原创:工作指派问题解决方案---模拟退火算法C实现
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了原创:工作指派问题解决方案---模拟退火算法C实现相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本文忽略了对于模拟退火的算法的理论讲解，读者可参考相关的博文或者其他相关资料，本文着重于算法的实现:
1 /***************************************************************************** 2 ** Copyright: NEW NEU laboratory 3 ** File name: SA_工作指派问题 4 ** Description:模拟退火算法解决工作指派问题 5 ** Author: 1702--GCJ 6 ** Version: 1.0 7 ** Date: 2017/10/4 8 ** History: 无 9 *****************************************************************************/ 10 11 #include"stdio.h" 12 #include"stdlib.h" 13 #include"string.h" 14 #include "time.h" 15 #include "math.h" 16 17 /*---------------------------------------------------- 18 @brief 参数配置区 19 */ 20 #define WORK_NUM 100 //工作数量 21 #define WORKER_NUM 100 //工人数量 22 #define INIT_TEM (60 + WORK_NUM * 10) //初始温度 23 #define END_TEM 60 //终止温度 24 #define De_TEM 2 //降温函数 25 #define INTER_WHILE 500 //内循环次数 类似于邻居个数 26 27 typedef int ElementType; 28 ElementType **Time; //存储工人工作时间 指针 29 ElementType CurrentTem; //当前温度 30 31 //定义解的存储类型 向量形式 32 typedef struct _Solve{ 33 ElementType *initSolution; //初始解 //每个元素对应的序号表示工人 总序号表示工人总数 内部元素表示工人对应的工作 34 ElementType *currentSolution; //当前解 35 ElementType * optimalSolution; //最优解 36 ElementType *tempSolution; //临时解 37 ElementType OptimalSolutionValue; //记录最优解 (总时间) 38 ElementType CurrentSolutionValue; //记录上次的值 39 ElementType NextSolutionValue ; //记录交换后的总时间 40 41 }StrSolve;//存储解结构 42 43 StrSolve * SolutionSpace ; //解空间（包含当前解和初始解）指针 44 45 typedef struct _Tabu{ 46 int smallNum; 47 int bigNum; //存储数量大的元素 48 }Tabu; //禁忌表结构 49 50 typedef struct _MotionTable{ 51 Tabu tabu; //存储改变的元素 52 ElementType changedistance; //改变的距离 53 }MotionTable;//记录2opt邻域移动信息 54 55 /************************************************* 56 **Function: MemBlockWork 57 **Description: 申请存储工人工作时间的空间 58 **Calls: 无 59 **Called By: ReadDataTxt() 60 **Input: 无 61 **Output: 无 62 **Return: 指向存储工人工作时间的指针 63 **Others: 无 64 *************************************************/ 65 ElementType ** MemBlockWork(); 66 67 /************************************************* 68 **Function: ReadDataTxt 69 **Description: 从txt文档中读取工人工作时间数据 70 **Calls: MemBlockWork() 71 **Called By: main() 72 **Input: 无 73 **Output: 无 74 **Return: void 75 **Others: 里面直接用的全局变量 指针Time 76 *************************************************/ 77 void ReadDataTxt(); 78 79 /************************************************* 80 **Function: CreateSolutionSpace 81 **Description: 创建并初始化解空间 82 **Calls: 无 83 **Called By: Init2Opt() 84 **Input: worker_num 工人数量 85 **Output: 无 86 **Return: StrSolve *指针变量 87 **Others: 不用这块内存的时候要逐一释放掉 ！ 88 *************************************************/ 89 StrSolve *CreateSolutionSpace(int worker_num); 90 91 /************************************************* 92 **Function: GetInitSolution 93 **Description: 获得初始解 94 **Calls: 无 95 **Called By: Init2Opt() 96 **Input: StrSolve * 指针变量 97 **Output: 无 98 **Return: StrSolve *指针变量 99 **Others: 这里在初始化解的时候可以用其他元启发式算法得出一个较好的解 ！ 工人工作不能重复及数组空间的数字不能重复 100 *************************************************/ 101 void GetInitSolution(StrSolve * strSolve); 102 103 /************************************************* 104 **Function: Get2optSolution 105 **Description: 得到1个2邻域解 用tempSolution来存储 106 **Calls: 107 **Called By: SA() 108 **Input: solutionSpace 解空间指针 109 **Output: 无 110 **Return: void 111 **Others: 随机数要注意！ 112 *************************************************/ 113 void Get2optSolution( StrSolve * solutionSpace ); 114 115 /************************************************* 116 **Function: Init2Opt 117 **Description: 初始化SA需要用的值 118 **Calls: CreateSolutionSpace() GetInitSolution() 119 **Called By: main() 120 **Input: 无 121 **Output: 无 122 **Return: void 123 **Others: 这里在初始化解的时候可以用其他元启发式算法得出一个较好的解 ！ 不知道为什么只能在Main函数中调用否则 会出现段错误 124 *************************************************/ 125 void Init2Opt(); 126 127 /************************************************* 128 **Function: GetSumTime 129 **Description: 获取当前解的总工作时间 130 **Calls: 131 **Called By: SA() 132 **Input: distance 存储工人工作时间的矩阵指针 Solution 解指针 133 **Output: 无 134 **Return: 总工作时间 135 **Others: 里面用到了WORKER_NUM 宏 136 *************************************************/ 137 int GetSumTime( ElementType **distance,ElementType * Solution); 138 139 /************************************************* 140 **Function: SA 141 **Description: 模拟退火算法 142 **Calls: GetSumTime() Get2optSolution() memcpy() rand() exp() 143 **Called By: main() 144 **Input: solutionSpace 解空间指针 145 **Output: 最优值信息 工人工作分配 146 **Return: 无 147 **Others: 148 *************************************************/ 149 void SA( StrSolve *solutionSpace); 150 151 /************************************************* 152 **Function: MemFree 153 **Description: 释放申请的动态内存 154 **Calls: free() 155 **Called By: main() 156 **Input: distance 存储工人工作时间矩阵 strSolve 解空间的指针 157 **Output: 无 158 **Return: void 159 **Others: 这里也可以一步一步的释放掉 各自的指针 因为就用一个.c所以释放内存的操作都在这里进行 160 *************************************************/ 161 void MemFree(ElementType ** distance,StrSolve *strSolve); 162 163 /*******************************************************************************MAIN函数*************************************/ 164 int main(int argc,char *argv[]) 165 { 166 clock_t start, finish; 167 double duration; 168 169 //设置随机数种子 为以后使用rand()做准备 170 srand((unsigned int)time(0)); 171 Init2Opt(); 172 173 //从读取数据开始的起始时间 174 start = clock(); 175 176 //将工人工作时间的数据存储到Time指向的空间中 177 ReadDataTxt(Time); 178 179 //模拟退火算法开始 180 SA(SolutionSpace); 181 182 //第二次用模拟退火 183 // memcpy( SolutionSpace->currentSolution,SolutionSpace->optimalSolution,sizeof(ElementType)*WORKER_NUM ); 184 // memcpy( SolutionSpace->initSolution,SolutionSpace->optimalSolution,sizeof(ElementType)*WORKER_NUM ); 185 // memcpy( SolutionSpace->tempSolution,SolutionSpace->optimalSolution,sizeof(ElementType)*WORKER_NUM ); 186 // GetInitSolution(SolutionSpace);//初始化解 187 // SA(SolutionSpace); 188 189 //结束时间 190 finish = clock(); 191 duration = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC; 192 printf("\\n SA算法运行时间:%.4f秒 \\n",duration); 193 194 //释放申请的内存 195 MemFree(Time,SolutionSpace); 196 197 return 0; 198 } 199 200 /************************************************* 201 **Function: MemBlockWork 202 **Description: 申请存储工人工作时间的空间 203 **Calls: 无 204 **Called By: ReadDataTxt() 205 **Input: 无 206 **Output: 无 207 **Return: 指向存储工人工作时间的指针 208 **Others: 无 209 *************************************************/ 210 ElementType ** MemBlockWork() 211 { 212 ElementType ** Distance; 213 int i=0; 214 215 //动态申请一块内存存储工人工作时间 216 Distance = (ElementType **)malloc(sizeof(ElementType *)* WORKER_NUM); 217 for(i = 0;i< WORKER_NUM; i++){ 218 Distance[i] = (ElementType *)malloc(sizeof (ElementType )* WORK_NUM); 219 } 220 return Distance; 221 } 222 223 /************************************************* 224 **Function: ReadDataTxt 225 **Description: 从txt文档中读取工人工作时间数据 226 **Calls: MemBlockWork() 227 **Called By: main() 228 **Input: 无 229 **Output: 无 230 **Return: void 231 **Others: 里面直接用的全局变量 指针Time 232 *************************************************/ 233 void ReadDataTxt() 234 { 235 // FILE *fpRead=fopen("F:\\\\GCJ\\\\Desktop\\\\智能优化方法作业\\\\data.txt","r"); 236 FILE *fpRead=fopen("data.txt","r"); //从data.txt中读取数据 237 int i,j; 238 if(fpRead==NULL){ 239 printf("open file data.txt failed!\\n"); 240 exit(1); 241 } 242 Time = MemBlockWork(); //申请一块存储城市数量空间 243 for( i = 0;i < WORKER_NUM; i++ ){ 244 for(j=0 ;j < WORK_NUM ;j++ ){ 245 fscanf(fpRead,"%d",&Time[i][j]);//自动读取数据 只要自己能够控制好存储位置即可 246 // printf("Time[%d][%d] = %d ",i,j,Time[i][j]); 247 } 248 } 249 fclose(fpRead); 250 } 251 252 /************************************************* 253 **Function: CreateSolutionSpace 254 **Description: 创建并初始化解空间 255 **Calls: 无 256 **Called By: Init2Opt() 257 **Input: worker_num 工人数量 258 **Output: 无 259 **Return: StrSolve *指针变量 260 **Others: 不用这块内存的时候要逐一释放掉 ！ 261 *************************************************/ 262 StrSolve *CreateSolutionSpace(int worker_num) 263 { 264 int i; 265 StrSolve *strSolve = (StrSolve *)malloc( sizeof(StrSolve) ) ; 266 strSolve->initSolution = ( ElementType *)malloc(sizeof(ElementType)* worker_num ); 267 strSolve->currentSolution = ( ElementType *)malloc(sizeof(ElementType)* worker_num ); 268 strSolve->optimalSolution = ( ElementType *)malloc(sizeof(ElementType)* worker_num ); 269 strSolve->tempSolution = ( ElementType *)malloc(sizeof(ElementType)* worker_num ); 270 271 //初始化解空间 272 for(i = 0;i< worker_num;i++){ 273 strSolve->initSolution[i] = (ElementType)0; 274 strSolve->currentSolution[i] = (ElementType)0; 275 strSolve->optimalSolution[i] = (ElementType)0; 276 strSolve->tempSolution[i] = (ElementType)0; 277 } 278 strSolve->CurrentSolutionValue = 0; 279 strSolve->NextSolutionValue = 0; 280 strSolve->OptimalSolutionValue = 0; 281 282 return strSolve; 283 } 284 285 /************************************************* 286 **Function: GetInitSolution 287 **Description: 获得初始解 288 **Calls: 无 289 **Called By: Init2Opt() 290 **Input: StrSolve * 指针变量 291 **Output: 无 292 **Return: StrSolve *指针变量 293 **Others: 这里在初始化解的时候可以用其他元启发式算法得出一个较好的解 ！ 工人工作不能重复及数组空间的数字不能重复 294 *************************************************/ 295 void GetInitSolution(StrSolve * strSolve) 296 { 297 int i; 298 //产生0- WORK_NUM-1 (工作数量减1) 之间的随机数不能重复 299 //默认从0号工作顺序开始 300 for( i = 0;i < WORKER_NUM;i++){ 301 strSolve->initSolution[i] = i; 302 strSolve->currentSolution[i] = i; 303 strSolve->optimalSolution[i] = i; 304 strSolve->tempSolution[i] = i; 305 } 306 307 } 308 309 /************************************************* 310 **Function: Get2optSolution 311 **Description: 得到1个2邻域解 用tempSolution来存储 312 **Calls: 313 **Called By: SA() 314 **Input: solutionSpace 解空间指针 315 **Output: 无 316 **Return: void 317 **Others: 随机数要注意！ 318 *************************************************/ 319 void Get2optSolution( StrSolve * solutionSpace ) 320 { 321 //产生一个 0 - - WORKER-1之间的随机数 表示交换工人对应的工作数 [0,WORKER) 322 MotionTable motiontable; 323 ElementType temp; 324 // ElementType changeDistance; 325 int rand1,rand2; 326 // rand1 = (CityNum-1) *rand()/(RAND_MAX + 1.0); 327 rand1 = rand()%WORKER_NUM; //[0,WORKER_NUM) 328 rand2 = rand()%WORKER_NUM; 329 while( rand2 == rand1 ) //必须产生两个不同的随机数 330 rand2 = rand()%WORKER_NUM; 331 332 //记录交换的两个工人编号 333 motiontable.tabu.smallNum = (rand2 >rand1)? rand1:rand2; 334 motiontable.tabu.bigNum = (rand2 >rand1)? rand2:rand1; 335 336 //更新当前解 //用临时解作为j解 337 temp = solutionSpace->tempSolution[ motiontable.tabu.smallNum ]; 338 solutionSpace->tempSolution[ motiontable.tabu.smallNum] = solutionSpace->tempSolution[ motiontable.tabu.bigNum ]; 339 solutionSpace->tempSolution[ motiontable.tabu.bigNum ] = temp; 340 341 // motiontable->changedistance = Get2OptChangeDistance( &motiontable->tabu ,strSolve->tempSolution ); 342 343 } 344 345 /************************************************* 346 **Function: Init2Opt 347 **Description: 初始化SA需要用的值 348 **Calls: CreateSolutionSpace() GetInitSolution() 349 **Called By: main() 350 **Input: 无 351 **Output: 无 352 **Return: void 353 **Others: 这里在初始化解的时候可以用其他元启发式算法得出一个较好的解 ！ 不知道为什么只能在Main函数中调用否则 会出现段错误 354 *************************************************/ 355 void Init2Opt() 356 { 357 SolutionSpace = CreateSolutionSpace(WORKER_NUM);//创建解空间 358 GetInitSolution(SolutionSpace);//初始化解 359 } 360 361 /************************************************* 362 **Function: GetSumTime 363 **Description: 获取当前解的总工作时间 364 **Calls: 365 **Called By: SA() 366 **Input: distance 存储工人工作时间的矩阵指针 Solution 解指针 367 **Output: 无 368 **Return: 总工作时间 369 **Others: 里面用到了WORKER_NUM 宏 370 *************************************************/ 371 int GetSumTime( ElementType **distance,ElementType * Solution) 372 { 373 //只要保证Solution 里面的值不一样即可算出 374 int i; 375 int SumLevel = 0; 376 for(i = 0; i < WORKER_NUM ; i++){ 377 SumLevel += distance[ i ][ Solution[i] ]; 378 } 379 380 return SumLevel; 381 } 382 383 /************************************************* 384 **Function: SA 385 **Description: 模拟退火算法 386 **Calls: GetSumTime() Get2optSolution() memcpy() rand() exp() 387 **Called By: main() 388 **Input: solutionSpace 解空间指针 389 **Output: 最优值信息 工人工作分配 390 **Return: 无 391 **Others: 392 *************************************************/ 393 void SA( StrSolve *solutionSpace) 394 { 395 int i;//当前内循环次数 396 ElementType ChangeValue = 0; 397 double rand1; 398 399 //更新初始值和最优解/值 400 solutionSpace->OptimalSolutionValue = GetSumTime( Time,solutionSpace->initSolution ); 401 solutionSpace->CurrentSolutionValue = solutionSpace->OptimalSolutionValue; 402 // memcpy( solutionSpace->optimalSolution,solutionSpace->initSolution,sizeof(ElementType)* WORKER_NUM );//初始化的时候已经完成 403 404 //设定当前温度为初始温度 405 CurrentTem = INIT_TEM; 406 while( CurrentTem >= END_TEM){ 407 408 for( i = 0;i < INTER_WHILE ;i++){ 409 410 //获取 2邻域一个解 //里面修改了临时解的邻域 在下面的if else if else 处理应对好了 411 Get2optSolution( solutionSpace ); 412 413 //计算目标值改变大小 414 solutionSpace->NextSolutionValue = GetSumTime( Time,solutionSpace->tempSolution ); 415 ChangeValue = solutionSpace->NextSolutionValue - solutionSpace->CurrentSolutionValue ; 416 417 //Metropolis准则 418 if( ChangeValue < 0 ){//接受该解 419 420 //更新当前解 //不用更新临时解了 因为已经更新好了 421 memcpy( solutionSpace->currentSolution,solutionSpace->tempSolution,sizeof(ElementType)*WORKER_NUM ); 422 solutionSpace->CurrentSolutionValue = solutionSpace->NextSolutionValue; 423 424 //判断是否更新最优解 425 if( solutionSpace->CurrentSolutionValue < solutionSpace->OptimalSolutionValue ){ 426 427 //更新最优解 428 memcpy( solutionSpace->optimalSolution,solutionSpace->currentSolution,sizeof(ElementType)*WORKER_NUM ); 429 solutionSpace->OptimalSolutionValue = solutionSpace->CurrentSolutionValue; 430 } 431 }/*Metropolis 准则 end*/ 432 else if( exp ( -(1.00*ChangeValue)/CurrentTem ) > (rand1 = rand()/(RAND_MAX+1.0) ) ){ //如果大于随机数 那么也接受该点 433 434 //更新当前解 //不用更新临时解了 因为已经更新好了 435 memcpy( solutionSpace->currentSolution,solutionSpace->tempSolution,sizeof(ElementType)*WORKER_NUM ); 436 solutionSpace->CurrentSolutionValue = solutionSpace->NextSolutionValue; 437 438 //判断是否更新最优解 //实际上在这里肯定不会更新的 但是先不改了 439 if( solutionSpace->CurrentSolutionValue < solutionSpace->OptimalSolutionValue ){ 440 //更新最优解 441 memcpy( solutionSpace->optimalSolution,solutionSpace->currentSolution,sizeof(ElementType)*WORKER_NUM ); 442 solutionSpace->OptimalSolutionValue = solutionSpace->CurrentSolutionValue; 443 } 444 } 445 else{//没有满足准则的时候 就要更新临时解为原来的currentSolution 因为获得2邻域解的时候修改了tempSolution 446 447 memcpy( solutionSpace->tempSolution,solutionSpace->currentSolution,sizeof(ElementType)*WORKER_NUM ); 448 449 }/*if ...else if ..else end*/ 450 451 }/*for end 内循环*/ 452 453 //更新降温函数 根据外层的循环次数而定 454 CurrentTem -= De_TEM; 455 456 } /*while end*/ 457 458 //输出历史最优值及工作分配 459 printf("\\n工人工作时间最优值为:%d\\n",solutionSpace->OptimalSolutionValue); 460 printf("工人分配的工作为:\\n"); 461 for( i = 0;i < WORKER_NUM; i++){ 462 printf("工人:%d 分配工作:%d\\n",i+1,1+solutionSpace->optimalSolution[i]); 463 } 464 printf("\\n工人工作时间最优值为:%d\\n",solutionSpace->OptimalSolutionValue); 465 } 466 467 /************************************************* 468 **Function: MemFree 469 **Description: 释放申请的动态内存 470 **Calls: free() 471 **Called By: main() 472 **Input: distance 存储工人工作时间矩阵 strSolve 解空间的指针 473 **Output: 无 474 **Return: void 475 **Others: 这里也可以一步一步的释放掉 各自的指针 因为就用一个.c所以释放内存的操作都在这里进行 476 *************************************************/ 477 void MemFree(ElementType ** distance,StrSolve *strSolve) 478 { 479 int i=0; 480 int j = 0; 481 482 //释放矩阵元素存储区 483 for(i = 0;i < WORKER_NUM; i++){ 484 free( distance[i] ); 485 } 486 free(distance); 487 488 //释放解空间 489 free(strSolve->initSolution); 490 free(strSolve->currentSolution); 491 free(strSolve->optimalSolution); 492 free(strSolve->tempSolution); 493 free(strSolve); 494 495 }
下面是试验的结果图:
以上是关于原创:工作指派问题解决方案---模拟退火算法C实现的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章