Java版GA_TSP（我的第一個Java程序）
嗯哼，第一次寫博客，準確說是第一次通過文字的方式記錄自己的工作，閑話少敘，技術汪的博客就該直奔技術主題（關於排版問題，會在不斷寫博客的過程中慢慢學習，先將就著用吧，重在技術嘛~~~）。
遺傳算法（Genetic Algorithm, GA），作為很多人接觸智能優化算法的第一個算法，互聯網的資料不可謂不多，但不是本文的重點，故在此不再過細展開，只簡單說下大概思想：根據現代生物學理論 “物競天擇，適者生存” 原理，不斷淘汰適應能力差的個體，模擬生物進化過程。大致步驟為：
- 生成一個初始種群（Initial Population）；
- 通過計算種群中各個個體（Individual）的適應度（Fitness）大小來表示種群中各個個體的對環境的適應能力；
- 根據 “適者生存” 原則選擇（Select）部分個體繁衍（即Cross、Mutation操作）生成子代種群；
- 判斷是否滿足進化結束條件（即算法終止條件）. 若滿足，結束進化，輸出結果；否則，重復執行步驟2~3.
[註]本文用於求解TSP的遺傳算法並非經典遺傳算法，而是針對TSP特征寫的一個簡化版的遺傳算法，求解質量比較low，畢竟是第一個java程序，還是要預留寫改進空間麽不是~~~
旅行商問題（Travel Salesman Problem, TSP）作為運籌學分支組合優化中的經典問題，一直備受關註。大白話的說法是：一個旅行商從某一城市出發，希望以最短的路程完成對N個城市的巡回訪問，並最終回到出發城市。專業一點的說法是：在有向圖中，從某一點開始，以最小代價補充不漏的遍歷所有點，並返回初始點。
關於Java必須多說兩句。首先，Java語言是新學的，之前一直用的MATLAB，然而實驗室的工作站帶MATLAB還可以，自己的破筆記本實在帶不動。感覺每次用MATLAB運行代碼，我的小本都會經歷一場生死，從點擊“Run” 360小球噌的一下竄上95%那一瞬間，仿佛全世界就是剩下了小本呼哧呼哧的掙紮。
本著人道主義精神，終於在某個深夜卸載了MATLAB，頓時感覺小本的重量都輕了許多（可能是幻覺吧）。MATLAB是卸載了，但畢業還要寫代碼啊，總不能不畢業吧，所以之後選用Python試了試，相比動輒十幾個G的MATLAB，幾十M的Python用起來確實不錯，在加上Python語言本身確實簡單，對代碼汪想法的快速程序表達非常友好，以及那句“人生苦短，我用Python”，使得我一度認為Python應該就是我的最終選擇了，但是……但是……但是用Python跑了GA&TSP後我就動搖了，運行速度著實堪憂，可能是自己技術太渣，即使使用Pypy也不能達到我的預期，而作為對算法實現效率有著苛刻要求的組合優化問題，為了把其他論文中的求解結果給PK下去，所以……所以……所以我又拋棄了Python。
之所以沒有選用高效率的且大一就學過的C語言，則是因為實在搞不定C語言的內存管理，對於指針的使用更是隨心而動，致使最後Debug的時候就像二哈咬刺猬，都不知道從哪下口……
嗯哼，然後就是Java了，選擇Java就是在使用了排除法後的選擇，兼顧了我筆記本的性能缺陷與運行效率。說了這麽多，終於到達戰場，幹貨出場：
遺傳算法示意圖
下面上代碼：
Data類：用來放客戶點的坐標，也可以用I/O流從外部文件中獲取。
1 package GA; 2 3 public class Data { 4 public static double[][] XY(){ 5 double [][] xy = new double [][] { 6 { 1304 , 2312 } , 7 { 3639 , 1315 } , 8 { 4177 , 2244 } , 9 { 3712 , 1399 } , 10 { 3488 , 1535 } , 11 { 3326 , 1556 } , 12 { 3238 , 1229 } , 13 { 4196 , 1004 } , 14 { 4312 , 790 } , 15 { 4386 , 570 } , 16 { 3007 , 1970 } , 17 { 2562 , 1756 } , 18 { 2788 , 1491 } , 19 { 2381 , 1676 } , 20 { 1332 , 695 } , 21 { 3715 , 1678 } , 22 { 3918 , 2179 } , 23 { 4061 , 2370 } , 24 { 3780 , 2212 } , 25 { 3676 , 2578 } , 26 { 4029 , 2838 } , 27 { 4263 , 2931 } , 28 { 3429 , 1908 } , 29 { 3507 , 2367 } , 30 { 3394 , 2643 } , 31 { 3439 , 3201 } , 32 { 2935 , 3240 } , 33 { 3140 , 3550 } , 34 { 2545 , 2357 } , 35 { 2778 , 2826 } , 36 { 2370 , 2975 } 37 }; 38 return xy; 39 } 40 }
DistanceMatrix類：用來計算各客戶點間的歐氏距離。原打算也放在GSTSP類中，但考慮到有些問題中距離矩陣是給定的，而不是通過公式計算得到的，就單獨拿出來了。
1 package GA; 2 3 public class DistanceMatrix { 4 public static double[][] DistMatrix(double[][] xy){ 5 //計算距離矩陣 6 int N = xy.length; 7 double[][] DM = new double[N][N]; 8 for (int i = 0; i < N; i++) { 9 for (int j = 0; j < N; j++) { 10 DM[i][j] = Math.hypot(xy[i][0] - xy[j][0],xy[i][1] - xy[j][1]); 11 } 12 } 13 return DM; 14 } 15 }
Pop類：用來放置對Pop的操作方法，包括計算適應度的fit()函數（貌似這個命名不規範，但是我懶呀，我就不改，你能怎樣？？？）和尋找並記錄最有個體的Max()函數（寫這個函數以及初始化種群的時候非常懷戀MATLAB，MATLAB中自帶的的max()能夠同時獲取最大值的索引，初始化種群就更簡單了，一個randperm()解決所有問題。）
1 package GA; 2 3 public class Pop { 4 5 public static double fit(int[] Ind) { 6 //計算適應度函數 7 double[][] xy = Data.XY(); 8 double[][] DM = DistanceMatrix.DistMatrix(xy); 9 double dist = 0.0; 10 int s = Ind.length; 11 12 for (int i0 = 0; i0 < s - 1; i0++) { 13 dist += DM[Ind[i0] - 1][Ind[i0 + 1] - 1]; 14 } 15 dist += DM[Ind[Ind.length - 1] - 1][Ind[0] - 1]; 16 return dist; 17 } 18 19 public static double[] Max(double[] Fit) { 20 //尋找最優個體及相應的位置 21 double[] max = new double[2]; 22 double maxFit = 0.0; 23 double maxIndex = -1; 24 for (int i = 0; i < Fit.length; i++) { 25 if (Fit[i] > maxFit) { 26 maxFit = Fit[i]; 27 maxIndex = (double)i; 28 } 29 } 30 max[0] = maxFit; 31 max[1] = maxIndex; 32 return max; 33 } 34 }
Sharking類：存放擾動算子，想著以後其他智能算法中也能用得著，就一次性造好輪子，以後就能直接用了，寫這幾個擾動算子的時候也想誇誇MATLAB強大的輪子庫, 如fliplr() 就是很好的輪子，還有對數組的各種切割、拼接神奇操作，讓我只能一邊痛苦的造著輪子，一邊默念“效率第一，Java無敵”……
1 package GA; 2 3 import java.util.Random; 4 5 public class Sharking { 6 7 public static int[] Swap(int[] S) { 8 //交換操作 9 10 Random rand = new Random(); 11 int I = rand.nextInt(S.length); 12 int J = rand.nextInt(S.length); 13 14 int tmp = S[I]; 15 S[I] = S[J]; 16 S[J] = tmp; 17 18 return S; 19 } 20 21 public static int[] Flip(int[] S) { 22 //翻轉操作 23 24 int[] S0 = new int [S.length]; 25 26 Random rand = new Random(); 27 int tmpI = rand.nextInt(S.length); 28 int tmpJ = tmpI; 29 while(tmpI==tmpJ) { 30 tmpJ = rand.nextInt(S.length); 31 } 32 int I = Math.min(tmpI, tmpJ); 33 int J = Math.max(tmpI, tmpJ); 34 35 for (int i = 0; i < S0.length;i++) { 36 if (i >= I && i <= J) { 37 S0[i] = S[I+J-i]; 38 }else { 39 S0[i] = S[i]; 40 } 41 } 42 return S0; 43 } 44 45 public static int[] Insert(int[] S) { 46 //插入操作 47 48 int[] S0 = new int [S.length]; 49 50 Random rand = new Random(); 51 int tmpI = rand.nextInt(S.length); 52 int tmpJ = tmpI; 53 while(tmpI==tmpJ) { 54 tmpJ = rand.nextInt(S.length); 55 } 56 int I = Math.min(tmpI, tmpJ); 57 int J = Math.max(tmpI, tmpJ); 58 59 for (int i = 0; i < S0.length;i++) { 60 if (i >= I && i < J) { 61 S0[i] = S[i+1]; 62 }else if(i==J){ 63 S0[i] = S[I]; 64 }else{ 65 S0[i] = S[i]; 66 } 67 } 68 return S0; 69 } 72 }
GATSP類：本來準備將算法單獨弄一個類，後來……後來……我懶呀、我懶呀…..., 所以現在的這個類又臭又長，既包括算法，也包括其他輪子沒有幹的所有事情，比如說結果輸出。
1 package GA; 2 3 import java.util.Random; 4 5 public class GATSP { 6 7 public static double[] Cusume(double[] A) { 8 //適應於輪盤賭的累加器 9 double[] cus = new double[A.length+1]; 10 11 cus[0] = 0.0; 12 for (int i = 0; i < A.length; i++) { 13 cus[i+1] = cus[i] + A[i]; 14 } 15 return cus; 16 } 17 18 public static double Sum(double[] Arr) { 19 //求和 20 double sum = 0.0; 21 for (int i = 0;i <Arr.length;i++) { 22 sum += Arr[i]; 23 } 24 return sum; 25 } 26 27 28 29 public static void main(String[] args) { 30 31 long startTime=System.currentTimeMillis(); 32 33 //參數列表 34 //31城市TSP最優解15377.711 35 int MaxGen = 500; 36 int PopSize =200; 37 double[][] xy = Data.XY(); 38 int N = xy.length; 39 40 double[][] DM = DistanceMatrix.DistMatrix(xy); 41 int[][] Pop = new int[PopSize][N]; 42 double[] Trace = new double[MaxGen]; 43 Pop nowPop = new Pop(); 44 double bs = 1e10; 45 int[] BS = new int[N]; 46 47 48 //生成初始種群 49 for (int p = 0; p < PopSize; p++) { 50 for (int j = 0; j < N;j++) { 51 Pop[p][j] = j + 1; 52 } 53 //隨機生成初始個體 54 for (int k = 0; k < N;k++) { 55 Random rand = new Random(); 56 int r = rand.nextInt(N); 57 int tmp; 58 tmp = Pop[p][r]; 59 Pop[p][r] = Pop[p][k]; 60 Pop[p][k] = tmp; 61 } 62 } 63 64 //進入叠代 65 for (int gen = 0; gen < MaxGen;gen++) { 66 // 計算種群適應度 67 double[] Fit = new double[PopSize]; 68 int[] indiv = new int[N]; 69 70 for (int p = 0; p < PopSize;p++) { 71 //取一個個體 72 for (int j = 0; j < N;j++) { 73 indiv[j] = Pop[p][j]; 74 } 75 Fit[p] = nowPop.fit(indiv); 76 } 77 78 //更新最優個體以及最優個體的適應度 79 double[] SortAfterFit = new double[PopSize];//拷貝一份適應度數組 80 for (int i = 0; i < PopSize;i++) { 81 SortAfterFit[i] = Fit[i]; 82 } 83 double[] BestS = nowPop.Max(Fit); 84 double tmpbs = BestS[0]; //當前代最優解（最優個體的適應度） 85 if (tmpbs < bs) { 86 bs = tmpbs; 87 int BestIndex = (int)BestS[1]; 88 for (int i = 0; i < N; i++) { 89 BS[i] =Pop[BestIndex][i]; //最優個體 90 } 91 } 92 Trace[gen] = bs; 93 94 //輪盤賭選擇 95 double[] cusFit0 = Cusume(Fit);//數組長度變為N+1，補充了首個元素0.0 96 double sumFit = Sum(Fit); 97 //歸一化 98 double[] cusFit = new double[cusFit0.length]; 99 for (int i = 0; i < cusFit.length; i++) { 100 cusFit[i] =cusFit0[i] / sumFit; 101 } 102 103 int[][] newPop = new int[PopSize][N]; 104 for (int q = 0;q < N; q++) { 105 newPop[0][q] = BS[q]; 106 } 107 for (int p = 1; p < PopSize; p++) { 108 double rand = Math.random(); 109 for (int r = 0; r < PopSize; r++) { 110 if (rand > cusFit[r] && rand <= cusFit[r+1]) { 111 for (int q = 0;q < N; q++) { 112 newPop[p][q] = Pop[r][q]; 113 } 114 } 115 } 116 } 117 118 //擾動操作 119 for (int p = 0; p < PopSize; p++) { 120 double R = Math.random(); 121 122 int[] S = new int[N]; 123 for (int i = 0; i < N; i++) { 124 S[i] = newPop[p][i]; 125 } 126 127 int[] S0 = new int[N]; 128 if (R < 0.33) { 129 S0 = Sharking.Swap(S); 130 }else if (R > 0.67) { 131 S0 = Sharking.Insert(S); 132 }else { 133 S0 = Sharking.Flip(S); 134 } 135 136 for (int i = 0; i < N; i++) { 137 newPop[p][i] = S0[i]; 138 } 139 } 140 141 //更新種群 142 for (int p = 0; p < PopSize; p++) { 143 for (int i = 0; i < N; i++) { 144 Pop[p][i] = newPop[p][i]; 145 } 146 } 147 }//結果叠代 148 149 long endTime=System.currentTimeMillis(); 150 //結果輸出 151 System.out.println("經過"+MaxGen+"次叠代，最短路徑長度為:"+bs); 152 System.out.println("程序用時 "+(double)(endTime - startTime)/1000+"秒."); 153 double bs0 = 15377.711; 154 System.out.println("與最優解的誤差為"+(bs-bs0)/bs0*100+"%."); 155 for (int i = 0; i < MaxGen; i++) { 156 System.out.println(i+1+" "+Trace[i]); 157 } 158 159 System.out.println("相應的最短路徑為"); 160 for (int i = 0; i < N; i++) { 161 System.out.print(BS[i]+"->"); 162 } 163 System.out.print(BS[0]); 164 } 165 }
本來劇情發展到這裏，應該是求解結果展示，然後就可以領盒飯了，無奈結果太渣，不忍心拿出來，所以劇情稍微轉下，多說幾句關於MATLAB與Java：
本來應該還有一個PlotFigure類，然而Java學的不精，暫時還不會用，說到這裏，又懷戀起MATLAB來，其強大的可視化結果能力，確實很有吸引力，想想之前只要用MATLAB寫上幾行代碼就可以在每次跑完程序有一堆酷酷的圖出來，比如說算法叠代收斂圖、最優路徑圖什麽的，現在只有“28->23->29->19->……”這種結果，心裏實在不是很平衡，所以，我決定……下次一定要把Java的繪圖學會。
Ps:還是截圖紀念下第一次Java寫遺傳算法~~~
[完]
Java版GA_TSP（我的第一個Java程序）