优化算法1：模拟退火算法思想解析

1.算法简介

模拟退火算法得益于材料的统计力学的研究成果。统计力学表明材料中粒子的不同结构对应于粒子的不同能量水平。在高温条件下，粒子的能量较高，可以自由运动和重新排列。在低温条件下，粒子能量较低。如果从高温开始，非常缓慢地降温（这个过程被称为退火），粒子就可以在每个温度下达到热平衡。当系统完全被冷却时，最终形成处于低能状态的晶体。

如果用粒子的能量定义材料的状态，Metropolis 算法用一个简单的数学模型描述了退火过程。假设材料在状态i之下的能量为E(i)，那么材料在温度T 时从状态i进入状态j 就遵循如下规律：

（1）如果E( j) ≤ E(i)，接受该状态被转换。

（2）如果E( j) > E(i)，则状态转换以如下概率被接受：

eE(i)−E(j)KT其中 K 是物理学中的波尔兹曼常数，T 是材料温度。

总结：

（1）在某一个特定温度下，进行了充分的转换之后，材料将达到热平衡。

（2）当温度降至很低时，材料会以很大概率进入最小能量状态。

2.模拟退火思想最小值寻优问题

假设目标函数为minf(x1,x2,...,xn)=∑i=1mg(x1,x2,...,xn)要求得这个优化问题的最优解，必须：

给定一个初始温度T0，并初始化一个初始解x(0)，并由x(0)生成下一个解x′，是否接受x′作为一个新解x(1)依赖于一个概率密度函数（接受新解的概率），若新解大于旧解则以概率1接受新解，若新解小于旧解这个概率则以概率密度函数计算值（通常小于1）接受。

泛泛地说，对于某一个温度Ti和该优化问题的一个解x(k)，可以生成x′。接受x′作为下一个新解x(k +1)为一定的概率。在温度Ti下，经过很多次的转移之后，降低温度Ti，得到 Ti<Ti+1 。在Ti+1 下重复上述过程。因此整个优化过程就是不断寻找新解和缓慢降温的交替过程。最终的解是对该问题寻优的结果。

我们注意到，在每个i T 下，所得到的一个新状态x(k +1)完全依赖于前一个状态x(k)，可以和前面的状态x(0),…, x(k −1)无关，因此这是一个马尔可夫过程。

如果温度下降十分缓慢，而在每个温度都有足够多次的状态转移，使之在每一个温度下达到热平衡，则全局最优解将以概率1 被找到。因此可以说模拟退火算法可以找到全局最优解。

在模拟退火算法中应注意以下问题：

（1）理论上，降温过程要足够缓慢，要使得在每一温度下达到热平衡。但在计算机实现中，如果降温速度过缓，所得到的解的性能会较为令人满意，但是算法会太慢，相对于简单的搜索算法不具有明显优势。如果降温速度过快，很可能最终得不到全局最优解。因此使用时要综合考虑解的性能和算法速度，在两者之间采取一种折衷。

（2）要确定在每一温度下状态转换的结束准则（实即接受概率计算方法）。实际操作可以考虑当连续m 次的转换过程没有使状态发生变化时结束该温度下的状态转换。最终温度的确定可以提前定为一个较小的值Te，或连续几个温度下转换过程没有使状态发生变化算法就结束。

（3）选择初始温度和确定某个可行解的邻域的方法也要恰当。

3.算法步骤

（1）目标函数确定（即代价函数确定）

（2）寻找解空间，并给出一个较好的初始解（Monte Carlo方法），选择初始温度（通常选择为1）

（3）新解的产生：2变换法或者3变换法

（4）代价函数差（新解与旧解之差）

（5）接受准则（接受新解的概率计算法则）

（6）降温：利用选定的降温系数α 进行降温即：T ←αT ，得到新的温度，如取α =0.999

（7）结束条件：用选定的终止温度e = 1030，判断退火过程是否结束。若T < e，算法结束，输出当前状态（即得到的最优解）。