一、简介
1 蚁群算法(ant colony algorithm,ACA)起源和发展历程
Marco Dorigo等人在研究新型算法的过程中，发现蚁群在寻找食物时，通过分泌一种称为信息素的生物激素交流觅食信息从而能快速的找到目标，于是在1991年在其博士论文中首次系统地提出一种基于蚂蚁种群的新型智能优化算法“蚂蚁系统（Ant system,简称AS）”，后来，提出者及许多研究者对该算法作了各种改进，将其应用于更为广泛的领域，如图着色问题、二次分配问题、工件排序问题、车辆路径问题、车间作业调度问题、网络路由问题、大规模集成电路设计等。近些年来，M.Dorigo等人把蚂蚁算法进一步发展成一种通用的优化技术“蚁群优化（Ant Colony Optimization,简称ACO）”，并将所有符合ACO框架的算法称为“蚁群优化算法（ACO algorithm）”。
具体来说，各个蚂蚁在没有事先告知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挥发性分泌物pheromone (称为信息素,该物质随着时间的推移会逐渐挥发消失，信息素浓度的大小表征路径的远近)信息素能够让其他蚂蚁感知从而起到一个引导的作用。通常多个路径上均有信息素时，蚂蚁会优先选择信息素浓度高的路径，从而使浓度高的路径信息素浓度更高，形成一个正反馈。有些蚂蚁并没有像其它蚂蚁一样总重复同样的路，他们会另辟蹊径，如果另开辟的道路比原来的其他道路更短，那么，渐渐地，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。最终，信息素浓度最高的路径即是最终被蚂蚁选中的最优路径。
与其他算法相比，蚁群算法是一种比较年轻的算法，具有分布式计算、无中心控制、个体之间异步间接通信等特点，并且易于与其他优化算法相结合，经过不少仁人志士的不断探索，到今天已经发展出了各式各样的改进蚁群算法，不过蚁群算法的原理仍是主干。
2 蚁群算法的求解原理
基于上述对蚁群觅食行为的描述，该算法主要对觅食行为进行以下几个方面模拟：
（1）模拟的图场景中包含了两种信息素，一种表示家，一种表示食物的地点，并且这两种信息素都在以一定的速率进行挥发。
（2）每个蚂蚁只能感知它周围的小部分地方的信息。蚂蚁在寻找食物的时候，如果在感知范围内，就可以直接过去，如果不在感知范围内，就要朝着信息素多的地方走，蚂蚁可以有一个小概率不往信息素多的地方走，而另辟蹊径，这个小概率事件很重要，代表了一种找路的创新，对于找到更优的解很重要。
（3）蚂蚁回窝的规则与找食物的规则相同。
（4）蚂蚁在移动时候首先会根据信息素的指引，如果没有信息素的指引，会按照自己的移动方向惯性走下去，但也有一定的机率改变方向，蚂蚁还可以记住已经走过的路，避免重复走一个地方。
（5）蚂蚁在找到食物时留下的信息素最多，然后距离食物越远的地方留下的信息素越少。找到窝的信息素留下的量的规则跟食物相同。蚁群算法有以下几个特点:正反馈算法、并发性算法、较强的鲁棒性、概率型全局搜索、不依赖严格的数学性质、搜索时间长，易出现停止现象。
蚂蚁转移概率公式：
公式中：是蚂蚁k从城市i转移到j的概率；α，β分别为信息素和启发式因子的相对重要程度；为边（i，j）上的信息素量；为启发式因子；为蚂蚁k下步允许选择的城市。上述公式即为蚂蚁系统中的信息素更新公式，是边（i,j)上的信息素量；ρ是信息素蒸发系数，0<ρ<1;为第k只蚂蚁在本次迭代中留在边（i,j）上的信息素量；Q为一正常系数；为第k只蚂蚁在本次周游中的路径长度。
在蚂蚁系统中，信息素更新公式为：
3 蚁群算法的求解步骤：
（1）初始化参数在计算之初，需要对相关参数进行初始化，如蚁群规模（蚂蚁数量）m、信息素重要程度因子α、启发函数重要程度因子β、信息素会发银子ρ、信息素释放总量Q、最大迭代次数iter_max、迭代次数初值iter=1。
（2）构建解空间将各个蚂蚁随机地置于不同的出发点，对每个蚂蚁k（k=1,2,3…m），按照（2-1）计算其下一个待访问城市，直到所有蚂蚁访问完所有城市。
（3）更新信息苏计算每个蚂蚁经过路径长度Lk(k=1,2,…，m），记录当前迭代次数中的最优解（最短路径）。同时，根据式（2-2）和（2-3）对各个城市连接路径上信息素浓度进行更新。
（4） 判断是否终止若iter<iter_max，则令iter=iter+1,清空蚂蚁经过路径的记录表，并返回步骤2；否则，终止计算，输出最优解。
（5）判断是否终止若iter<iter_max，则令iter=iter+1,清空蚂蚁经过路径的记录表，并返回步骤2；否则，终止计算，输出最优解。3. 判断是否终止若iter<iter_max，则令iter=iter+1,清空蚂蚁经过路径的记录表，并返回步骤2；否则，终止计算，输出最优解。
二、源代码
clc;
clear;
%% 多配送中心的车辆调度问题
%加载数据
load data.mat
%计算位置矩阵
m=size(X,1);
D=zeros(m,m);
for i=1:m
for j=1:m
D(i,j)=norm(X(i,:)-X(j,:));
D(j,i)=D(i,j);
D(i,i)=eps;
end
end
%计算配送中心的位置
nume=zeros(20,20);
for i=1:20
for j=1:20
temp=[D(:,i) D(:,j)];
[num,pp]=min(temp,[],2);
nume(i,j)=sum(num);
end
end
[mum1,index1]=min(nume);
[mun2,index2]=min(mum1,[],2);
w1=index1(index2);
w2=index2;
%给各个配送中心分配顾客集
H=[];
S=[];
for i=1:20
if D(i,w1)<D(i,w2)
H=[H i];
else
S=[S i];
end
end
n1=size(H,2);
n2=size(S,2);
%蚁群算法求最小的车辆总行程
%设置参数
Pop=60;%蚁群数目
Alpha=1;%重要度系数
Beta=1;%Beta：能见度系数
gama=2;
Rho=0.15;%挥发度系数
MAXGEN=50;%迭代次数
Q=15;%信息更新参数
W=9;%W:车辆载重量
T=10;
w=[2.5,1.5,1.8,2.0,0.8,1.5,1.0,2.5,3.0,1.7,0.6,0.2,2.4,1.9,2.0,0.7,0.5,2.2,3.1,0.1];%每个客户所需的货物重量
t=[1.5,3.8,0.5,3,2.6,3.6,1.4,2.4,2,3.4,2,1.2,0.5,0.8,1.3,1.6,1.7,0.5,0.8,1.4];%每个客户所需的货物的容积
load_w_H=0;
load_t_H=0;
load_w_S=0;
load_t_S=0;
Eta=1./D;%启发因子，设为距离的倒数
Tau_H=ones(m,m);%信息素矩阵
Tau_S=ones(m,m);
Tabu_H=zeros(Pop,n1+10);%存储并记录路径的生成
iter=1;
G_best_route_H=[MAXGEN,n1+10];%各代最佳路线
G_best_route_S=[MAXGEN,n2+10];
G_best_length_H=zeros(MAXGEN,1);
G_best_length_S=zeros(MAXGEN,1);
length_ave_H=zeros(MAXGEN,1);%各代路线的平均长度
length_ave_S=zeros(MAXGEN,1);
G_best_length=zeros(MAXGEN,1);
%开始进行迭代
while iter<=MAXGEN
Tabu_H(:,1)=w1*ones(Pop,1);
Tabu_S(:,1)=w2*ones(Pop,1);
for i=1:Pop
visited_H=Tabu_H(i,:);
visited_H=visited_H(visited_H>0);
to_visit_H=setdiff(H,visited_H);
visited_S=Tabu_S(i,:);
visited_S=visited_S(visited_S>0);
to_visit_S=setdiff(S,visited_S);
j=1;d=1;
while j<=n1
if ~isempty(to_visit_H)
%按照规则选下一个工厂或者是回到仓库
x=to_visit_H;
for k=1:length(to_visit_H)
x(k)=(Tau_H(visited_H(end),to_visit_H(k))^Alpha)*(Eta(visited_H(end),to_visit_H(k))^Beta);
end
x=x/(sum(x));
%按概率原则选取下一个城市
XC=cumsum(x);
Select=find(XC>=rand);
if isempty(Select)
Select=w1;
load_w_H=load_w_H+w(Select);
load_t_H=load_w_H+t(Select);
else
load_w_H=load_w_H+w(to_visit_H(Select(1)));
load_t_H=load_t_H+t(to_visit_H(Select(1)));
end
c1=min((load_w_H)-9,0);c2=min((load_t_H)-10,0);
if c1<0&&c2<0
Tabu_H(i,length(visited_H)+1)=to_visit_H(Select(1));
else
Select=w1;
j=j-1;
load_w_H=0;
load_t_H=0;
Tabu_H(i,length(visited_H)+1)=Select;
end
end
visited_H=Tabu_H(i,:);
visited_H=visited_H(visited_H>0);
to_visit_H=setdiff(H,visited_H);
if visited_H(end)~=w1
Tabu_H(i,1:(length(visited_H)+1))=[visited_H,w1];
end
j=j+1;
end
%第二个配送中心
while d<=n2
if ~isempty(to_visit_S)
%按照规则选下一个工厂或者是回到仓库
x=to_visit_S;
for k=1:length(to_visit_S)
x(k)=(Tau_S(visited_S(end),to_visit_S(k))^Alpha)*(Eta(visited_S(end),to_visit_S(k))^Beta);
end
x=x/(sum(x));
%按概率原则选取下一个城市
XC=cumsum(x);
Select=find(XC>=rand);
if isempty(Select)
Select=w2;
load_w_S=load_w_S+w(Select);
load_t_S=load_w_S+t(Select);
else
load_w_S=load_w_S+w(to_visit_S(Select(1)));
load_t_S=load_t_S+t(to_visit_S(Select(1)));
end
c1=min((load_w_S)-9,0);c2=min((load_t_S)-10,0);
if c1<0&&c2<0
Tabu_S(i,length(visited_S)+1)=to_visit_S(Select(1));
else
Select=w2;
j=j-1;
load_w_S=0;
load_t_S=0;
Tabu_S(i,length(visited_S)+1)=Select;
end
end
visited_S=Tabu_S(i,:);
visited_S=visited_S(visited_S>0);
to_visit_S=setdiff(S,visited_S);
if visited_S(end)~=w2
Tabu_S(i,1:(length(visited_S)+1))=[visited_S,w2];
end
d=d+1;
end
load_w_H=0;
load_t_H=0;
load_w_S=0;
load_t_S=0;
x=[];
end
%% 第四步记录本代各种参数，计算各只蚂蚁的路程
L_H=zeros(Pop,1);
L_S=zeros(Pop,1);
for i=1:Pop
MM_H=Tabu_H(i,:);
MM_S=Tabu_S(i,:);
R_H=MM_H(MM_H>0);
R_S=MM_S(MM_S>0);
for j=1:(length(R_H)-1)
L_H(i)=L_H(i)+D(R_H(j),R_H(j+1));
end
for k=1:(length(R_S)-1)
L_S(i)=L_S(i)+D(R_S(k),R_S(k+1));
end
end
%计算最短距离和最短路径
[min_Length_H,index_H]=min(L_H);
[min_Length_S,index_S]=min(L_S);
G_best_length_H(iter)=min_Length_H;
G_best_length_S(iter)=min_Length_S;
G_best_route_H(iter,1:length(Tabu_H(index_H(1),:)))=Tabu_H(index_H(1),:);
G_best_route_S(iter,1:length(Tabu_S(index_S(1),:)))=Tabu_S(index_S(1),:);
%% 应用2-opt方法对最优解进行更新
%对第一个配送中心的最优解进行优化
select=find(G_best_route_H(iter,:)==w1);
FF_H=[];
LM_H=0;
for a=1:(length(select)-1)
y_G_best_route_H=G_best_route_H(iter,select(a):select(a+1));%%每一个解中每一个车辆路径
al=length(y_G_best_route_H);
T=zeros((length(select)-1),1);
for d=1:(al-1)
T(a)=T(a)+D(y_G_best_route_H(d),y_G_best_route_H(d+1));%%每一个解中每一个车辆路程
end
%交换车辆顺序
for b=2:(al-1)
for c=(b+1):(al-1)
DD=y_G_best_route_H;
temp1=DD(b);
temp2=DD(c);
DD(b)=temp2;
DD(c)=temp1;
TT=zeros(1);
for d=1:(al-1)
TT=TT+D(DD(d),DD(d+1));% 得到的新解的路程
end
if TT<T(a)
T(a)=TT;
y_G_best_route_H=DD;
end
end
end
if a>=2
y_G_best_route_H=y_G_best_route_H(2:al);
end
FF_H=[FF_H y_G_best_route_H];
LM_H=LM_H+T(a);
end
G_best_length_H(iter)=LM_H;
G_best_route_H(iter,1:length(FF_H))=FF_H;
G_best_length(iter)=G_best_length_H(iter)+G_best_length_S(iter);
FF_H=[];
LM_H=0;
%第一个配送中心的2-opt优化完毕
length_ave(iter)=mean(L_H+L_S);
disp(['第',num2str(iter),'代']);
iter=iter+1;
%% 第五步更新信息素
Delta_Tau_H=zeros(m,m);
Delta_Tau_S=zeros(m,m);
for i=1:Pop
MM_H=Tabu_H(i,:);
MM_S=Tabu_S(i,:);
R_H=MM_H(MM_H>0);
R_S=MM_S(MM_S>0);
for j=1:(length(R_H)-1)
Delta_Tau_H(R_H(j),R_H(j+1))=Delta_Tau_H(R_H(j),R_H(j+1))+Q/L_H(i);
end
for k=1:(length(R_S)-1)
Delta_Tau_S(R_S(k),R_S(k+1))=Delta_Tau_S(R_S(k),R_S(k+1))+Q/L_S(i);
end
end
Tau_H=(1-Rho).*Tau_H+Delta_Tau_H;
Tau_S=(1-Rho).*Tau_S+Delta_Tau_S;
%% 第六步：禁忌表清零
Tabu_H=zeros(Pop,n1);
load_w_H=0;
Tabu_S=zeros(Pop,n2);
load_w_S=0;
end
%% 第七步：输出结果
[best_length_H,index_H]=min(G_best_length_H);
[best_length_S,index_S]=min(G_best_length_S);
best_length=best_length_H+best_length_S;
best_route_H=G_best_route_H(index_H(1),:);
best_route_H=best_route_H(best_route_H>0);
best_route_S=G_best_route_S(index_S(1),:);
best_route_S=best_route_S(best_route_S>0);
disp('~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~');
disp(['最短路径为：',num2str(best_route_H)]);
disp([' ',num2str(best_route_S)]);
disp(['最短路程为：',num2str(best_length)]);
%% 第八步：绘制散点图和巡游过程图
%画出散点图，并标注配送中心的位置
figure(1)
plot(X(:,1),X(:,2),'o');
hold on
plot(X(best_route_H,1),X(best_route_H,2),'o-');
plot(X(best_route_S,1),X(best_route_S,2),'o-');
%plot([X(w1,1),X(w2,1)],[X(w1,2),X(w2,2)],'rs','MarkerSize',9);
text([X(w1,1),X(w2,1)],[X(w1,2),X(w2,2)],'\leftarrow 配送中心');
for i=1:m
text(X(i,1),X(i,2),[' ' num2str(i)]);
end
figure(2)
plot(1:MAXGEN,G_best_length) ;
hold on
plot(1:MAXGEN,length_ave);
xlabel('迭代次数/次');
ylabel('路径长度/km');
legend('最优路径长度的变化 ',' 路径长度均值变化 ');
三、运行结果
四、备注
版本：2014a
