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TSP

旅行商问题(Traveling Salesman Problem,TSP)是一个经典的组合优化问题。经典的TSP可以描述为:一个商品推销员要去若干个城市推销商品,该推销员从一个城市出发,需要经过所有城市后,回到出发地。应如何选择行进路线,以使总的行程最短。

在本文中使用的数据为来自TSPLIB的 ATT48 ,即美国本土48个州首府坐标,TSPLIB的已知最优解为10628。

从图论的角度来看,该问题实质是在一个带权完全无向图中,找一个权值最小的Hamilton回路。由于该问题的可行解是所有顶点的全排列,随着顶点数的增加,会产生组合爆炸,它是一个NP完全问题。

由于NPC问题至今没有得到解决,TSP问题往往是通过启发式搜索(我觉得也可以叫暴力)算法来“猜”出最优解。

使用遗传算法来解决TSP问题,主要思路如下:

  • 使用一个不重复的,首尾相同的字符串来表示一个解,该字符串即TSP的顺序
  • 使用交叉,变异两种方式产生新的解,并根据数据来计算解的适应度
  • 种群定义为当前所有解的一个集合,当种群中的每个个体完成一次“进化”(由概率决定)之后,称之为进化一代
  • 对每一代种群进行筛选(根据适应度进行排序),择优劣汰,具有更优秀适应度的个体有更高的概率被其他个体选中进行交叉
  • 不断重复上述过程,直到出现可以完全适应的个体(最优解)
  • 遗传算法在TSP问题上可以融合多种算法,从而达到不同的效果,比如交叉应该如何交叉,变异应该如何变异等等。同时遗传算法的参数难以调整到最优——包括交叉率,变异率,种群容量等可以对搜索过程产生较大影响的参数都难以调整。限于个人水平,我无法从数学上给出最优参数,只能以经验论,加以多次实验选取表现优秀的样本。

    语言:C++

    个体(解)的表示:用 vector 储存,代表节点遍历顺序

    距离的计算:取伪欧式(pseudo Euclidean)距离,计算方法如下(向上取整):

    使用 unordered_map ,内部实现为散列表,使得计算个体适应度可以达到 O (N)​级别的复杂度

    随机数的生成:设置时间种子,并由此生成随机数

    交叉对象的选择:轮盘赌

    交叉算法的选择:顺序移位

    变异算法的选择:顺序移位 / 贪婪倒位

    参数的选择:由多次实验得出

    Feature

  • 种群自动扩增
  • 贪心初始化
  • 自动调整变异算子
  • 自动调整变异率
  • 关于参数选择及其他方面的详细讨论请见 遗传算法解决TSP问题 .

  • 实验样本:ATT48@TSPLIB( att48.tsp
  • 理论最优解:10628
  • 实验平台:CLion 2019.3(G++ 8.2.1 x64)
  • 1000代

    耗时 / s