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算法
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問題答案
( 1 )
一、蟻群算法蟻群算法(ant colony optimization, ACO)，又稱螞蟻算法，是一種用來尋找最優(yōu)解決方案的機(jī)率型技術(shù)。它由Marco Dorigo于1992年在他的博士論文中引入，其靈感來源于螞蟻在尋找食物過程中發(fā)現(xiàn)路徑的行為。
螞蟻在路徑上前進(jìn)時(shí)會(huì)根據(jù)前邊走過的螞蟻所留下的分泌物選擇其要走的路徑。其選擇一條路徑的概率與該路徑上分泌物的強(qiáng)度成正比。因此，由大量螞蟻組成的群體的集體行為實(shí)際上構(gòu)成一種學(xué)習(xí)信息的正反饋現(xiàn)象：某一條路徑走過的螞蟻越多，后面的螞蟻選擇該路徑的可能性就越大。螞蟻的個(gè)體間通過這種信息的交流尋求通向食物的最短路徑。
蟻群算法就是根據(jù)這一特點(diǎn)，通過模仿螞蟻的行為，從而實(shí)現(xiàn)尋優(yōu)。這種算法有別于傳統(tǒng)編程模式，其優(yōu)勢在于，避免了冗長的編程和籌劃，程序本身是基于一定規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)行來尋找最佳配置。也就是說，當(dāng)程序最開始找到目標(biāo)的時(shí)候，路徑幾乎不可能是最優(yōu)的，甚至可能是包含了無數(shù)錯(cuò)誤的選擇而極度冗長的。但是，程序可以通過螞蟻尋找食物的時(shí)候的信息素原理，不斷地去修正原來的路線，使整個(gè)路線越來越短，也就是說，程序執(zhí)行的時(shí)間越長，所獲得的路徑就越可能接近最優(yōu)路徑。這看起來很類似與我們所見的由無數(shù)例子進(jìn)行歸納概括形成最佳路徑的過程。實(shí)際上好似是程序的一個(gè)自我學(xué)習(xí)的過程。
二、這種優(yōu)化過程的本質(zhì)在于：
選擇機(jī)制：信息素越多的路徑，被選擇的概率越大。更新機(jī)制：路徑上面的信息素會(huì)隨螞蟻的經(jīng)過而增長，而且同時(shí)也隨時(shí)間的推移逐漸揮發(fā)消失。
協(xié)調(diào)機(jī)制：螞蟻間實(shí)際上是通過分泌物來互相通信、協(xié)同工作的。蟻群算法正是充分利用了選擇、更新和協(xié)調(diào)的優(yōu)化機(jī)制，即通過個(gè)體之間的信息交流與相互協(xié)作最終找到最優(yōu)解，使它具有很強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)較優(yōu)解的能力�；谝陨蠙C(jī)制編寫的程序的核心代碼可能不過上百行，卻完成了類似于學(xué)習(xí)的過程。原因就是所謂的自組織理論，簡單規(guī)則的涌現(xiàn)。事實(shí)上，每只螞蟻并不是像我們想象的需要知道整個(gè)世界的信息，他們其實(shí)只關(guān)心很小范圍內(nèi)的眼前信息，而且根據(jù)這些局部信息利用幾條簡單的規(guī)則進(jìn)行決策，但是，當(dāng)集群里有無數(shù)螞蟻的時(shí)候，復(fù)雜性的行為就會(huì)凸現(xiàn)出來。這就是人工生命、復(fù)雜性科學(xué)解釋的規(guī)律！
那么，這些簡單規(guī)則是什么呢？下面詳細(xì)說明：
1、范圍：螞蟻觀察到的范圍是一個(gè)方格世界，螞蟻有一個(gè)參數(shù)為速度半徑（一般是3），那么它能觀察到的范圍就是3*3個(gè)方格世界，并且能移動(dòng)的距離也在這個(gè)范圍之內(nèi)。
2、環(huán)境：螞蟻所在的環(huán)境是一個(gè)虛擬的世界，其中有障礙物，有別的螞蟻，還有信息素，信息素有兩種，一種是找到食物的螞蟻灑下的食物信息素，一種是找到窩的螞蟻灑下的窩的信息素。每個(gè)螞蟻都僅僅能感知它范圍內(nèi)的環(huán)境信息。環(huán)境以一定的速率讓信息素消失。
3、覓食規(guī)則：在每只螞蟻能感知的范圍內(nèi)尋找是否有食物，如果有就直接過去。否則看是否有信息素，并且比較在能感知的范圍內(nèi)哪一點(diǎn)的信息素最多，這樣，它就朝信息素多的地方走，并且每只螞蟻多會(huì)以小概率犯錯(cuò)誤，從而并不是往信息素最多的點(diǎn)移動(dòng)。螞蟻找窩的規(guī)則和上面一樣，只不過它對(duì)窩的信息素做出反應(yīng)，而對(duì)食物信息素沒反應(yīng)。
4、移動(dòng)規(guī)則： 每只螞蟻都朝向信息素最多的方向移，并且，當(dāng)周圍沒有信息素指引的時(shí)候，螞蟻會(huì)按照自己原來運(yùn)動(dòng)的方向慣性的運(yùn)動(dòng)下去，并且，在運(yùn)動(dòng)的方向有一個(gè)隨機(jī)的小的擾動(dòng)。為了防止螞蟻原地轉(zhuǎn)圈，它會(huì)記住最近剛走過了哪些點(diǎn)，如果發(fā)現(xiàn)要走的下一點(diǎn)已經(jīng)在最近走過了，它就會(huì)盡量避開。
5、避障規(guī)則：如果螞蟻要移動(dòng)的方向有障礙物擋住，它會(huì)隨機(jī)的選擇另一個(gè)方向，并且有信息素指引的話，它會(huì)按照覓食的規(guī)則行為。
6、播撒信息素規(guī)則：每只螞蟻在剛找到食物或者窩的時(shí)候撒發(fā)的信息素最多，并隨著它走遠(yuǎn)的距離，播撒的信息素越來越少。根據(jù)這幾條規(guī)則，螞蟻之間并沒有直接的關(guān)系，但是每只螞蟻都和環(huán)境發(fā)生交互，而通過信息素這個(gè)紐帶，實(shí)際上把各個(gè)螞蟻之間關(guān)聯(lián)起來了。比如，當(dāng)一只螞蟻找到了食物，它并沒有直接告訴其它螞蟻這兒有食物，而是向環(huán)境播撒信息素，當(dāng)其它的螞蟻經(jīng)過它附近的時(shí)候，就會(huì)感覺到信息素的存在，進(jìn)而根據(jù)信息素的指引找到了食物。
螞蟻在路徑上前進(jìn)時(shí)會(huì)根據(jù)前邊走過的螞蟻所留下的分泌物選擇其要走的路徑。其選擇一條路徑的概率與該路徑上分泌物的強(qiáng)度成正比。因此，由大量螞蟻組成的群體的集體行為實(shí)際上構(gòu)成一種學(xué)習(xí)信息的正反饋現(xiàn)象：某一條路徑走過的螞蟻越多，后面的螞蟻選擇該路徑的可能性就越大。螞蟻的個(gè)體間通過這種信息的交流尋求通向食物的最短路徑。
蟻群算法就是根據(jù)這一特點(diǎn)，通過模仿螞蟻的行為，從而實(shí)現(xiàn)尋優(yōu)。這種算法有別于傳統(tǒng)編程模式，其優(yōu)勢在于，避免了冗長的編程和籌劃，程序本身是基于一定規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)行來尋找最佳配置。也就是說，當(dāng)程序最開始找到目標(biāo)的時(shí)候，路徑幾乎不可能是最優(yōu)的，甚至可能是包含了無數(shù)錯(cuò)誤的選擇而極度冗長的。但是，程序可以通過螞蟻尋找食物的時(shí)候的信息素原理，不斷地去修正原來的路線，使整個(gè)路線越來越短，也就是說，程序執(zhí)行的時(shí)間越長，所獲得的路徑就越可能接近最優(yōu)路徑。這看起來很類似與我們所見的由無數(shù)例子進(jìn)行歸納概括形成最佳路徑的過程。實(shí)際上好似是程序的一個(gè)自我學(xué)習(xí)的過程。
二、這種優(yōu)化過程的本質(zhì)在于：
選擇機(jī)制：信息素越多的路徑，被選擇的概率越大。更新機(jī)制：路徑上面的信息素會(huì)隨螞蟻的經(jīng)過而增長，而且同時(shí)也隨時(shí)間的推移逐漸揮發(fā)消失。
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那么，這些簡單規(guī)則是什么呢？下面詳細(xì)說明：
1、范圍：螞蟻觀察到的范圍是一個(gè)方格世界，螞蟻有一個(gè)參數(shù)為速度半徑（一般是3），那么它能觀察到的范圍就是3*3個(gè)方格世界，并且能移動(dòng)的距離也在這個(gè)范圍之內(nèi)。
2、環(huán)境：螞蟻所在的環(huán)境是一個(gè)虛擬的世界，其中有障礙物，有別的螞蟻，還有信息素，信息素有兩種，一種是找到食物的螞蟻灑下的食物信息素，一種是找到窩的螞蟻灑下的窩的信息素。每個(gè)螞蟻都僅僅能感知它范圍內(nèi)的環(huán)境信息。環(huán)境以一定的速率讓信息素消失。
3、覓食規(guī)則：在每只螞蟻能感知的范圍內(nèi)尋找是否有食物，如果有就直接過去。否則看是否有信息素，并且比較在能感知的范圍內(nèi)哪一點(diǎn)的信息素最多，這樣，它就朝信息素多的地方走，并且每只螞蟻多會(huì)以小概率犯錯(cuò)誤，從而并不是往信息素最多的點(diǎn)移動(dòng)。螞蟻找窩的規(guī)則和上面一樣，只不過它對(duì)窩的信息素做出反應(yīng)，而對(duì)食物信息素沒反應(yīng)。
4、移動(dòng)規(guī)則： 每只螞蟻都朝向信息素最多的方向移，并且，當(dāng)周圍沒有信息素指引的時(shí)候，螞蟻會(huì)按照自己原來運(yùn)動(dòng)的方向慣性的運(yùn)動(dòng)下去，并且，在運(yùn)動(dòng)的方向有一個(gè)隨機(jī)的小的擾動(dòng)。為了防止螞蟻原地轉(zhuǎn)圈，它會(huì)記住最近剛走過了哪些點(diǎn)，如果發(fā)現(xiàn)要走的下一點(diǎn)已經(jīng)在最近走過了，它就會(huì)盡量避開。
5、避障規(guī)則：如果螞蟻要移動(dòng)的方向有障礙物擋住，它會(huì)隨機(jī)的選擇另一個(gè)方向，并且有信息素指引的話，它會(huì)按照覓食的規(guī)則行為。
6、播撒信息素規(guī)則：每只螞蟻在剛找到食物或者窩的時(shí)候撒發(fā)的信息素最多，并隨著它走遠(yuǎn)的距離，播撒的信息素越來越少。根據(jù)這幾條規(guī)則，螞蟻之間并沒有直接的關(guān)系，但是每只螞蟻都和環(huán)境發(fā)生交互，而通過信息素這個(gè)紐帶，實(shí)際上把各個(gè)螞蟻之間關(guān)聯(lián)起來了。比如，當(dāng)一只螞蟻找到了食物，它并沒有直接告訴其它螞蟻這兒有食物，而是向環(huán)境播撒信息素，當(dāng)其它的螞蟻經(jīng)過它附近的時(shí)候，就會(huì)感覺到信息素的存在，進(jìn)而根據(jù)信息素的指引找到了食物。
回答者：
OscarDon
回答時(shí)間：2014-09-23 00:02
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