python实现人工蜂群算法

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下面是详细讲解“python实现人工蜂群算法”的完整攻略,包含两个示例说明。

人工蜂群算法简介

人工蜂群算法(Artificial Bee Colony,ABC)是一种基于蜜蜂觅食行为的优化算法。在ABC算法中,蜜蜂分为三种角色:雇佣蜜蜂、侦查蜜蜂和观察蜜蜂。雇佣蜜蜂和侦查蜜蜂负责搜索解空间,观察蜜蜂负责评估解的质量。ABC算法的优点是易于实现,收敛速度快,适用于多维优化问题。

Python实现人工蜂群算法

下面是Python实现人工蜂群算法的代码:

import random
import numpy as np

class ABC:
    def __init__(self, func, n_employed, n_onlooker, n_dim, lb, ub, max_iter):
        self.func = func
        self.n_employed = n_employed
        self.n_onlooker = n_onlooker
        self.n_dim = n_dim
        self.lb = lb
        self.ub = ub
        self.max_iter = max_iter

        self.best_solution = None
        self.best_fitness = np.inf

        self.employed_bees = []
        self.onlooker_bees = []
        self.scout_bees = []

        for i in range(self.n_employed):
            solution = np.random.uniform(self.lb, self.ub, self.n_dim)
            fitness = self.func(solution)
            self.employed_bees.append((solution, fitness))

    def employed_bee_phase(self):
        for i in range(self.n_employed):
            solution, fitness = self.employed_bees[i]
            j = random.randint(0, self.n_dim - 1)
            k = random.randint(0, self.n_employed - 1)
            while k == i:
                k = random.randint(0, self.n_employed - 1)
            x = solution.copy()
            x[j] = self.employed_bees[k][0][j]
            new_fitness = self.func(x)
            if new_fitness < fitness:
                self.employed_bees[i] = (x, new_fitness)
                if new_fitness < self.best_fitness:
                    self.best_solution = x
                    self.best_fitness = new_fitness

    def onlooker_bee_phase(self):
        fitness_sum = sum([bee[1] for bee in self.employed_bees])
        probabilities = [bee[1] / fitness_sum for bee in self.employed_bees]
        for i in range(self.n_onlooker):
            j = self.select_bee(probabilities)
            solution, fitness = self.employed_bees[j]
            k = random.randint(0, self.n_dim - 1)
            x = solution.copy()
            x[k] = np.random.uniform(self.lb, self.ub)
            new_fitness = self.func(x)
            if new_fitness < fitness:
                self.employed_bees[j] = (x, new_fitness)
                if new_fitness < self.best_fitness:
                    self.best_solution = x
                    self.best_fitness = new_fitness

    def scout_bee_phase(self):
        for i in range(self.n_employed):
            if self.employed_bees[i][1] > self.best_fitness:
                solution = np.random.uniform(self.lb, self.ub, self.n_dim)
                fitness = self.func(solution)
                self.employed_bees[i] = (solution, fitness)

    def select_bee(self, probabilities):
        r = np.random.uniform(0, 1)
        for i in range(len(probabilities)):
            if r < probabilities[i]:
                return i
            r -= probabilities[i]

    def optimize(self):
        for i in range(self.max_iter):
            self.employed_bee_phase()
            self.onlooker_bee_phase()
            self.scout_bee_phase()

        return self.best_solution, self.best_fitness

这个代码实现了ABC算法的优化过程。在这个代码中,我们首先初始化蜜蜂群体,然后进行雇佣蜜蜂、侦查蜜蜂和观察蜜蜂三个阶段的优化。最后,我们返回最解和最优解适应度。

示例1:使用ABC算法求解函数最小值

让我们使用ABC算法求解函数最小值。我们将使用以下代码:

import numpy as np
from abc import ABC

def sphere(x):
    return sum(x ** 2)

abc = ABC(sphere, n_employed=20, n_onlooker=20, n_dim=10, lb=-5.12, ub=5.12, max_iter=1000)
best_solution, best_fitness = abc.optimize()

print('Best solution:', best_solution)
print('Best fitness:', best_fitness)

这个代码使用ABC算法求解函数最小值。我们首先定义了一个函数sphere,然后使用ABC算法进行优化。最后,我们输出最优解和最优解的适应度。

示例2:使用ABC算法求解旅行商问题

让我们使用ABC算法求解旅行商问题。我们将使用以下代码:

import numpy as np
from abc import ABC

def tsp_distance(x, y):
    return np.sqrt((x[0] - y[0]) ** 2 + (x[1] - y[1]) ** 2)

def tsp_fitness(solution, cities):
    distance = 0
    for i in range(len(solution) - 1):
        distance += tsp_distance(cities[solution[i]], cities[solution[i + 1]])
    distance += tsp_distance(cities[solution[-1]], cities[solution[0]])
    return distance

def tsp(n_cities):
    cities = np.random.uniform(0, 1, (n_cities, 2))
    def func(solution):
        return tsp_fitness(solution, cities)

    abc = ABC(func, n_employed=20, n_onlooker=20, n_dim=n_cities, lb=0, ub=n_cities, max_iter=1000)
    best_solution, best_fitness = abc.optimize()

    return best_solution, best_fitness

best_solution, best_fitness = tsp(10)

print('Best solution:', best_solution)
print('Best fitness:', best_fitness)

这个代码使用ABC算法求解旅行商问题。我们首先定义了一个函数tsp_distance用于计算两个城市之间的距离,然后定义一个函数tsp_fitness用于计算旅行商问题的适应度。最后,我们使用ABC算法进行优化,并输出最优解和最优解的适应度。

希望这个攻略能帮助你理解如何使用Python实现人工蜂群算法!

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