代碼 | 自適應大鄰域搜索系列之(6) - 判斷接受準則SimulatedAnnealing的代碼解
前面三篇文章對大家來說應該很簡單吧？不過輕松了這麽久，今天再來看點刺激的。關於判斷接受準則的代碼。其實，判斷接受準則有很多種，效果也因代碼而異。今天介紹的是模擬退火的判斷接受準則。那麽，相關的原理之前的推文有講過，不懂的同學回去翻翻這個文章 復習一下哈，小編也回去看看，咳咳~。好了，廢話不多說，開始幹活。
01 總體概述
其實這個ALNS的代碼庫提供了很多的判斷接受準則，有最簡單的直接根據目標值來判斷，也有各種復雜的模擬退火降溫冷卻等過程來判斷。不過，今天挑一個最具代表性的來講吧，就是模擬退火的判斷接受準則。其代碼實現是由兩個類IAcceptanceModule、SimulatedAnnealing來實現的。它們的關系依舊如下：
其中IAcceptanceModule依舊是抽象類，只提供接口。下面對這兩貨進行解析。
02 IAcceptanceModule
這個抽象類也很簡單，只提供了一個接口transitionAccepted，以用來判斷是否要接受新的解，為純虛函數，需要在後續的代碼中重寫的。
```C++
class IAcceptanceModule
{
public:
//! Indicate if the new created solution have to be accepted or not
//! \param bestSolutionManager a reference to the best solution manager.
//! \param newSolution new solution.
//! \param status the status of the current alns iteration.
//! \return true if the transition is accepted, false otherwise.
virtual bool transitionAccepted(IBestSolutionManager& bestSolutionManager, ISolution& currentSolution, ISolution& newSolution, ALNS_Iteration_Status& status) = 0;
//! Some Acceptance modules needs to initialize some variable
//! only when the solver actualy starts working. In this case
//! you should override this method.
virtual void startSignal(){};};
# 03 SimulatedAnnealing
SimulatedAnnealing繼承於上面的接口類IAcceptanceModule，它利用模擬退火的判斷接受準則實現了transitionAccepted的功能。值得註意的是，該類成員變量裏面是一個CoolingSchedule，用來獲取當前溫度。該表有另一個抽象類ICoolingSchedule定義，下面會詳細說道。
```C++
class SimulatedAnnealing: public IAcceptanceModule {
private:
//! The cooling schedule to be use to compute the temperature each time it
//! is needed.
ICoolingSchedule* coolingSchedule;
public:
//! Constructor.
//! \param cs the cooling schedule to be used by the simulated annealing.
SimulatedAnnealing(ICoolingSchedule& cs);
//! Destructor.
virtual ~SimulatedAnnealing();
//! Compute if the newly created solution have to be accepted or not
bool transitionAccepted(IBestSolutionManager& bestSolutionManager, ISolution& currentSolution, ISolution& newSolution, ALNS_Iteration_Status& status);
virtual void startSignal();
};其成員函數的實現也非常的簡單，不過多說兩句。先利用CoolingSchedule獲取當前冷卻過程的溫度。如果新解目標值<當前解的，那麽直接接受就行了。如果＞，那麽按照一定的概率接受。具體公式解釋嘛，小編截個圖過來吧，因為在以前的文章已經講過了：
不過這裏的能量差計算用的是解的目標懲罰值算的，不是目標值。
```C++
bool SimulatedAnnealing::transitionAccepted(IBestSolutionManager& bestSolutionManager, ISolution& currentSolution, ISolution& newSolution, ALNS_Iteration_Status& status)
{
double temperature = coolingSchedule->getCurrentTemperature();
if(newSolution < currentSolution)
{
return true;
}
else
{
double difference = newSolution.getPenalizedObjectiveValue() - currentSolution.getPenalizedObjectiveValue();
double randomVal = static_cast<double>(rand())/static_cast<double>(RAND_MAX);
return (exp(-1*difference/temperature)>randomVal);
}
}
void SimulatedAnnealing::startSignal()
{
coolingSchedule->startSignal();
}
# 04 ICoolingSchedule
## 4.1 ICoolingSchedule
這貨是一個抽象類，CoolingSchedule有很多種類型，根據不同需要由這個類可以派生出下面類型的CoolingSchedule：
ICoolingSchedule只提供了兩個接口，其中getCurrentTemperature是純虛函數，用以獲取當前的退火溫度，需要重寫。
```C++
class ICoolingSchedule
{
public:
//! \return the current temperature.
virtual double getCurrentTemperature()=0;
//! This method should be called when the optimization
//! process start. The cooling schedules that actually need
//! this should override this method.
virtual void startSignal(){};
};4.2 LinearCoolingSchedule
由於CoolingSchedule有很多類型，小編挑一個LinearCoolingSchedule給大家講解吧。LinearCoolingSchedule主要的根據是叠代的次數來工作的。成員函數getCurrentTemperature是核心，用以獲取當前的溫度，便於上面的判斷接受準則計算概率。
```C++
class LinearCoolingSchedule: public ICoolingSchedule {
private:
//! The current temperature.
double currentTemperature;
//! The amount to remove at each temperature recomputation.
double amountRemove;public:
//! Constructor.
//! \param initSol the initial solution.
//! \param csParam the cooling schedule parameters.
//! \param nbIterations the number of iterations to be performed.
LinearCoolingSchedule(ISolution& initSol, CoolingSchedule_Parameters& csParam, size_t nbIterations);
//! Constructor.
//! \param startingTemperature the initial temperature.
//! \param nbIterations the number of iterations to be performed.
LinearCoolingSchedule(double startingTemperature, size_t nbIterations);
//! Destructor.
virtual ~LinearCoolingSchedule();
//! Compute and return the current temperature.
//! \return the current temperature.
double getCurrentTemperature();
void startSignal(){};};
然後現在來看看其具體方法是怎麽實現的吧。其實也很簡單，沒有那麽復雜。每次獲取currentTemperature的時候呢，先讓currentTemperature降降溫，再返回。降溫的幅度是利用currentTemperature 減去 amountRemove實現的。那麽amountRemove又是怎麽得出來的呢？LinearCoolingSchedule提供了兩個構造函數，對應不同的計算方法:
1. currentTemperature = (csParam.setupPercentage*initSol.getPenalizedObjectiveValue())/(-log(0.5));
amountRemove = currentTemperature/static_cast<double>(nbIterations);
其中，setupPercentage為參數，nbIterations為總的叠代次數。
2. amountRemove = startingTemperature/static_cast<double>(nbIterations);
其中，startingTemperature為傳入參數。
```C++
LinearCoolingSchedule::LinearCoolingSchedule(ISolution& initSol, CoolingSchedule_Parameters& csParam, size_t nbIterations) {
currentTemperature = (csParam.setupPercentage*initSol.getPenalizedObjectiveValue())/(-log(0.5));
amountRemove = currentTemperature/static_cast<double>(nbIterations);
}
LinearCoolingSchedule::LinearCoolingSchedule(double startingTemperature, size_t nbIterations) {
assert(nbIterations>0);
assert(startingTemperature>=0);
currentTemperature = startingTemperature;
amountRemove = startingTemperature/static_cast<double>(nbIterations);
}
LinearCoolingSchedule::~LinearCoolingSchedule() {
// Nothing to be done.
}
double LinearCoolingSchedule::getCurrentTemperature()
{
currentTemperature-= amountRemove;
if(currentTemperature < 0)
{
currentTemperature = 0;
}
assert(currentTemperature>=0);
return currentTemperature;
}05 小結
今天講的總體也不是很難，相信之前模擬退火學得好的小夥伴一眼就能看懂了，如果其他小夥伴還不是很理解的話，回去看看之前的文章，看看模擬退火的判斷接受準則再多加理解，相信對大家不是什麽問題。
至此，代碼已經講得差不多了，估摸著還能再做幾篇文章，依然感謝大家一路過來的支持。謝謝！咱們下期再見。
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