市出发对每个城市访问,且仅访问一d ij 次,最后回到出发的城市,应当选取怎样的路线才能使其访问完所有的城市后回到初始的城市且走过的路程最短。 旅行商问题已被证明是属优化组合领域的NP难题,而且在现实中的许多问题都可以转化为旅行商问题来加以解决。解决旅行商问题最一般的方法就是枚举出所有可能的路线然后对每一条进行评估最后选取出路程最短的一条即为所求解。 解决旅行商问题的各种优化算法都是通过牺牲解的精确性来换取较少的耗时,其他一些启发式的搜索算法则依赖于特定的问题域,缺乏通用性,相比较而言遗传算法是一种通用性很好的全局搜索算法。 遗传算法GA( genetic algorithm) 最早由美国密歇根大学的John Holland 提出。具有自组织、自适应、自学习和群体进化功能有很强的解决问题的能,在许多领域都得到了应用。 遗传算法以其广泛的适应性渗透到研究与工程的各个领域,已有专门的遗传算法国际会议,每两年召开一次,如今已开了数次,发表了数千篇论文,对其基本的理论、方法和技巧做了充分的研究。今天,遗传算法的研究已成为国际学术界跨学科的热门话题之一。 关键词:人工智能;遗传算法;TSP;旅行商问题

人工智能启发式图搜索算法

启发式图搜索算法 摘要:启发式搜索策略概述和有序搜索。启发式搜索弥补盲目搜索的不足,提高搜索效率。一种方法用于排列待扩展节点的顺序,即选择最有希望的节点加以扩展,那么,搜索效率将会大为提高。进行搜索技术一般需要某些有关具体问题领域的特性的信息。 关键词:启发式搜索;估价函数;有序搜索;A*算法; 正文: 启发式图搜索的意义因为无信息图搜索算法的效率低,耗费过多的计算空间与时间,这是组合爆炸的一种表现形式。所以引入了启发式图搜索算法。 启发式图搜索算法就是进行搜索技术一般需要某些有关具体问题领域的特性的信息,把此种信息叫做启发信息。利用启发信息的搜索方法叫做启发式搜索方法。关于图搜索的启发式搜索算法就叫做启发式图搜索算法。 启发式图搜索策略:假设初始状态、算符和目标状态的定义都是完全确定的,然后决定一个搜索空间。因此,问题就在于如何有效地搜索这个给定空间。 启发信息按其用途可分为下列3种: (1) 用于决定要扩展的下一个节点,以免像在宽度优先或深度优先搜索中那样盲目地扩展。 (2) 在扩展一个节点的过程中,用于决定要生成哪一个或哪几个后继节点,以免盲目地同时生成所有可能的节点。 (3) 用于决定某些应该从搜索树中抛弃或修剪的节点。 启发信息的状态空间搜索算法,即决定哪个是下一步要扩展的节点。这种搜索总是选择“最有希望”的节点作为下一个被扩展的节点。这种搜索叫做有序搜索(ordered search)。有关具体问题领域的信息常常可以用来简化搜索。一个比较灵活(但代价也较大)的利用启发信息的方法是应用某些准则来重新排列每一步OPEN表中所有节点的顺序。然后,搜索就可能沿着某个被认为是最有希望的边缘区段向外扩展。应用这种排序过程,需要某些估算节点“希望”的量度,这种量度叫做估价函数(evalution function)。所谓的估价函数就是为获得某些节点“希望”的启发信息,提供一个评定侯选扩展节点的方法,以便确定哪个节点最有可能在通向目标的最佳路径上。f(n)——表示节点n的估价函数值建立估价函数的一般方法:试图确定一个处在最佳路径上的节点的概率;提出任意节点与目标集之间的距离量度或差别量度;或者在棋盘式的博弈和难题中根据棋局的某些特点来决定棋局的得分数。这些特点被认为与向目标节点前进一步的希望程度有关。 有序搜索应用某个算法(例如等代价算法)选择OPEN表上具有最小f值的节点作为下一个要扩展的节点。这种搜索方法叫做有序搜索(ordered search)或最佳优先搜索 (best-first search),而其算法就叫做有序搜索算法或最佳优先算法。尼尔逊曾提出一个有序搜索的基本算法。估价函数f是这样确定的:一个节点的希望程序越大,其f值就越小。被选为扩展的节点,是估价函数最小的节点。选择OPEN表上具有最小f值的节点作为下一个要扩展的节点,即总是选择最有希望的节点作为下一个要扩展的节点。 有序状态空间搜索算法 (1) 把起始节点S放到OPEN表中,计算f(S)并把其值与节点S联系起来。 (2) 如果OPEN是个空表,则失败退出,无解。 (3) 从OPEN表中选择一个f值最小的节点i。结果有几个节点合格,当其中有一个为目标节点时,则选择此目标节点,否则就选择其中任一个节点作为节点i。

人工智能a算法(推荐文档)

1.启发式搜索算法A 启发式搜索算法A,一般简称为A算法,是一种典型的启发式搜索算法。其基本思想是:定义一个评价函数f,对当前的搜索状态进行评估,找出一个最有希望的节点来扩展。 评价函数的形式如下: f(n)=g(n)+h(n) 其中n是被评价的节点。 f(n)、g(n)和h(n)各自表述什么含义呢?我们先来定义下面几个函数的含义,它们与f(n)、g(n)和h(n)的差别是都带有一个"*"号。 g*(n):表示从初始节点s到节点n的最短路径的耗散值; h*(n):表示从节点n到目标节点g的最短路径的耗散值; f*(n)=g*(n)+h*(n):表示从初始节点s经过节点n到目标节点g 的最短路径的耗散值。 而f(n)、g(n)和h(n)则分别表示是对f*(n)、g*(n)和h*(n)三个函数值的的估计值。是一种预测。A算法就是利用这种预测,来达到有效搜索的目的的。它每次按照f(n)值的大小对OPEN表中的元素进行排序,f值小的节点放在前面,而f 值大的节点则被放在OPEN表的后面,这样每次扩展节点时,都是选择当前f值最小的节点来优先扩展。

利用评价函数f(n)=g(n)+h(n)来排列OPEN表节点顺序的图搜索算法称为算法A。 过程A ①OPEN:=(s),f(s):=g(s)+h(s); ②LOOP:IF OPEN=()THEN EXIT(FAIL); ③n:=FIRST(OPEN); ④IF GOAL(n)THEN EXIT(SUCCESS); ⑤REMOVE(n,OPEN),ADD(n,CLOSED); ⑥EXPAND(n)→{mi},计算f(n,mi)=g(n,mi)+h(mi);g(n,mi)是从s通过n到mi的耗散值,f(n,mi)是从s通过n、mi到目标节点耗散值的估计。 ·ADD(mj,OPEN),标记mi到n的指针。 ·IF f(n,mk)

2013年数学建模第一题方法总结禁忌搜索算法

禁忌搜索算法 又名“tabu搜索算法” 为了找到“全局最优解”,就不应该执着于某一个特定的区域。局部搜索的缺点就是太贪婪地对某一个局部区域以及其邻域搜索,导致一叶障目,不见泰山。禁忌搜索就是对于找到的一部分局部最优解,有意识地避开它(但不是完全隔绝),从而获得更多的搜索区间。兔子们找到了泰山,它们之中的一只就会留守在这里,其他的再去别的地方寻找。就这样,一大圈后,把找到的几个山峰一比较,珠穆朗玛峰脱颖而出。 当兔子们再寻找的时候,一般地会有意识地避开泰山,因为他们知道,这里已经找过,并且有一只兔子在那里看着了。这就是禁忌搜索中“禁忌表(tabu list)”的含义。那只留在泰山的兔子一般不会就安家在那里了,它会在一定时间后重新回到找最高峰的大军,因为这个时候已经有了许多新的消息,泰山毕竟也有一个不错的高度,需要重新考虑,这个归队时间,在禁忌搜索里面叫做“禁忌长度(tabu length)”;如果在搜索的过程中,留守泰山的兔子还没有归队,但是找到的地方全是华北平原等比较低的地方,兔子们就不得不再次考虑选中泰山,也就是说,当一个有兔子留守的地方优越性太突出,超过了“best to far”的状态,就可以不顾及有没有兔子留守,都把这个地方考虑进来,这就叫“特赦准则(aspiration criterion)”。这三个概念是禁忌搜索和一般搜索准则最不同的地方,算法的优化也关键在这里。 伪码表达: procedure tabu search; begin initialize a string vc at random,clear up the tabu list; cur:=vc; repeat select a new string vn in the neighborhood of vc; if va>best_to_far then {va is a string in the tabu list} begin cur:=va; let va take place of the oldest string in the tabu list; best_to_far:=va; end else begin cur:=vn; let vn take place of the oldest string in the tabu list; end; until (termination-condition); end; 以上程序中有关键的几点:

蚁群算法的基本原理

2.1 蚁群算法的基本原理 蚁群优化算法是模拟蚂蚁觅食的原理,设计出的一种群集智能算法。蚂蚁在觅食过程中能够在其经过的路径上留下一种称之为信息素的物质,并在觅食过程中能够感知这种物质的强度,并指导自己行动方向,它们总是朝着该物质强度高的方向移动,因此大量蚂蚁组成的集体觅食就表现为一种对信息素的正反馈现象。某一条路径越短,路径上经过的蚂蚁越多,其信息素遗留的也就越多,信息素的浓度也就越高,蚂蚁选择这条路径的几率也就越高,由此构成的正反馈过程,从而逐渐的逼近最优路径,找到最优路径。 蚂蚁在觅食过程时,是以信息素作为媒介而间接进行信息交流,当蚂蚁从食物源走到蚁穴,或者从蚁穴走到食物源时,都会在经过的路径上释放信息素,从而形成了一条含有信息素的路径,蚂蚁可以感觉出路径上信息素浓度的大小,并且以较高的概率选择信息素浓度较高的路径。 (a) 蚁穴 1 2 食物源 A B (b) 人工蚂蚁的搜索主要包括三种智能行为: (1)蚂蚁的记忆行为。一只蚂蚁搜索过的路径在下次搜索时就不再被该蚂蚁选择,因此在蚁群算法中建立禁忌表进行模拟。 (2)蚂蚁利用信息素进行相互通信。蚂蚁在所选择的路径上会释放一种信息素的物质,当其他蚂蚁进行路径选择时,会根据路径上的信息素浓度进行选择,这样信息素就成为蚂蚁之间进行通信的媒介。 (3)蚂蚁的集群活动。通过一只蚂蚁的运动很难达到事物源,但整个蚁群进行搜索就完全不同。当某些路径上通过的蚂蚁越来越多时,路径上留下的信息素数量也就越多,导致信息素强度增大,蚂蚁选择该路径的概率随之增加,从而进一步增加该路径的信息素强度,而通过的蚂蚁比较少的路径上的信息素会随着时间的推移而挥发,从而变得越来越少。3.3.1蚂蚁系统 蚂蚁系统是最早的蚁群算法。其搜索过程大致如下: 在初始时刻,m 只蚂蚁随机放置于城市中, 各条路径上的信息素初始值相等,设为:0(0)ij ττ=为信息素初始值,可设0m m L τ=,m L 是由最近邻启发式方法构 造的路径长度。其次,蚂蚁(1,2,)k k m = ,按照随机比例规则选择下一步要转

爬山法:局部寻优搜索算法

爬山法:局部寻优搜索算法 遗传算法是优秀的全局优化算法,爬山法是一种局部寻优效果较好的搜索算法。 简单的来说,就在在一个初始目标位置附近,随机搜索看是否存在符合最终期望目标的位置。有的话就替换原初始目标位置,然后在重复搜索,直到随机搜索一定次数后,都没有更好的目标位置为止。 专业一点的说法是这样: 首先在搜索空间随机选取一点作为进行迭代的初始点,然后在其邻域内随机产生一点,计算其函数值,若该点函数值优于当前点,则用当前点替换初始点作为新的初始点继续在邻域内搜索,否则继续在邻域随机产生另一个点与初始点进行比较,直到找到比其优秀一点或连续几次都找不到比其优秀的点则终止搜索过程。 举个例子: A国部队进行战事训练,你作为其中一名优秀的狙击手,黑夜中,你被空降到一个山地中,现在你需要占据制高点,我们设定制高点是峰顶位置。现在你手上唯一的武器就是一把狙击枪和一个海拔仪。那么怎么在短时间内快速找到最近的制高点呢?你灵机一动一动动,想到了“爬山法”,于是你在距离当前降落位置A点的20米的东(A1)南(A2)西(A3)北(A4)四个方向上分别测试了海拔高度,选择其中海拔最大的位置(假设是东边的位置A1),这个时候,你在达到东边这个位置A1后,又测量了东南北三个方向相距A1点20米(这个20米称为步长)的位置(西边不用测量,因为你是从上一个A是在A1的西边),在进行确定往那个方向前进,在不断重复之后,当你发现其他方向的海拔都低于你这个位置的海拔的时候,你就可以认为,你当前处于至少在局部范围内是最好的制高点了。这个时候,你看了一下表,用时3分钟,然后便开始伏地探测搜寻Target准备狙击了。 爬山法在处理单峰问题时可以快速收敛到局部最优点,但是多峰值问题有多个峰值点,用爬山法只能找到多个局部最优点之中的一个,不一定是全局最优点,因此将无法确定全局最优点。尽管爬山法不能进行全局寻优,但是爬山法有传统的优化算法不具有的优势,就是爬山法可以处理不可微的单峰函数,因为爬山法通过在邻域内随机产生个体进行优化,不需要利用梯度,所以爬山法可以在遗传算法处理复杂问题时发挥局部寻优作用。

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