MATLAB智能优化算法-学习笔记（4）——灰狼优化算法求解旅行商问题【过程+代码】

灰狼优化算法（Grey Wolf Optimizer, GWO）是一种基于灰狼社会行为的元启发式算法，主要模拟灰狼群体的捕猎行为（包括围攻、追捕、搜寻猎物等过程）。多旅行商问题（Multi-Traveling Salesman Problem, mTSP）是旅行商问题（TSP）的扩展，它涉及多个旅行商（车辆）从一个起点城市出发，各自访问一组城市，且每个城市只能被访问一次，最后回到起点城市。

要用灰狼优化算法求解多旅行商问题，大致可以按照以下步骤进行：

1. 问题表示

• 将mTSP问题表示成一个优化问题。设有n个城市，k个旅行商，每个旅行商需要从起点城市出发并访问若干个城市后返回起点，目标是最小化所有旅行商路径的总长度。
• 将每个可能的解表示为城市访问的顺序（或路径）。

2. 初始化种群

• 初始化灰狼群体，群体中每个个体对应于一个多旅行商问题的解。即每个灰狼表示多个旅行商的路径方案。
• 设定灰狼的数量为NNN，并随机生成NNN个可行解。

3. 适应度函数

• 定义适应度函数，用于评价每个解的优劣。在mTSP问题中，适应度函数通常是所有旅行商路径总距离的和，目标是最小化该距离。

4. 捕猎行为的模拟

• 在GWO中，灰狼分为四个等级：α狼、β狼、δ狼和ω狼。α狼是最优解，β狼和δ狼是次优解，ω狼是剩下的灰狼。
• 每个灰狼根据α、β、δ的位置信息更新自己，模拟围攻猎物的过程。更新公式如下：

5. 边界条件

• 确保灰狼不会超出可行解的边界。对于多旅行商问题，可以应用修正策略确保每个城市被所有旅行商访问一次，且每个旅行商都有路径。

6. 迭代与终止条件

• 通过若干次迭代，更新灰狼的位置，逐步接近最优解。当达到最大迭代次数或收敛条件时，算法停止。

7. 解的生成

• 最终，α狼的位置（即当前最优解）表示了一个可行的旅行商路径方案，即解出了多旅行商问题。

8. 优势

• GWO求解mTSP具有较好的全局搜索能力和较少的参数调优需求，适合解决复杂的组合优化问题。

通过上述过程，可以使用灰狼优化算法求解多旅行商问题，并得到较优解。如果你有具体的代码实现需求或进一步的问题，我可以帮助你更详细地编写代码或调试。

一、问题描述

1.1 多旅行商问题 (MTSP) 概述

多旅行商问题（Multi-Traveling Salesman Problem, MTSP）是旅行商问题（TSP）的扩展版本。TSP 是一个经典的组合优化问题，目的是找到一个最短的路径，使得一名旅行商从起点城市出发，访问所有的城市恰好一次，并回到起点城市。TSP 已经被证明是 NP 完全问题，其计算复杂度随城市数量的增加迅速上升。

MTSP 扩展了 TSP，增加了多个旅行商。具体来说，MTSP涉及多个旅行商从一个相同的起点城市出发，访问不同的城市，要求每个城市只能由一个旅行商访问一次，最后所有旅行商都返回起点城市。解决MTSP的目标是在所有旅行商路径的总距离最小化的情况下，合理地分配城市给每个旅行商，并规划出最优的访问顺序。

1.2 MTSP的实际应用

• 物流配送：多个配送车辆从配送中心出发，配送货物到多个地点后返回。目的是最小化所有车辆的总配送路径。
• 无人机巡查：多个无人机从基地起飞，各自负责不同区域的巡查工作，并在完成任务后返回基地。
• 交通调度：优化调度多个公交车或出租车，规划最短路径来接送乘客，确保每辆车完成任务后返回起点。

由于MTSP涉及多个旅行商，其求解复杂度比单个旅行商的TSP更高，因此需要更高效的优化方法。传统的穷举搜索在面对大规模问题时计算量过大，启发式算法和元启发式算法成为了解决MTSP的重要手段。

1.3 解决问题的难点

• 路径规划的复杂性：随着旅行商和城市数量的增加，问题的复杂度急剧增加。
• 城市的分配问题：需要合理分配城市给不同的旅行商，使得每个城市被准确访问且总路径最短。
• 全局与局部最优的平衡：MTSP是一个多维优化问题，容易陷入局部最优解，因此需要算法具备全局搜索能力。

1.4 采用灰狼优化算法求解MTSP

灰狼优化算法（Grey Wolf Optimizer, GWO）是一种基于群体智能的元启发式算法，其灵感来自于灰狼捕猎的自然行为。灰狼群体通过捕猎行为中的包围、追捕和进攻来找到猎物，类似于搜索问题的全局最优解。

灰狼优化算法具有较好的全局搜索和局部开发能力，且参数设置较为简单，非常适合解决复杂的组合优化问题。因此，本文选择使用GWO来求解MTSP，旨在通过模拟灰狼捕猎行为，合理规划多个旅行商的路径，从而最小化所有旅行商路径的总长度。

多旅行商问题 (MTSP) 数学模型

多旅行商问题（MTSP）可以通过数学模型来形式化描述，以便为算法设计提供基础。MTSP的目标是对多个旅行商的路径进行优化，使得所有旅行商的总旅行距离最小，同时每个城市只能被访问一次，且所有旅行商都必须从相同的起点出发并返回起点。

二、算法简介

在解决多旅行商问题（MTSP）时，使用启发式或元启发式算法是常见的选择，因为MTSP属于NP难问题，传统的精确算法在大规模问题中往往计算效率较低。灰狼优化算法（Grey Wolf Optimizer, GWO）是一种元启发式算法，以其简单、参数少和强大的全局搜索能力广泛应用于复杂优化问题中。本文将采用GWO算法来求解MTSP。

2.1 灰狼优化算法（GWO）概述

灰狼优化算法由Seyedali Mirjalili等人于2014年提出，灵感来源于灰狼群体捕猎过程中的社群行为。该算法模仿了灰狼社会中的分层结构（α狼、β狼、δ狼和ω狼）以及它们的捕猎行为，包括包围猎物、追捕猎物和攻击猎物三个主要阶段。

2.1.1 灰狼的社会结构

灰狼群体有清晰的等级划分，主要分为四种类型：

• α狼：群体的领导者，通常是最优解，即群体中当前最好的解。
• β狼：群体的第二领导者，次优解，辅助α狼管理群体。
• δ狼：帮助α狼和β狼控制其他狼，代表第三好的解。
• ω狼：群体中最低等级的个体，负责探索并尝试寻找新的可行解。

2.1.2 灰狼捕猎行为的模拟

灰狼优化算法的核心思想是通过模拟灰狼捕猎行为来找到问题的最优解。捕猎过程可以分为以下三个阶段：

1. 包围猎物：灰狼群体根据α、β、δ狼的位置来围绕猎物，即在搜索空间中包围可能的最优解。
2. 追捕猎物：通过动态调整狼群的位置，逐渐缩小与猎物的距离，即逐步逼近最优解。
3. 攻击猎物：狼群最终合力攻击猎物，即在搜索空间中收敛到一个最优解。

在GWO算法中，每个灰狼的位置代表一个可行解，群体通过相互协作和不断更新位置，逐步逼近全局最优解。

2.3 GWO求解MTSP的步骤

为了解决MTSP，GWO算法的流程可以概述为以下步骤：

1. 初始化种群：随机生成多个灰狼（即多个可行解，每个解是多个旅行商的城市访问顺序）。
2. 适应度评估：为每个灰狼（可行解）计算其适应度值。MTSP中的适应度值通常是所有旅行商路径的总长度，目标是最小化该总长度。
3. 更新α、β、δ狼：根据适应度值排序，选出当前的α狼、β狼和δ狼，分别作为最优、次优和第三优的解。
4. 位置更新：根据α、β、δ狼的位置，按照GWO的更新公式更新其他灰狼的位置，即更新旅行商的路径方案。
5. 迭代：重复步骤2-4，直到达到最大迭代次数或满足收敛条件为止。
6. 输出最优解：算法结束时，输出α狼的位置，即最优解，作为多旅行商的最佳路径规划方案。

2.4 GWO的优势

• 全局搜索与局部开发能力平衡：通过逐渐减少搜索范围，GWO能够有效避免局部最优陷阱，同时保证全局搜索的能力。
• 参数少且易于调整：GWO仅有少量参数需要调整，易于实现和调优。
• 适用性广泛：GWO能够有效处理组合优化问题，特别是像MTSP这样的复杂问题。

通过使用GWO求解MTSP，能够实现有效的城市分配和路径规划，从而找到总路径长度最短的方案。

灰狼群中的等级制度

GWO求解问题流程图

三、求解策略

在解决多旅行商问题（MTSP）时，采用灰狼优化算法（GWO）作为求解策略。为确保GWO在复杂的多旅行商路径规划问题中高效地搜索到全局最优解，具体的求解策略包含问题的编码、适应度评估、群体初始化、位置更新、收敛判断和后处理等步骤。以下是详细的求解策略。

3.1 问题编码

多旅行商问题的求解核心是如何将每个旅行商的路径表示为灰狼的一个位置向量。每个灰狼表示一个解，即多个旅行商的路径。编码方式决定了算法如何更新解并评估其好坏。

3.1.1 解的表示

• 城市序列编码：每个灰狼的解可以表示为一个城市访问顺序的序列。设有 n 个城市，路径的顺序是这些城市的一个排列，旅行商的路径可以通过切分排列来表示。
  • 例如，对于5个城市和2个旅行商的情况，灰狼的一个解可以表示为一个城市序列：[1, 3, 5, 4, 2]，通过划分来确定每个旅行商的路径，例如第1个旅行商访问城市[1, 3, 5]，第2个旅行商访问城市[4, 2]。

3.1.2 路径分配

• 在解的表示中，所有旅行商都从同一个起点（城市1）出发，因此每个旅行商的路径需要以城市1开始和结束。为确保所有城市被分配到不同的旅行商，可以随机或根据某种规则进行切分。

• 每个旅行商的路径可以根据所划分的城市进行规划，并确保在路径中不出现重复访问。

3.2 适应度评估

适应度评估是判断灰狼位置（即当前解）优劣的标准。在MTSP中，适应度通常表示为所有旅行商总路径的长度，目标是最小化这个值。

3.2.2 约束处理

为了确保每个解满足MTSP的约束（每个城市只能被访问一次），需要检查每个灰狼的解是否合法。如果出现非法解（如重复访问某个城市），可以采用以下两种策略进行修正：

• 修正策略：对路径进行局部调整，删除重复的城市访问。
• 惩罚函数：对于非法解引入惩罚项，将其适应度值设为较大值，从而降低其被选择的概率。

3.3 种群初始化

GWO的求解从随机生成初始种群开始。每个灰狼个体代表一个旅行商路径的初始方案。

3.3.1 随机生成初始解

为了初始化灰狼群体，可以随机生成一组初始解。每个解是所有城市的一个排列，并随机分配给不同的旅行商。为了确保解的多样性和全局搜索能力，可以使用随机或启发式方法生成不同的解。

3.3.2 种群规模

初始种群的大小决定了搜索空间的覆盖范围。通常情况下，种群大小 NNN 越大，搜索全局最优解的可能性越高，但计算代价也随之增加。通常根据问题规模选取适当的种群数量。

3.4 位置更新

位置更新是GWO的核心操作，通过更新每个灰狼的位置，逐步逼近最优解。每个灰狼根据α狼（最优解）、β狼（次优解）和δ狼（第三优解）的位置信息来调整自己的路径。

3.4.2 步长调整

更新位置时，通过系数向量 A⃗\vec{A}A 和 C⃗\vec{C}C 控制搜索步长：

• A⃗\vec{A}A 控制步长大小，随着迭代次数增加逐渐减小，以实现从全局搜索向局部搜索的转变。
• C⃗\vec{C}C 控制灰狼向α、β、δ狼靠近的方向。

3.5 收敛判断

GWO的迭代过程持续到收敛条件满足为止，通常有以下几种收敛条件：

• 达到最大迭代次数。
• 最优解在若干次迭代中不再变化，表明已收敛到最优解。

通过在每轮迭代中检查当前解的变化，可以判断算法是否已经找到全局最优解或进入局部最优。

3.6 后处理

在迭代结束后，输出最终的α狼（最优解），即MTSP的最优路径规划方案。

3.6.1 解的可视化

对于路径问题，结果可以通过绘图来直观展示。通过将每个旅行商的路径绘制出来，可以更好地理解最优解的结构。

3.6.2 性能评价

可以通过比较不同算法在相同问题规模下的表现，评价GWO求解MTSP的性能。常见的评价指标包括：

• 总路径长度（目标函数值）。
• 收敛速度。
• 算法的稳定性和鲁棒性。

3.7.1 编码与解码

在使用灰狼优化算法（GWO）求解多旅行商问题（MTSP）时，编码

原文地址：https://blog.csdn.net/g1997c/article/details/142714556

免责声明：本站文章内容转载自网络资源，如本站内容侵犯了原著者的合法权益，可联系本站删除。更多内容请关注自学内容网（zxcms.com）！