蚁群算法（Ant Colony Optimization）

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蚁群算法（Ant Clony Optimization， ACO）是一种群智能算法，它是由一群无智能或有轻微智能的个体（Agent）通过相互协作而表现出智能行为，从而为求解复杂问题提供了一个新的可能性。蚁群算法最早是由意大利学者Colorni A., Dorigo M. 等于1991年提出。经过20多年的发展，蚁群算法在理论以及应用研究上已经得到巨大的进步。

蚁群算法是一种仿生学算法，是由自然界中蚂蚁觅食的行为而启发的。在自然界中，蚂蚁觅食过程中，蚁群总能够按照寻找到一条从蚁巢和食物源的最优路径。下图显示了这样一个觅食的过程。

在图（a）中，有一群蚂蚁，假如A是蚁巢，E是食物源（反之亦然）。这群蚂蚁将沿着蚁巢和食物源之间的直线路径行驶。假如在A和E之间突然出现了一个障碍物（图（b）），那么，在B点（或D点）的蚂蚁将要做出决策，到底是向左行驶还是向右行驶？由于一开始路上没有前面蚂蚁留下的 信息素（pheromone） ，蚂蚁朝着两个方向行进的概率是相等的。但是当有蚂蚁走过时，它将会在它行进的路上释放出信息素，并且这种信息素会议一定的速率散发掉。信息素是蚂蚁之间交流的工具之一。它后面的蚂蚁通过路上信息素的浓度，做出决策，往左还是往右。很明显，沿着短边的的路径上信息素将会越来越浓（图（c）），从而吸引了越来越多的蚂蚁沿着这条路径行驶。

蚁群算法最早用来求解TSP问题，并且表现出了很大的优越性，因为它分布式特性，鲁棒性强并且容易与其它算法结合，但是同时也存在这收敛速度慢，容易陷入局部最优（local optimal）等缺点。

TSP问题（Travel Salesperson Problem，即旅行商问题或者称为中国邮递员问题），是一种NP-hard问题，此类问题用一般的算法是很难得到最优解的，所以一般需要借助一些启发式算法求解，例如遗传算法（GA），蚁群算法（ACO），微粒群算法（PSO）等等。

一个TSP问题可以表达为：求解遍历图G=(V,E,C)，所有的节点一次并且回到起始节点，使得连接这些节点的路径成本最低。

假如蚁群中所有蚂蚁的数量为m，所有城市之间的信息素用矩阵pheromone表示，最短路径为bestLength，最佳路径为bestTour。每只蚂蚁都有自己的内存，内存中用一个禁忌表（Tabu）来存储该蚂蚁已经访问过的城市，表示其在以后的搜索中将不能访问这些城市；还有用另外一个允许访问的城市表（Allowed）来存储它还可以访问的城市；另外还用一个矩阵（Delta）来存储它在一个循环（或者迭代）中给所经过的路径释放的信息素；还有另外一些数据，例如一些控制参数(α，β，ρ，Q)，该蚂蚁行走玩全程的总成本或距离（tourLength），等等。假定算法总共运行MAX_GEN次，运行时间为t。

蚁群算法计算过程如下：

（2）为每只蚂蚁选择下一个节点。

# -*- coding: utf-8 -*-
import random
import copy
import time
import sys
import math
import tkinter #//GUI模块
import threading
from functools import reduce


# 参数
'''
ALPHA:信息启发因子，值越大，则蚂蚁选择之前走过的路径可能性就越大
      ，值越小，则蚁群搜索范围就会减少，容易陷入局部最优
BETA:Beta值越大，蚁群越就容易选择局部较短路径，这时算法收敛速度会
     加快，但是随机性不高，容易得到局部的相对最优
'''
(ALPHA, BETA, RHO, Q) = (1.0,2.0,0.5,100.0)
# 城市数，蚁群
(city_num, ant_num) = (50,50)
distance_x = [
    178,272,176,171,650,499,267,703,408,437,491,74,532,
    416,626,42,271,359,163,508,229,576,147,560,35,714,
    757,517,64,314,675,690,391,628,87,240,705,699,258,
    428,614,36,360,482,666,597,209,201,492,294]
distance_y = [
    170,395,198,151,242,556,57,401,305,421,267,105,525,
    381,244,330,395,169,141,380,153,442,528,329,232,48,
    498,265,343,120,165,50,433,63,491,275,348,222,288,
    490,213,524,244,114,104,552,70,425,227,331]
#城市距离和信息素
distance_graph = [ [0.0 for col in range(city_num)] for raw in range(city_num)]
pheromone_graph = [ [1.0 for col in range(city_num)] for raw in range(city_num)]



#----------- 蚂蚁 -----------
class Ant(object):

    # 初始化
    def __init__(self,ID):

        self.ID = ID                 # ID
        self.__clean_data()          # 随机初始化出生点

    # 初始数据
    def __clean_data(self):

        self.path = []               # 当前蚂蚁的路径           
        self.total_distance = 0.0    # 当前路径的总距离
        self.move_count = 0          # 移动次数
        self.current_city = -1       # 当前停留的城市
        self.open_table_city = [True for i in range(city_num)] # 探索城市的状态

        city_index = random.randint(0,city_num-1) # 随机初始出生点
        self.current_city = city_index
        self.path.append(city_index)
        self.open_table_city[city_index] = False
        self.move_count = 1

    # 选择下一个城市
    def __choice_next_city(self):

        next_city = -1
        select_citys_prob = [0.0 for i in range(city_num)]  #存储去下个城市的概率
        total_prob = 0.0

        # 获取去下一个城市的概率
        for i in range(city_num):
            if self.open_table_city[i]:
                try :
                    # 计算概率：与信息素浓度成正比，与距离成反比
                    select_citys_prob[i] = pow(pheromone_graph[self.current_city][i], ALPHA) * pow((1.0/distance_graph[self.current_city][i]), BETA)
                    total_prob += select_citys_prob[i]
                except ZeroDivisionError as e:
                    print ('Ant ID: {ID}, current city: {current}, target city: {target}'.format(ID = self.ID, current = self.current_city, target = i))
                    sys.exit(1)

        # 轮盘选择城市
        if total_prob > 0.0:
            # 产生一个随机概率,0.0-total_prob
            temp_prob = random.uniform(0.0, total_prob)
            for i in range(city_num):
                if self.open_table_city[i]:
                    # 轮次相减
                    temp_prob -= select_citys_prob[i]
                    if temp_prob < 0.0:
                        next_city = i
                        break

        # 未从概率产生，顺序选择一个未访问城市
        # if next_city == -1:
        #     for i in range(city_num):
        #         if self.open_table_city[i]:
        #             next_city = i
        #             break

        if (next_city == -1):
            next_city = random.randint(0, city_num - 1)
            while ((self.open_table_city[next_city]) == False):  # if==False,说明已经遍历过了
                next_city = random.randint(0, city_num - 1)

        # 返回下一个城市序号
        return next_city

    # 计算路径总距离
    def __cal_total_distance(self):

        temp_distance = 0.0

        for i in range(1, city_num):
            start, end = self.path[i], self.path[i-1]
            temp_distance += distance_graph[start][end]

        # 回路
        end = self.path[0]
        temp_distance += distance_graph[start][end]
        self.total_distance = temp_distance


    # 移动操作
    def __move(self, next_city):

        self.path.append(next_city)
        self.open_table_city[next_city] = False
        self.total_distance += distance_graph[self.current_city][next_city]
        self.current_city = next_city
        self.move_count += 1

    # 搜索路径
    def search_path(self):

        # 初始化数据
        self.__clean_data()

        # 搜素路径，遍历完所有城市为止
        while self.move_count < city_num:
            # 移动到下一个城市
            next_city =  self.__choice_next_city()
            self.__move(next_city)

        # 计算路径总长度
        self.__cal_total_distance()

#----------- TSP问题 -----------

class TSP(object):

    def __init__(self, root, width = 800, height = 600, n = city_num):

        # 创建画布
        self.root = root                               
        self.width = width      
        self.height = height
        # 城市数目初始化为city_num
        self.n = n
        # tkinter.Canvas
        self.canvas = tkinter.Canvas(
                root,
                width = self.width,
                height = self.height,
                bg = "#EBEBEB",             # 背景白色 
                xscrollincrement = 1,
                yscrollincrement = 1
            )
        self.canvas.pack(expand = tkinter.YES, fill = tkinter.BOTH)
        self.title("TSP蚁群算法(n:初始化 e:开始搜索 s:停止搜索 q:退出程序)")
        self.__r = 5
        self.__lock = threading.RLock()     # 线程锁

        self.__bindEvents()
        self.new()

        # 计算城市之间的距离
        for i in range(city_num):
            for j in range(city_num):
                temp_distance = pow((distance_x[i] - distance_x[j]), 2) + pow((distance_y[i] - distance_y[j]), 2)
                temp_distance = pow(temp_distance, 0.5)
                distance_graph[i][j] =float(int(temp_distance + 0.5))

    # 按键响应程序
    def __bindEvents(self):

        self.root.bind("q", self.quite)        # 退出程序
        self.root.bind("n", self.new)          # 初始化
        self.root.bind("e", self.search_path)  # 开始搜索
        self.root.bind("s", self.stop)         # 停止搜索

    # 更改标题
    def title(self, s):

        self.root.title(s)

    # 初始化
    def new(self, evt = None):

        # 停止线程
        self.__lock.acquire()
        self.__running = False
        self.__lock.release()

        self.clear()     # 清除信息 
        self.nodes = []  # 节点坐标
        self.nodes2 = [] # 节点对象

        # 初始化城市节点
        for i in range(len(distance_x)):
            # 在画布上随机初始坐标
            x = distance_x[i]
            y = distance_y[i]
            self.nodes.append((x, y))
            # 生成节点椭圆，半径为self.__r
            node = self.canvas.create_oval(x - self.__r,
                    y - self.__r, x + self.__r, y + self.__r,
                    fill = "#ff0000",      # 填充红色
                    outline = "#000000",   # 轮廓白色
                    tags = "node",
                )
            self.nodes2.append(node)
            # 显示坐标
            self.canvas.create_text(x,y-10,              # 使用create_text方法在坐标（302，77）处绘制文字
                    text = '('+str(x)+','+str(y)+')',    # 所绘制文字的内容
                    fill = 'black'                       # 所绘制文字的颜色为灰色
                )

        # 顺序连接城市
        #self.line(range(city_num))

        # 初始城市之间的距离和信息素
        for i in range(city_num):
            for j in range(city_num):
                pheromone_graph[i][j] = 1.0

        self.ants = [Ant(ID) for ID in range(ant_num)]  # 初始蚁群
        self.best_ant = Ant(-1)                          # 初始最优解
        self.best_ant.total_distance = 1 << 31           # 初始最大距离
        self.iter = 1                                    # 初始化迭代次数 

    # 将节点按order顺序连线
    def line(self, order):
        # 删除原线
        self.canvas.delete("line")
        def line2(i1, i2):
            p1, p2 = self.nodes[i1], self.nodes[i2]
            self.canvas.create_line(p1, p2, fill = "#000000", tags = "line")
            return i2

        # order[-1]为初始值
        reduce(line2, order, order[-1])

    # 清除画布
    def clear(self):
        for item in self.canvas.find_all():
            self.canvas.delete(item)

    # 退出程序
    def quite(self, evt):
        self.__lock.acquire()
        self.__running = False
        self.__lock.release()
        self.root.destroy()
        print (u"\n程序已退出...")
        sys.exit()

    # 停止搜索
    def stop(self, evt):
        self.__lock.acquire()
        self.__running = False
        self.__lock.release()

    # 开始搜索
    def search_path(self, evt = None):

        # 开启线程
        self.__lock.acquire()
        self.__running = True
        self.__lock.release()

        while self.__running:
            # 遍历每一只蚂蚁
            for ant in self.ants:
                # 搜索一条路径
                ant.search_path()
                # 与当前最优蚂蚁比较
                if ant.total_distance < self.best_ant.total_distance:
                    # 更新最优解
                    self.best_ant = copy.deepcopy(ant)
            # 更新信息素
            self.__update_pheromone_gragh()
            print (u"迭代次数：",self.iter,u"最佳路径总距离：",int(self.best_ant.total_distance))
            # 连线
            self.line(self.best_ant.path)
            # 设置标题
            self.title("TSP蚁群算法(n:随机初始 e:开始搜索 s:停止搜索 q:退出程序) 迭代次数: %d" % self.iter)
            # 更新画布
            self.canvas.update()
            self.iter += 1

    # 更新信息素
    def __update_pheromone_gragh(self):

        # 获取每只蚂蚁在其路径上留下的信息素
        temp_pheromone = [[0.0 for col in range(city_num)] for raw in range(city_num)]
        for ant in self.ants:
            for i in range(1,city_num):
                start, end = ant.path[i-1], ant.path[i]
                # 在路径上的每两个相邻城市间留下信息素，与路径总距离反比
                temp_pheromone[start][end] += Q / ant.total_distance
                temp_pheromone[end][start] = temp_pheromone[start][end]

        # 更新所有城市之间的信息素，旧信息素衰减加上新迭代信息素
        for i in range(city_num):
            for j in range(city_num):
                pheromone_graph[i][j] = pheromone_graph[i][j] * RHO + temp_pheromone[i][j]

    # 主循环
    def mainloop(self):
        self.root.mainloop()

#----------- 程序的入口处 -----------

if __name__ == '__main__':


    TSP(tkinter.Tk()).mainloop()