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Opt算法:2-opt,3-opt,Or-opt,k-opt

opt算法

Opt是局部搜索local search的方法,而局部搜索算法是在一组可行解的基础上,在当前解的领域内进行局部搜索产生新的可行解的过程。用在TSP和VRP问题中比较多。

常见的有2-opt,3-opt,Or-opt,k-opt算法。

可以分为2-opt&k-opt、Or-opt、3-opt三类。其中,2-opt是最基本的,用得也最多。K-opt是建立在2-opt基础上的。Or-opt是Or1976年博士论文设计的opt,是3-opt算法的一个子集。3-opt也是比较常见和常用的opt算法。

上面有点拗口,总结一下:

(1)k-opt是局部最优搜索算法,是通过每次交换k条边来改进初始解;

(2)k=2,3,..., 3-opt最优搜索比2-opt算法好,而4-opt最优算法并不比3-opt算法好多少,且k越大,运算时间越长。

(3)一般认为3-opt是一种相当有效的近似算法。

(4)Or-opt是3-opt的一个子集,只需要进行一部分的3-opt交换,即把一段路径(1个、2个或3个连续顶点)在另外两个顶点间重新定位(插入到另外两个顶点间),根据路径的不同(1个、2个或3个连续顶点),可以分为or-opt-1,or-opt-2,or-opt-3交换算法。

(5)Or-opt与3-opt算法相比,or-opt算法有一个优点,大部分3-opt算法不能保持路径的方向,可能会产生一些不可行解,而or-opt算法能保持路径的方向且解可行。

下面一一介绍。

1. 2-opt(反转这两个点在内的中间的路线)

2-opt搜索算法由Lin S(1965)提的一种路径内改进方法。该方法通过改变一条路径中顾客的排序减少路径距离。如果该路径的成本减少,则改进的路径被保留。否则,路径返回修改前的情形。

注:可以看到,原来i+1到j的部分,被反过来了,变成了j到i+1。

比如:

再比如:

一个路径序列例如:1(i) /2 3 4 5(j)/ 6 7

2-OPT作用:随机是其中的两个点换位置(注意保留原有链接),例如:2和5换位置,要保证3还是和2挨着,序列会变成1 5 4 3 2 6 7

优化:序列变动之后,与原序列,对比路径和,如果路径和变短则更新路径

循环:重复上述步骤,设置循环次数,次数达到就跳出循环。

参考:

写给媳妇儿的算法(二)——2-opt算法解决商旅问题 - 简书 (jianshu.com)

局部搜索算法_georgechan.cn的博客-CSDN博客_局部搜索

扩展:k-opt

K-OPT的特点,就是把路径随机分成K段然后,然后调用2-OPT,由于有很多段,但不是每一段都要使用2-OPT,所以这产生了很多种组合方式:1段使用(2-opt)、2段使用(2-opt)…K段使用(2-opt),所以,每一种都要尝试,若出现更优的路径,就留下来,不然就不留下来。

2. 3-opt

3-opt算法是一种针对TSP问题的局部搜索算法,通过选取路径中不相邻的三个节点之间的连接删除(a中的3条虚线),然后尝试其他7种不同连接方式(即b、c、d、e、f、g、h共7种),并计算不同连接方式之后的路径长度,选取路径长度最短的连接方式作为新的连接方式。对于路径中不同的三个连接重复次过程,直到所有的三个连接都没有新的连接方式。

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或者可以看下面的图(去除3条虚线边):

链接:使用matlab实现的3-opt算法_qq_30977037的博客-CSDN博客_3-opt

3. Or-opt

Or-opt搜索算法是由Or(1976)提出的一种路径内改进方法。该方法是将一条路径中的m个连续的顾客节点在该路径中重新定位。

补充:

其它会在路径中用到的局部搜索方法:

(1)Swap/shift

Swap/shift是由Chen和Wu提出的一种路径间改进方法。该方法转移一条路径中的顾客到另一条路径上。

(2)2-opt*

2-opt*是由Potvin和Rousseu提出的一种路径间改进方法。在该方法中两条路径分别取1个交换位置,将第一条路径位置之后的所有顾客节点与第2条路径交换位置之后的所有顾客节点互换。

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