基本蚁群算法

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//基本蚁群算法源代码
//使用的城市数据是eil51.tsp
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// AO.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
#pragma once
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <math.h>  
#include <time.h>
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//常量定义和参数定义
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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);
}
//返回浮点数四舍五入取整后的浮点数
double ROUND(double dbA)
{
    return (double)((int)(dbA+0.5));
}
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//蚂蚁类的定义和实现
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//定义蚂蚁类
class CAnt
{
public:
    CAnt(void);
    ~CAnt(void);
public:
    int m_nPath[N_CITY_COUNT]; //蚂蚁走的路径
    double m_dbPathLength; //蚂蚁走过的路径长度
    int m_nAllowedCity[N_CITY_COUNT]; //没去过的城市
    int m_nCurCityNo; //当前所在城市编号
    int m_nMovedCityCount; //已经去过的城市数量
public:
    int ChooseNextCity(); //选择下一个城市
    void Init(); //初始化
    void Move(); //蚂蚁在城市间移动
    void Search(); //搜索路径
    void CalPathLength(); //计算蚂蚁走过的路径长度
};
//构造函数
CAnt::CAnt(void)
{
}
//析构函数
CAnt::~CAnt(void)
{
}
//初始化函数，蚂蚁搜索前调用
void CAnt::Init()
{
    for (int i=0;i<N_CITY_COUNT;i++)
    {
        m_nAllowedCity[i]=1; //设置全部城市为没有去过
        m_nPath[i]=0; //蚂蚁走的路径全部设置为0
    }
    //蚂蚁走过的路径长度设置为0
    m_dbPathLength=0.0; 
    //随机选择一个出发城市
    m_nCurCityNo=rnd(0,N_CITY_COUNT);
    //把出发城市保存入路径数组中
    m_nPath[0]=m_nCurCityNo;
    //标识出发城市为已经去过了
    m_nAllowedCity[m_nCurCityNo]=0; 
    //已经去过的城市数量设置为1
    m_nMovedCityCount=1; 
}
//选择下一个城市
//返回值 为城市编号
int CAnt::ChooseNextCity()
{
    int nSelectedCity=-1; //返回结果，先暂时把其设置为-1
    //==============================================================================
    //计算当前城市和没去过的城市之间的信息素总和
    double dbTotal=0.0;       
    double prob[N_CITY_COUNT]; //保存各个城市被选中的概率
    for (int i=0;i<N_CITY_COUNT;i++)
    {
        if (m_nAllowedCity[i] == 1) //城市没去过
        {
            //该城市和当前城市间的信息素
            prob[i]=pow(g_Trial[m_nCurCityNo][i],ALPHA)*pow(1.0/g_Distance[m_nCurCityNo][i],BETA); 
            dbTotal=dbTotal+prob[i]; //累加信息素，得到总和
        }
        else //如果城市去过了，则其被选中的概率值为0
        {
            prob[i]=0.0;
        }
    }
    //==============================================================================
    //进行轮盘选择
    double dbTemp=0.0;
    if (dbTotal > 0.0) //总的信息素值大于0
    {
        dbTemp=rnd(0.0,dbTotal); //取一个随机数
        for (int i=0;i<N_CITY_COUNT;i++)
        {
            if (m_nAllowedCity[i] == 1) //城市没去过
            {
                printf("dbtemp=%f-i=%d",dbTemp,i);system("pause");
                dbTemp=dbTemp-prob[i]; //这个操作相当于转动轮盘，如果对轮盘选择不熟悉，仔细考虑一下
                if (dbTemp < 0.0) //轮盘停止转动，记下城市编号，直接跳出循环
                {
                    nSelectedCity=i;
                    break;
                }
            }
        }
        if(dbTemp>0){printf("dbtemp=%d",dbTemp);system("pause");}
    }
    //==============================================================================
    //如果城市间的信息素非常小 ( 小到比double能够表示的最小的数字还要小 )
    //那么由于浮点运算的误差原因，上面计算的概率总和可能为0
    //会出现经过上述操作，没有城市被选择出来
    //出现这种情况，就把第一个没去过的城市作为返回结果   
    if (nSelectedCity == -1)
    {
        for (int i=0;i<N_CITY_COUNT;i++)
        {
            if (m_nAllowedCity[i] == 1) //城市没去过
            {
                nSelectedCity=i;
                break;
            }
        }
    }
    //==============================================================================
    //返回结果，就是城市的编号
    return nSelectedCity;
}
//蚂蚁在城市间移动
void CAnt::Move()
{
    int nCityNo=ChooseNextCity(); //选择下一个城市
    m_nPath[m_nMovedCityCount]=nCityNo; //保存蚂蚁走的路径
    m_nAllowedCity[nCityNo]=0;//把这个城市设置成已经去过了
    m_nCurCityNo=nCityNo; //改变当前所在城市为选择的城市
    m_nMovedCityCount++; //已经去过的城市数量加1
}
//蚂蚁进行搜索一次
void CAnt::Search()
{
    Init(); //蚂蚁搜索前，先初始化
    //如果蚂蚁去过的城市数量小于城市数量，就继续移动
    while (m_nMovedCityCount < N_CITY_COUNT)
    {
        Move();
    }
    //完成搜索后计算走过的路径长度
    CalPathLength();
}
//计算蚂蚁走过的路径长度
void CAnt::CalPathLength()
{
    m_dbPathLength=0.0; //先把路径长度置0
    int m=0;
    int n=0;
    for (int i=1;i<N_CITY_COUNT;i++)
    {
        m=m_nPath[i];
        n=m_nPath[i-1];
        m_dbPathLength=m_dbPathLength+g_Distance[m][n];
    }
    //加上从最后城市返回出发城市的距离
    n=m_nPath[0];
    m_dbPathLength=m_dbPathLength+g_Distance[m][n]; 
}
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//TSP类的定义和实现
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//tsp类
class CTsp
{
public:
    CTsp(void);
    ~CTsp(void);
public:
    CAnt m_cAntAry[N_ANT_COUNT]; //蚂蚁数组
    CAnt m_cBestAnt; //定义一个蚂蚁变量，用来保存搜索过程中的最优结果
    //该蚂蚁不参与搜索，只是用来保存最优结果
public:
    //初始化数据
    void InitData(); 
    //开始搜索
    void Search(); 
    //更新环境信息素
    void UpdateTrial();
};
//构造函数
CTsp::CTsp(void)
{
}
CTsp::~CTsp(void)
{
}
//初始化数据
void CTsp::InitData() 
{
    //先把最优蚂蚁的路径长度设置成一个很大的值
    m_cBestAnt.m_dbPathLength=DB_MAX; 
    //计算两两城市间距离
    double dbTemp=0.0;
    for (int i=0;i<N_CITY_COUNT;i++)
    {
        for (int j=0;j<N_CITY_COUNT;j++)
        {
            dbTemp=(x_Ary[i]-x_Ary[j])*(x_Ary[i]-x_Ary[j])+(y_Ary[i]-y_Ary[j])*(y_Ary[i]-y_Ary[j]);
            dbTemp=pow(dbTemp,0.5);
            //城市间距离四舍五入取整,eil51.tsp的最短路径426是距离按四舍五入取整后得到的。
            g_Distance[i][j]=ROUND(dbTemp);
        }
    }
    //初始化环境信息素，先把城市间的信息素设置成一样
    //这里设置成1.0，设置成多少对结果影响不是太大，对算法收敛速度有些影响
    for (int i=0;i<N_CITY_COUNT;i++)
    {
        for (int j=0;j<N_CITY_COUNT;j++)
        {
            g_Trial[i][j]=1.0;
        }
    }
}
//更新环境信息素
void CTsp::UpdateTrial()
{
    //临时数组，保存各只蚂蚁在两两城市间新留下的信息素
    double dbTempAry[N_CITY_COUNT][N_CITY_COUNT];
    memset(dbTempAry,0,sizeof(dbTempAry)); //先全部设置为0
    //计算新增加的信息素,保存到临时数组里
    int m=0;
    int n=0;
    for (int i=0;i<N_ANT_COUNT;i++) //计算每只蚂蚁留下的信息素
    {
        for (int j=1;j<N_CITY_COUNT;j++)
        {
            m=m_cAntAry[i].m_nPath[j];
            n=m_cAntAry[i].m_nPath[j-1];
            dbTempAry[n][m]=dbTempAry[n][m]+DBQ/m_cAntAry[i].m_dbPathLength;
            dbTempAry[m][n]=dbTempAry[n][m];
        }
        //最后城市和开始城市之间的信息素
        n=m_cAntAry[i].m_nPath[0];
        dbTempAry[n][m]=dbTempAry[n][m]+DBQ/m_cAntAry[i].m_dbPathLength;
        dbTempAry[m][n]=dbTempAry[n][m];
    }
    //==================================================================
    //更新环境信息素
    for (int i=0;i<N_CITY_COUNT;i++)
    {
        for (int j=0;j<N_CITY_COUNT;j++)
        {
            g_Trial[i][j]=g_Trial[i][j]*ROU+dbTempAry[i][j];  //最新的环境信息素 = 留存的信息素 + 新留下的信息素
        }
    }
}
void CTsp::Search()
{
    char cBuf[256]; //打印信息用
    //在迭代次数内进行循环
    for (int i=0;i<N_IT_COUNT;i++)
    {
        //每只蚂蚁搜索一遍
        for (int j=0;j<N_ANT_COUNT;j++)
        {
            m_cAntAry[j].Search(); 
        }
        //保存最佳结果
        for (int j=0;j<N_ANT_COUNT;j++)
        {
            if (m_cAntAry[j].m_dbPathLength < m_cBestAnt.m_dbPathLength)
            {
                m_cBestAnt=m_cAntAry[j];
            }
        }
        //更新环境信息素
        UpdateTrial();
        //输出目前为止找到的最优路径的长度
        sprintf(cBuf,"
[%d] %.0f",i+1,m_cBestAnt.m_dbPathLength);
        printf(cBuf);
    }
}
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//主程序
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int main()
{
    //用当前时间点初始化随机种子，防止每次运行的结果都相同
    time_t tm;
    time(&tm);
    unsigned int nSeed=(unsigned int)tm;
    srand(nSeed);
    //开始搜索
    CTsp tsp;
    tsp.InitData();  //初始化
    tsp.Search();  //开始搜索
    //输出结果
    printf("
The best tour is :
");
    char cBuf[128];
    for (int i=0;i<N_CITY_COUNT;i++)
    {
        sprintf(cBuf,"%02d ",tsp.m_cBestAnt.m_nPath[i]+1);
        if (i % 20 == 0)
        {
            printf("
");
        }
        printf(cBuf);
    }
    printf("

Press any key to exit!");
    getchar();
    return 0;
}