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遗传算法解决TSP问题-C--版(带注释).docx

上传人:仙人****88 文档编号:11260773 上传时间:2025-07-11 格式:DOCX 页数:29 大小:38.37KB 下载积分:10 金币
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//遗传算法解决简单TSP问题,(VC6.0) //一、定义头文件(defines.h) #ifndef DEFINES_H #define DEFINES_H ///////////////////////////////// DEFINES /////////////////////////////////////// //窗口定义大小 #define WINDOW_WIDTH 500 #define WINDOW_HEIGHT 500 //城市数量及城市在窗口显示的大小 #define NUM_CITIES 20 #define CITY_SIZE 5 //变异概率,交叉概率及种群数量 #define MUTATION_RATE 0.2 #define CROSSOVER_RATE 0.75 #define POP_SIZE 40 //倍数 #define NUM_BEST_TO_ADD 2 //最小容许误差 #define EPSILON 0.000001 #endif //二、一些用得到的小函数(utils.h) // utils.h: interface for the Cutils class. //头文件名 ////////////////////////////////////////////////////////////////////// #ifndef UTILS_H #define UTILS_H #include <stdlib.h> #include <math.h> #include <sstream> #include <string> #include <iostream> using namespace std; //--------定义一些随机函数-------- //----定义随机整数,随机[x,y]之间的整数--- inline int RandInt(int x, int y) { return rand()%(y-x+1)+x; } //--------------随机产生0到1之间的小数---------- inline float RandFloat() { return rand()/(RAND_MAX + 1.0); } //-----------------随机产生0和1------------- inline bool RandBool() { if (RandInt(0,1)) return true; else return false; } //-----定义一些方便的小功能包括:整形转字符型,浮点型转字符型--- string itos(int arg); //converts an float to a std::string string ftos (float arg); //限制大小 void Clamp(double &arg, double min, double max); void Clamp(int &arg, int min, int max); #endif //三、地图头文件(CmapTSP) #ifndef CMAPTSP_H #define CMAPTSP_H//如果没有定义那么就定义 ////////////////////////////////////////////////// //类名:CmapTSP.h // //描述:封装地图数据、城市坐标以及适应度计算。 ///////////////////////////////////////////////// #include <vector> #include "utils.h" #include "defines.h" using namespace std; const double pi=3.1415926535897; //------CoOrd结构体,保存每个城市的坐标-------- struct CoOrd//没有括号 { float x, y; CoOrd(){} CoOrd(float a,float b):x(a),y(b){} }; //------CmapTSP类,封装地图数据,城市坐标,以及适应度计算---- class CmapTSP { private: //城市数目 int m_NumCities; //地图长度和宽度 int m_MapWidth; int m_MapHeight; //可能最好路径 double m_dBestPossibleRoute; //把所有城市组成一个环形 void CreateCitiesCircular(); //用勾股定理计算两个城市A和B之间的距离 double CalculateA_to_B(const CoOrd &city1, const CoOrd &city2); //该函数计算出排列成环形后的最佳路径,答案是显而易见的(环形多边形周长) void CalculateBestPossibleRoute(); public: //城市坐标 vector<CoOrd> m_vecCityCoOrds; //构造函数,当创建一个实例时,城市坐标即被创建,并计算出可能的最佳路径 CmapTSP(int w, int h, int nc):m_MapWidth(w), m_MapHeight(h),m_NumCities(nc) { CreateCitiesCircular(); CalculateBestPossibleRoute(); } //改变窗口坐标时 void Resize(const int new_width, const int new_Height); //给一个有效的周游路径,返回该路径长度 double GetTourLength(const vector<int> &route); double BestPossibleRoute()const{return m_dBestPossibleRoute;} }; #endif //四、遗传算法头文件(CgaTSP) #ifndef CGATSP_H #define CGATSP_H #include <vector> #include <windows.h> #include <fstream> #include <algorithm> #include <iostream> #include "mapTSP.h" #include "defines.h" #include "utils.h" using namespace std; //----------基因组结构体(包含旅行路径和其适应度函数)---------- struct SGenome { //周游城市路径,(基因组) vector<int> vecCities; //他的适应度分数 double dFitness; //构造函数 SGenome ():dFitness(0){} SGenome(int nc):dFitness(0) { vecCities = GrabPermutation(nc); } //随机创建一个周游路径 vector<int> GrabPermutation (int &limit); //在GrabPermutation中使用 bool TestNumber(const vector<int> &vec, const int &number); }; //--------CgaTSP类--------------- class CgaTSP { private: //声明基因组实例 vector<SGenome> m_vecPopulation; //地图类的实例 CmapTSP* m_pMap; //交叉及变异概率 double m_dMutationRate; double m_dCrossoverRate; //整个种群的总适应度分数 double m_dTotalFitness; //在此之前找到的最短路径 double m_dShortestRoute; //在此之前找到的最长周游路径 double m_dLongestRoute; //种群中基因组的数目 int m_iPopSize; //染色体长度 int m_iChromoLength; //新一代中适应度分数最高的成员 int m_iFittestGenome; //表明已经到了那一代 int m_iGeneration; //帮助了解长须当前是否进入绘图阶段 bool m_bStarted; //交换变异(Exchange Mutation) void MutateEM(vector<int> &chromo); //部分匹配杂交 void CrossoverPMX(const vector<int> &mum, const vector<int> &dad, vector<int> &baby1, vector<int> &baby2); SGenome& RouletteWheelSelection(); //适应度函数中用到的函数 void CalculatePopulationsFitness(); void CalculateBestWorstAvtot(); void Reset(); void CreateStartingPopulation(); public: //构造函数(初始化) CgaTSP(double mut_rat, double cross_rat, int pop_size, int NumCities, int map_width, int map_height):m_dMutationRate(mut_rat), m_dCrossoverRate(cross_rat), m_iPopSize(pop_size), m_iFittestGenome(0), m_iGeneration(0), m_dShortestRoute(999999999), m_dLongestRoute(0), m_iChromoLength(NumCities), m_bStarted(false) { //设置地图 m_pMap = new CmapTSP(map_width, map_height, NumCities); CreateStartingPopulation(); } //析构函数 ~CgaTSP(){delete m_pMap;} void Run(HWND hwnd); void Epoch(); void Render(HDC surface, int cx, int cy); void Resize(int cxClient, int cyClient) { m_pMap->Resize(cxClient, cyClient); } //供使用的方法 void Stop(){m_bStarted = false;} bool Started(){return m_bStarted;} }; #endif //五、一个其实没有用的头文件(StdAfx.h) #if !defined(AFX_STDAFX_H__A9DB83DB_A9FD_11D0_BFD1_444553540000__INCLUDED_) #define AFX_STDAFX_H__A9DB83DB_A9FD_11D0_BFD1_444553540000__INCLUDED_ #if _MSC_VER > 1000 #pragma once #endif // _MSC_VER > 1000 #define WIN32_LEAN_AND_MEAN // Exclude rarely-used stuff from Windows headers #include <windows.h> #endif //////////////////////////////----------------源文件---------------///////////////////////////////- //一、utils.cpp // utils.cpp: implementation of the Cutils class. // ////////////////////////////////////////////////////////////////////// #include "utils.h" #include <math.h> ////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Construction/Destruction ////////////////////////////////////////////////////////////////////// //--------itos讲一个整数变换成字符串----------- string itos(int arg) { ostringstream buffer; //把整形发送到buffer buffer << arg; //获取字符串 return buffer.str(); } //---------把浮点型转换为字符串型---------- string ftos(float arg) { ostringstream buffer; buffer << arg; return buffer.str(); } //限制范围 void Clamp(double &arg, double min, double max) { if (arg<min) { arg = min; } if (arg>max) { arg = max; } } void Clamp( int &arg, int min, int max) { if (arg < min) { arg = min; } if (arg > max) { arg = max; } } //二、mapTSP.cpp // mapTSP.cpp: implementation of the CmapTSP class. // ////////////////////////////////////////////////////////////////////// #include "mapTSP.h" ////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Construction/Destruction ////////////////////////////////////////////////////////////////////// //--------把城市排列成圆圈--------------(已改正) void CmapTSP::CreateCitiesCircular() { const int margin = 50;//边缘 double radius;//圆半径 if (m_MapHeight<m_MapWidth) { radius = (m_MapHeight / 2) - margin; } else { radius = (m_MapWidth / 2) - margin; } CoOrd origin(m_MapWidth/2, m_MapHeight/2);//原点 double SegmentSize = 2 * pi / m_NumCities;//角度 double angle = 0;//起始角度 vector<CoOrd> vecCities;//城市向量 while (angle<2*pi) { CoOrd ThisCity;//声明对象 ThisCity.x = radius * sin(angle) + origin.x;//犯错误处少乘radius * ThisCity.y = radius * cos(angle) + origin.y; m_vecCityCoOrds.push_back(ThisCity); angle += SegmentSize; } } //------------计算两个城市之间的路径---------- double CmapTSP::CalculateA_to_B(const CoOrd &city1, const CoOrd &city2) { double xDist = city1.x - city2.x; double yDist = city1.y - city2.y; return sqrt(xDist*xDist + yDist*yDist); } //-------------计算最佳路径------------ void CmapTSP::CalculateBestPossibleRoute() { m_dBestPossibleRoute = 0; for (int city=0; city<m_vecCityCoOrds.size()-1; ++city) { m_dBestPossibleRoute += CalculateA_to_B(m_vecCityCoOrds[city], m_vecCityCoOrds[city+1]); m_dBestPossibleRoute += EPSILON;//加入误差 } m_dBestPossibleRoute += CalculateA_to_B(m_vecCityCoOrds[0], m_vecCityCoOrds[m_vecCityCoOrds.size()-1]);//少减个1,size()-1 } //------------屏幕坐标变化时----------------- void CmapTSP::Resize(const int new_width, const int new_height) { m_MapWidth = new_width; m_MapHeight = new_height; m_vecCityCoOrds.clear(); CreateCitiesCircular(); CalculateBestPossibleRoute(); } //-------------得到一条路线的距离长度---------------------- double CmapTSP::GetTourLength(const vector<int> &route) { double TotalDistance = 0; for (int i=0; i<route.size()-1; ++i) { int city1 = route[i]; int city2 = route[i+1]; TotalDistance += CalculateA_to_B(m_vecCityCoOrds[city1], m_vecCityCoOrds[city2]); } //don't forget this is a closed loop so we need to add in the distance //from the last city visited back to the first int last = route[route.size()-1]; int first = route[0]; TotalDistance += CalculateA_to_B(m_vecCityCoOrds[last], m_vecCityCoOrds[first]); return TotalDistance; } // mapTSP.cpp: implementation of the CmapTSP class. // ////////////////////////////////////////////////////////////////////// //三、gaTSP.cpp // gaTSP.cpp: implementation of the CgaTSP class. // ////////////////////////////////////////////////////////////////////// #include "stdafx.h" #include "gaTSP.h" ////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Construction/Destruction ////////////////////////////////////////////////////////////////////// /////////---------------------------------------------- /////////------------结构体函数------------------------ /////////---------------------------------------------- /////////////////////////////////////////////////////// //该函数检查给定的一个整数是否包含在给定的一个向量里边 bool SGenome::TestNumber(const vector<int> &vec, const int &number) { for (int i=0; i<vec.size(); i++) { if (vec[i] == number) { return true; } } return false; } ////////////////////////////////////////////////////////// //给定一个整数,该函数返回随机排列的路径 //////////////////////////////////////////////////////// vector<int> SGenome::GrabPermutation(int &limit) { vector<int> vecPerm; for (int i=0; i<limit; i++) { int NextPossibleNumber = RandInt(0, limit-1); while (TestNumber(vecPerm, NextPossibleNumber)) { NextPossibleNumber = RandInt(0,limit-1); } vecPerm.push_back(NextPossibleNumber); } return vecPerm; } ////////------------------------------------- ////////---------类内函数-------------------- ////////------------------------------------- /////该函数计算每个基因的适应度分数 void CgaTSP::CalculatePopulationsFitness() { for (int i=0; i<m_iPopSize; i++) { //对于每一个城市求其路径 double TourLength = m_pMap->GetTourLength(m_vecPopulation[i].vecCities); m_vecPopulation[i].dFitness = TourLength; if (TourLength<m_dShortestRoute) { m_dShortestRoute = TourLength; m_iFittestGenome = i; } if (TourLength>m_dLongestRoute) { m_dLongestRoute = TourLength; } } for (int j=0; j<m_iPopSize; j++) { m_vecPopulation[j].dFitness = m_dLongestRoute - m_vecPopulation[j].dFitness; } } //-------------------轮盘选择,选择一个-------------------- SGenome& CgaTSP::RouletteWheelSelection() { double fSlice = RandFloat() * m_dTotalFitness; double cfTotal = 0.0; int SelectedGenome = 0; for (int i=0; i<m_iPopSize; i++) { cfTotal += m_vecPopulation[i].dFitness; if (cfTotal>fSlice) { SelectedGenome = i; break; } } return m_vecPopulation[SelectedGenome]; } //--------随机选择区间,用来交叉和变异--------- void ChooseSection(int &beg, int &end, const int vec_size, const int min_span) { beg = RandInt(0, vec_size-1-min_span); end = beg; while (end<beg) { end = RandInt(0, vec_size-1); } } //----------变异--------------已改正 void CgaTSP::MutateEM(vector<int> &chromo) { if (RandFloat()>m_dMutationRate) return; int pos1 = RandInt(0, chromo.size()-1); int pos2 = pos1; while (pos1 == pos2)//双等号 { pos2 = RandInt(0, chromo.size()-1); } swap(chromo[pos1], chromo[pos2]); } //----------------交叉------------------- void CgaTSP::CrossoverPMX(const vector<int> &mum, const vector<int> &dad, vector<int> &baby1, vector<int> &baby2) { baby1 = mum; baby2 = dad; if ((RandFloat()>m_dCrossoverRate)||(mum == dad)) { return; } int beg = RandInt(0, mum.size()-2); int end = beg; while(end<=beg) { end = RandInt(0, mum.size()-1); } //遍历每个基因地址下标 vector<int>::iterator posGene1, posGene2; for (int pos=beg; pos<end+1; pos++) { int gene1 = mum[pos]; int gene2 = dad[pos]; if (gene1 != gene2) { posGene1 = find(baby1.begin(),baby2.end(),gene1); posGene2 = find(baby1.begin(), baby1.end(), gene2); swap(*posGene1, *posGene2); //and in baby2 posGene1 = find(baby2.begin(), baby2.end(), gene1); posGene2 = find(baby2.begin(), baby2.end(), gene2); swap(*posGene1, *posGene2); } } } //----------产生初始群体------------------ void CgaTSP::CreateStartingPopulation() { m_vecPopulation.clear(); for (int i=0; i<m_iPopSize; i++) { m_vecPopulation.push_back(SGenome(m_iChromoLength)); } m_iGeneration = 0; m_dShortestRoute = 9999999; m_iFittestGenome = 0; m_bStarted = false; } //---------------运行------- void CgaTSP::Run(HWND hwnd) { CreateStartingPopulation(); m_bStarted = true; } //---------重置所有变量为新的一代---------- void CgaTSP::Reset() { m_dShortestRoute = 999999999; m_dLongestRoute = 0; m_dTotalFitness = 0; } //-----------------组合在一起--------------- void CgaTSP::Epoch() { //为新的一代重置 Reset(); CalculatePopulationsFitness(); if ((m_dShortestRoute <= m_pMap->BestPossibleRoute())) { m_bStarted = false; return; } //创建一个临时的向量作为新的种群 vector<SGenome> vecNewPop; //加入上一代的精英 for (int i=0; i<NUM_BEST_TO_ADD; ++i) { vecNewPop.push_back(m_vecPopulation[m_iFittestGenome]); } while (vecNewPop.size() != m_iPopSize) { SGenome mum = RouletteWheelSelection(); SGenome dad = RouletteWheelSelection(); SGenome baby1, baby2; CrossoverPMX(mum.vecCities, dad.vecCities, baby1.vecCities, baby2.vecCities); MutateEM(baby1.vecCities); MutateEM(baby2.vecCities); vecNewPop.push_back(baby1); vecNewPop.push_back(baby2); } m_vecPopulation = vecNewPop; ++m_iGeneration; } //--Rander函数把函数信息从文本和图像中输出winproc---- void CgaTSP::Render(HDC surface, int cx, int cy) { for (int city_num=0; city_num<m_pMap->m_vecCityCoOrds.size(); ++city_num) { int x = (int)m_pMap->m_vecCityCoOrds[city_num].x;//浮点型转换整形 int y =
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