遗传算法生成最小生成树实践

最小生成树问题描述

最小生成树问题时指在由m个节点和n条边组成的网络模型中寻找连接所有节点的生成树,使得其所有边的权值之和最小。最小生成树问题广泛应用于系统设计、选址规划等组合优化问题中。

在由m个节点和m条边组成的图中,当各边的权值给定时,最小生成树问题可以作为0-1整数规划问题描述如下:

遗传算法生成最小生成树实践_第1张图片

其中xi,j是边(i,j)的决策变量,选择该边时取1,反之取0。求解最小生成树的代表算法有Kruskal法和Prim法等。

最小生成树问题示例

连接各节点的可能边如下图所示:

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各边的权值如下表所示:

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遗传算法求解最小生成树问题

个体编码

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解码

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交叉操作

在交叉操作中,将两个父代染色体个体解码出的树进行叠加后,重新生成可用边集合和邻接节点集合,再在新集合的基础上重新使用PrimPred编码,得到一个子代染色体。用这种方法可以保留父代中优秀的子结构,从而加速收敛。

突变操作

用最小代价法(Low Cost Method)生成新的个体,先在父代染色体中随机删除一条边,使得原图分为两个互不连接的子图,然后从两个子图的节点集中,添加一条权数最小的边使其恢复连通,从而生成一个新个体。

代码示例

完整代码如下:

实践代码

计算的迭代过程可视化:

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生成的最小生成树为:

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