运筹系列67：大规模TSP问题的EAX遗传算法

1. 算法介绍

EAX是edge assembly crossover 算子的缩写。本算法有Y nagata教授公布，目前在VLSI最大的几个案例上获得了best的成绩。另外目前MonoLisa 100K问题的最优解也是由其公布，若能得到更优解，可以获得1000美元奖励。
算法步骤如下：

1. 获得一系列初始解，选取两条路径A和B进行重叠
2. 拆解重叠后的路径形成一系列子路径，每一条子路径都是偶数条边，其中A和B交叉，称为AB-cycle
3. 按照一定的规则（随机或者启发式）选取边，称为E-set
4. 使用A和E-set中的边进行反向增删，得到一系列Intemidiate结果
5. 使用启发式算法将Intemidiate结果构建成soild结果。
   

2. 代码分析

参考代码https://github.com/nagata-yuichi/GA-EAX（原版）
以及https://github.com/wlsgusjjn/EAX-TSP.git （简化版）

2.1 概述

原版文件清单如下：

main.cpp
 - The main function

env.cpp, env.h
 - Main procedure of the GA

kopt.cpp kopt.h
 - Local search with the 2-opt neighborhood

cross.cpp cross.h
 - Edge assembly crossover，核心程序

evaluator.cpp evaluator.h
 - Pre-processing procedures to the TSP instance

indi.cpp, indi.h 
 - An individual (tour)

rand.cpp, rand.h
 - Procedures for generating a random number and permutation etc 

sort.cpp, sort.h
 - Procedures for sorting

***.tsp
 - Several TSP instances (TSPLIB format)

2.2 使用方法

编译：g++ -o jikken -O3 main.cpp env.cpp cross.cpp evaluator.cpp indi.cpp rand.cpp kopt.cpp sort.cpp -lm

运行：./jikken
比如：./jikken 10 DATA 100 30 rat575.tsp
参数说明：

• = number of trials
• = filename to which results are written
• = number of population (300 is recommended if N > 10,000)
• = number of offspring solutions (30 is recommended)
• = instance filename (the instance must conform with TSPLIB format)

如果string1位DATA，则会生成两个结果文件：
DATA_Result和DATA_BestSol

• DATA_Result:存储迭代信息，格式如下：
  0 6773 173 0 3
  1 6773 174 0 3
  2 6773 166 0 3
  3 6773 173 0 3
  4 6773 173 0 3
  5 6773 171 0 3
  6 6773 182 0 3
  7 6773 168 0 3
  8 6773 173 0 3
  9 6773 173 0 3

  • 1st column: trial number
  • 2nd column: best tour length obtained in each run
  • 3rd column: the number of generations in each run
  • 4th column: the execution time (sec) for generating the initial population
  • 5th column: the execution time (sec) for each run of the GA

*DATA_BestSol：存储每一轮的最优结果

575 6773
1 24 25 26 27 28 29 52 50 51 74 73 72 49 48 47 70 71 93 94 116 …

• 1st line: number of cities, tour length
• 2nd line: a solution representing a sequence of the cities

如果想记录每一轮的所有路径，将main.cpp中的gEnv->WritePop()开启，结果会写入DATA_POP_*
随后可以将这个文件作为初始路径传给程序继续执行优化：./jikken 10 DATA2 100 30 rat575.tsp DATA_POP_0

2.3 自定义修改

还可以做一些自定义算法配置，主要在env。cpp里面的TEnvironment::Init() 可以修改搜索参数：

  Example1: Default setting
  fStage = 1;       /* Stage I */
  fFlagC[ 0 ] = 4;  /* Diversity preservation: 1:Greedy, 3:Distance, 4:Entropy */
  fFlagC[ 1 ] = 1;  /* Eset Type: 1:Single-AB, 2:Block2 */ 

  Example2: Only Stage II is performed using EAX with the Block2 strategy
  fStage = 2;       /* Stage I */
  fFlagC[ 0 ] = 4;  /* Diversity preservation: 1:Greedy, 3:Distance, 4:Entropy */
  fFlagC[ 1 ] = 2;  /* Eset Type: 1:Single-AB, 2:Block2 */ 

  Example3: The greedy selection is used instead of the entropy-preserving selection.
  fStage = 1;       /* Stage I */
  fFlagC[ 0 ] = 1;  /* Diversity preservation: 1:Greedy, 3:Distance, 4:Entropy */
  fFlagC[ 1 ] = 1;  /* Eset Type: 1:Single-AB, 2:Block2 */ 

TerminationCondition() 里可以修改停止条件

3. 2013年新版本的改进

参考文章：https://sci-hub.se/10.1287/ijoc.1120.0506，主要想法就是第一步将EAX的操作局部化，随后再执行正常的EAX算子。

3.1 GA整体流程

每一阶段的GA算法架构如下，其中Npop个初始解使用的是greedy local search +2-opt neighborhood。注意下面有两个参数Npop和Nch。

每个阶段的终止条件：如果最近的1500/Nch次迭代都没有改进，则令G=当前迭代总次数。继续迭代，直至连续G/10次迭代都没有改进

3.2 边交换算法

1. 首先是筛选AB-cycle：在$G_{AB} $上随机游走，直至所有路径都已游走完毕。过程中一旦发现AB-cycle，立即保存并从$G_{AB} $中删除。
2. AB-cycle筛选出一部分的集合叫做E-set。
3. 使用A和E-set给出一个新的路径（可能有subtour），然后按照一定的规则消除subtour，生成新的路径
4. 将新路径放入offspring集合中，直至没有新的offspring生成。

3.3 构筑E-set规则

3.2节中构造E-set时，局部EXA规则目前有两种：
1.随机策略：每个AB-cycles有0.5的概率选上
2.单个策略：随机在剩余的AB-cycles中选一个
subtour消除规则为：
1.每次都从最小的subtour开始，遍历所有待删除的边e
2.另一条待删除的边，需满足其中至少有一个点在e的最近10个点中

全局EXA规则有三种
1.K-multiple策略：随机选取K个AB-cycles，代码中K=5
2.block策略：主要思想是选取位置相近的AB-cycles
3.block2策略：首先定义A-vertex为连接A中两条边的点；B-vertex为连接B中两条边的点；C-vertex为连接A和B中各一条边的点，如下图。其中a和b的差别在于，b中对c-vertex做了精简。

在intermediate solution中，A-blocks和B-blocks被c-vertex隔开，且c-vertex的数量肯定是偶数。c-vertex的计算比subtour的计算要快。使用tabu-search选取E-set，规则为：

1. 初始化Tabu[i] = 0
2. 选一个较大的AB-cycle作为center AB-cycle然后从剩下的里面随机选取AB-cycle，每一个至少和AB-cycle都有一个接触点
3. 在每次迭代过程中，当前E-set都会转移到临近的tabu解以外的c-vertex最小的subtour中，直至LS个阶段没有改进（这里令其为20）。
   

4. 一些对比结果

如下，其中B-err是best solution error，如果是=的话，后面括号中表示获得最优值的次数。A-err是average，W-error则是worst。