蚁群算法小措施(C/C++语言实现)(一)
副标题#e#
算法表明：
措施开始运行，蚂蚁们开始从窝里出动了，寻找食物；他们会顺着屏幕爬满整个画面，直到找到食物再返回窝。
个中，‘F’点暗示食物，‘H’暗示窝，白色块暗示障碍物，‘+’就是蚂蚁了。
预期的功效：各个蚂蚁在没有事先汇报他们食物在什么处所的前提下开始寻找食物。当一只找到食物今后，它会向情况释放一种信息素，吸引其他的蚂蚁过来，这样越来越多的蚂蚁会找到食物！有些蚂蚁并没有象其它蚂蚁一样总反复同样的路，他们会另辟门路，假如令开发的阶梯比本来的其他阶梯更短，那么，徐徐，更多的蚂蚁被吸引到这条较短的路上来。最后，颠末一段时间运行，大概会呈现一条最短的路径被大大都蚂蚁反复着。
道理：为什么小小的蚂蚁可以或许找到食物？他们具有智能么？设想，假如我们要为蚂蚁设计一小我私家工智能的措施，那么这个措施要何等巨大呢？首先，你要让蚂蚁可以或许避开障碍物，就必需按照适当的地形给它编进指令让他们可以或许巧妙的避开障碍物，其次，要让蚂蚁找到食物，就需要让他们遍历空间上的所有点；再次，假如要让蚂蚁找到最短的路径，那么需要计较所有大概的路径而且较量它们的巨细，并且更重要的是，你要小心翼翼的编程，因为措施的错误也许会让你前功尽弃。这是何等不行思议的措施！太巨大了，恐怕没人可以或许完成这样繁琐冗余的措施。
然而，事实并没有你想得那么巨大，上面这个措施每个蚂蚁的焦点措施编码不外100多行！为什么这么简朴的措施会让蚂蚁干这样巨大的工作？谜底是：简朴法则的涌现。事实上，每只蚂蚁并不是像我们想象的需要知道整个世界的信息，他们其实只体贴很小范畴内的面前信息，并且按照这些局部信息操作几条简朴的法则举办决定，这样，在蚁群这个集团里，巨大性的行为就会凸现出来。这就是人工生命、巨大性科学表明的纪律！那么，这些简朴法则是什么呢？下面具体说明：
1、范畴：蚂蚁调查到的范畴是一个方格世界，蚂蚁有一个参数为速度半径（一般是3），那么它能调查到的范畴就是3*3个方格世界，而且能移动的间隔也在这个范畴之内。
2、情况：蚂蚁地址的情况是一个虚拟的世界，个中有障碍物，有此外蚂蚁，尚有信息素，信息素有两种，一种是找到食物的蚂蚁洒下的食物信息素，一种是找到窝的蚂蚁洒下的窝的信息素。每个蚂蚁都仅仅能感知它范畴内的情况信息。情况以必然的速率让信息素消失。
3、觅食法则：在每只蚂蚁能感知的范畴内寻找是否有食物，假如有就直接已往。不然看是否有信息素，而且较量在能感知的范畴内哪一点的信息素最多，这样，它就朝信息素多的处所走，而且每只蚂蚁多会以小概率出错误，从而并不是往信息素最多的点移动。蚂蚁找窝的法则和上面一样，只不外它对窝的信息素做出回响，而对食物信息素没回响。
4、移动法则：每只蚂蚁都朝向信息素最多的偏向移，而且，当周围没有信息素指引的时候，蚂蚁会凭据本身本来举动的偏向惯性的举动下去，而且，在举动的偏向有一个随机的小的扰动。为了防备蚂蚁原地转圈，它会记着最近刚走过了哪些点，假如发明要走的下一点已经在最近走过了，它就会只管避开。
5、避障法则：假如蚂蚁要移动的偏向有障碍物盖住，它会随机的选择另一个偏向，而且有信息素指引的话，它会凭据觅食的法则行为。
7、播撒信息素法则：每只蚂蚁在刚找到食物可能窝的时候撒发的信息素最多，并跟着它走远的间隔，播撒的信息素越来越少。
按照这几条法则，蚂蚁之间并没有直接的干系，可是每只蚂蚁都和情况产生交互，而通过信息素这个纽带，实际上把各个蚂蚁之间关联起来了。好比，当一只蚂蚁找到了食物，它并没有直接汇报其它蚂蚁这儿有食物，而是向情况播撒信息素，当其它的蚂蚁颠末它四周的时候，就会感受到信息素的存在，进而按照信息素的指引找到了食物。
问题：说了这么多，蚂蚁毕竟是怎么找到食物的呢？
在没有蚂蚁找到食物的时候，情况没有有用的信息素，那么蚂蚁为什么会相对有效的找到食物呢？这要归功于蚂蚁的移动法则，尤其是在没有信息素时候的移动法则。首先，它要能只管保持某种惯性，这样使得蚂蚁只管向前方移动（开始，这个前方是随机牢靠的一个偏向），而不是原地无谓的打转可能震动；其次，蚂蚁要有必然的随机性，固然有了牢靠的偏向，但它也不能像粒子一样直线举动下去，而是有一个随机的滋扰。这样就使得蚂蚁举动起来具有了必然的目标性，只管保持本来的偏向，但又有新的试探，尤其当遇到障碍物的时候它会当即改变偏向，这可以当作一种选择的进程，也就是情况的障碍物让蚂蚁的某个偏向正确，而其他偏向则差池。这就表明白为什么单个蚂蚁在巨大的诸如迷宫的舆图中仍然能找到隐蔽得很好的食物。
虽然，在有一只蚂蚁找到了食物的时候，其他蚂蚁会沿着信息素很快找到食物的。
#p#分页标题#e#
蚂蚁如何找到最短路径的？这一是要归功于信息素，别的要归功于情况，详细说是计较机时钟。信息素多的处所显然颠末这里的蚂蚁会多，因而会有更多的蚂蚁聚积过来。假设有两条路从窝通向食物，开始的时候，走这两条路的蚂蚁数量同样多（可能较长的路上蚂蚁多，这也无关紧急）。当蚂蚁沿着一条路达到终点今后会顿时返返来，这样，短的路蚂蚁往返一次的时间就短，这也意味着反复的频率就快，因而在单元时间里走过的蚂蚁数目就多，洒下的信息素自然也会多，自然会有更多的蚂蚁被吸引过来，从而洒下更多的信息素……；而长的路正相反，因此，越来越多地蚂蚁聚积到较短的路径上来，最短的路径就近似找到了。也许有人会问局部最短路径和全局最短路的问题，实际上蚂蚁逐渐靠近全局最短路的，为什么呢？这源于蚂蚁会出错误，也就是它会凭据必然的概率不往信息素高的处所走而另辟门路，这可以领略为一种创新，这种创新假如能缩短路途，那么按照适才论述的道理，更多的蚂蚁会被吸引过来。
引申随着蚂蚁的踪迹，你找到了什么？通过上面的道理论述和实际操纵，我们不难发明蚂蚁之所以具有智能行为，完全归功于它的简朴行为法则，而这些法则综合起来具有下面两个方面的特点：
1、多样性2、正反馈多样性担保了蚂蚁在觅食的时候不置走进死胡同而无限轮回，正反馈机制则担保了相对优良的信息可以或许被生存下来。我们可以把多样性当作是一种缔造本领，而正反馈是一种进修强化本领。正反馈的气力也可以比喻成权威的意见，而多样性是冲破权威浮现的缔造性，正是这两点小心翼翼的巧妙团结才使得智能行为涌现出来了。[Page]引申来讲，大自然的进化，社会的进步、人类的创新实际上都离不开这两样对象，多样性担保了系统的创新本领，正反馈担保了优良特机可以或许获得强化，两者要恰到长处的团结。假如多样性过剩，也就是系统过于活泼，这相当于蚂蚁会过多的随机举动，它就会陷入混沌状态；而相反，多样性不足，正反馈机制过强，那么系统就比如一潭死水。这在蚁群中来讲就表示为，蚂蚁的行为过于僵硬，当情况变革了，蚂蚁群仍然不能适当的调解。
既然巨大性、智能行为是按照底层法则涌现的，既然底层法则具有多样性和正反馈特点，那么也许你会问这些法则是那边来的？多样性和正反馈又是那边来的？我本人的意见：法则来历于大自然的进化。而大自然的进化按照适才讲的也浮现为多样性和正反馈的巧妙团结。而这样的巧妙团结又是为什么呢？为什么在你面前泛起的世界是如此绘声绘色呢？谜底在于情况培育了这一切，之所以你看到绘声绘色的世界，是因为那些不可以或许适应情况的多样性与正反馈的团结都已经死掉了，被情况裁减了！
参数说明：最大信息素：蚂蚁在一开始拥有的信息素总量，越大暗示措施在较长一段时间可以或许存在信息素。信息素消减的速度：跟着时间的流逝，已经存在于世界上的信息素会消减，这个数值越大，那么消减的越快。
错误概率暗示这个蚂蚁不往信息素最大的区域走的概率，越大则暗示这个蚂蚁越有创新性。
速度半径暗示蚂蚁一次能走的最大长度，也暗示这个蚂蚁的感知范畴。
影象本领暗示蚂蚁能记着几多个方才走过点的坐标，这个值制止了蚂蚁在当地打转，裹足不前。而这个值越大那么整个系统运行速度就慢，越小则蚂蚁越容易原地转圈。
#p#副标题#e#
源代码如下：
/*ant.c*/
#define SPACE 0x20
#define ESC 0x1b
#define ANT_CHAR_EMPTY '+'
#define ANT_CHAR_FOOD 153
#define HOME_CHAR 'H'
#define FOOD_CHAR 'F'
#define FOOD_CHAR2 'f'
#define FOOD_HOME_COLOR 12
#define BLOCK_CHAR 177
#define MAX_ANT 50
#define INI_SPEED 3
#define MAXX 80
#define MAXY 23
#define MAX_FOOD 10000
#define TARGET_FOOD 200
#define MAX_SMELL 5000
#define SMELL_DROP_RATE 0.05
#define ANT_ERROR_RATE 0.02
#define ANT_EYESHOT 3
#define SMELL_GONE_SPEED 50
#define SMELL_GONE_RATE 0.05
#define TRACE_REMEMBER 50
#define MAX_BLOCK 100
#define NULL 0
#define UP 1
#define DOWN 2
#define LEFT 3
#define RIGHT 4
#define SMELL_TYPE_FOOD 0
#define SMELL_TYPE_HOME 1
#include "stdio.h"
#include "conio.h"
#include "dos.h"
#include "stdlib.h"
#include "dos.h"
#include "process.h"
#include "ctype.h"
#include "math.h"
void WorldInitial(void);
void BlockInitial(void);
void CreatBlock(void);
void SaveBlock(void);
void LoadBlock(void);
void HomeFoodInitial(void);
void AntInitial(void);
void WorldChange(void);
void AntMove(void);
void AntOneStep(void);
void DealKey(char key);
void ClearSmellDisp(void);
void DispSmell(int type);
int AntNextDir(int xxx,int yyy,int ddir);
int GetMaxSmell(int type,int xxx,int yyy,int ddir);[Page]
int IsTrace(int xxx,int yyy);
int MaxLocation(int num1,int num2,int num3);
int CanGo(int xxx,int yyy,int ddir);
int JudgeCanGo(int xxx,int yyy);
int TurnLeft(int ddir);
int TurnRight(int ddir);
int TurnBack(int ddir);
int MainTimer(void);
char WaitForKey(int secnum);
void DispPlayTime(void);
int TimeUse(void);
void HideCur(void);
void ResetCur(void);
/* --------------- */
struct HomeStruct
{
int xxx,yyy;
int amount;
int TargetFood;
}home;
struct FoodStruct
{
int xxx,yyy;
int amount;
}food;
struct AntStruct
{
int xxx,yyy;
int dir;
int speed;
int SpeedTimer;
int food;
int SmellAmount[2];
int tracex[TRACE_REMEMBER];
int tracey[TRACE_REMEMBER];
int TracePtr;
int IQ;
}ant[MAX_ANT];
int AntNow;
int timer10ms;
struct time starttime,endtime;
int Smell[2][MAXX+1][MAXY+1];
int block[MAXX+1][MAXY+1];
int SmellGoneTimer;
int SmellDispFlag;
int CanFindFood;
int HardtoFindPath;
/* ----- Main -------- */
void main(void)
{
char KeyPress;
int tu;
clrscr();
HideCur();
WorldInitial();
do
{
timer10ms = MainTimer();
if(timer10ms) AntMove();
if(timer10ms) WorldChange();
tu = TimeUse();
if(tu>=60&&!CanFindFood)
{
gotoxy(1,MAXY+1);
printf("Can not find food, maybe a block world.");
WaitForKey(10);
WorldInitial();
}
if(tu>=180&&home.amount<100&&!HardtoFindPath)
{
gotoxy(1,MAXY+1);
printf("God! it is so difficult to find a path.");[Page]
if(WaitForKey(10)==0x0d) WorldInitial();
else
{
HardtoFindPath = 1;
gotoxy(1,MAXY+1);
printf(" ");
}
}
if(home.amount>=home.TargetFood)
{
gettime(&endtime);
KeyPress = WaitForKey(60);
DispPlayTime();
WaitForKey(10);
WorldInitial();
}
else if(kbhit())
{
KeyPress = getch();
DealKey(KeyPress);
}
else KeyPress = NULL;
}
while(KeyPress!=ESC);
gettime(&endtime);
DispPlayTime();
WaitForKey(10);
clrscr();
ResetCur();
}
/* ------ general sub process ----------- */
int MainTimer(void)
/* output: how much 10ms have pass from last time call this process */
{
static int oldhund,oldsec;
struct time t;
int timeuse;
gettime(&t);
timeuse = 0;
if(t.ti_hund!=oldhund)
{
if(t.ti_sec!=oldsec)[Page]
{
timeuse+=100;
oldsec = t.ti_sec;
}
timeuse+=t.ti_hund-oldhund;
oldhund = t.ti_hund;
}
else timeuse = 0;
return (timeuse);
}
char WaitForKey(int secnum)
/* funtion: if have key in, exit immediately, else wait 'secnum' senconds then exit
input: secnum -- wait this senconds, must < 3600 (1 hour)
output: key char, if no key in(exit when timeout), return NULL */
{
int secin,secnow;
int minin,minnow;
int hourin,hournow;
int secuse;
struct time t;
gettime(&t);
secin = t.ti_sec;
minin = t.ti_min;
hourin = t.ti_hour;
do
{
if(kbhit()) return(getch());
gettime(&t);
secnow = t.ti_sec;
minnow = t.ti_min;
hournow = t.ti_hour;
if(hournow!=hourin) minnow+=60;
if(minnow>minin) secuse = (minnow-1-minin) + (secnow+60-secin);
else secuse = secnow - secin;
/* counting error check */
if(secuse<0)
{
gotoxy(1,MAXY+1);
printf("Time conuting error, any keyto exit...");
getch();
exit(3);
}
}
while(secuse<=secnum);
return (NULL);
}
void DispPlayTime(void)
{
int ph,pm,ps;
ph = endtime.ti_hour - starttime.ti_hour;[Page]
pm = endtime.ti_min - starttime.ti_min;
ps = endtime.ti_sec - starttime.ti_sec;
if(ph<0) ph+=24;
if(pm<0) { ph--; pm+=60; }
if(ps<0) { pm--; ps+=60; }
gotoxy(1,MAXY+1);
printf("Time use: %d hour- %d min- %d sec ",ph,pm,ps);
}
int TimeUse(void)
{
int ph,pm,ps;
gettime(&endtime);
ph = endtime.ti_hour - starttime.ti_hour;
pm = endtime.ti_min - starttime.ti_min;
ps = endtime.ti_sec - starttime.ti_sec;
if(ph<0) ph+=24;
if(pm<0) { ph--; pm+=60; }
if(ps<0) { pm--; ps+=60; }
return(ps+(60*(pm+60*ph)));
}
void HideCur(void)
{
union REGS regs0;
regs0.h.ah=1;
regs0.h.ch=0x30;
regs0.h.cl=0x31;
int86(0x10,®s0,®s0);
}
void ResetCur(void)
{
union REGS regs0;
regs0.h.ah=1;
regs0.h.ch=0x06;
regs0.h.cl=0x07;
int86(0x10,®s0,®s0);
}
/* ------------ main ANT programe ------------- */
void WorldInitial(void)
{
int k,i,j;
randomize();
clrscr();
HomeFoodInitial();
for(AntNow=0;AntNow<MAX_ANT;AntNow++)
{
AntInitial();
} /* of for AntNow */;
BlockInitial();
for(k=0;k<=1;k++)
/* SMELL TYPE FOOD and HOME */
for(i=0;i<=MAXX;i++)
for(j=0;j<=MAXY;j++)
Smell[k][i][j] = 0;
SmellGoneTimer = 0;
gettime(&starttime);
SmellDispFlag = 0;
CanFindFood = 0;
HardtoFindPath = 0;
}
void BlockInitial(void)
{
int i,j;
int bn;
for(i=0;i<=MAXX;i++)
for(j=0;j<=MAXY;j++)[Page]
block[i][j] = 0;
bn = 1+ MAX_BLOCK/2 + random(MAX_BLOCK/2);
for(i=0;i<=bn;i++) CreatBlock();
}
void CreatBlock(void)
{
int x1,y1,x2,y2;
int dx,dy;
int i,j;
x1 = random(MAXX)+1;
y1 = random(MAXY)+1;
dx = random(MAXX/10)+1;
dy = random(MAXY/10)+1;
x2 = x1+dx;
y2 = y1+dy;
if(x2>MAXX) x2 = MAXX;
if(y2>MAXY) y2 = MAXY;
if(food.xxx>=x1&&food.xxx<=x2&&food.yyy>=y1&&food.yyy<=y2) return;
if(home.xxx>=x1&&home.xxx<=x2&&home.yyy>=y1&&home.yyy<=y2) return;
for(i=x1;i<=x2;i++)
for(j=y1;j<=y2;j++)
{
block[i][j] = 1;
gotoxy(i,j);
putch(BLOCK_CHAR);
}
}
void SaveBlock(void)
{
FILE *fp_block;
char FileNameBlock[20];
int i,j;
gotoxy(1,MAXY+1);
printf(" ");
gotoxy(1,MAXY+1);
printf("Save to file...",FileNameBlock);
gets(FileNameBlock);
if(FileNameBlock[0]==0) strcpy(FileNameBlock,"Ant.ant");
else strcat(FileNameBlock,".ant");
if ((fp_block = fopen(FileNameBlock, "wb")) == NULL)
{ gotoxy(1,MAXY+1);
printf("Creat file %s fail...",FileNameBlock);
getch();
exit(2);
}
gotoxy(1,MAXY+1);
printf(" "); [Page]
fputc(home.xxx,fp_block);
fputc(home.yyy,fp_block);
fputc(food.xxx,fp_block);
fputc(food.yyy,fp_block);
for(i=0;i<=MAXX;i++)
for(j=0;j<=MAXY;j++)
fputc(block[i][j],fp_block);
fclose(fp_block);
}
void LoadBlock(void)
{
FILE *fp_block;
char FileNameBlock[20];
int i,j,k;
gotoxy(1,MAXY+1);
printf(" ");
gotoxy(1,MAXY+1);
printf("Load file...",FileNameBlock);
gets(FileNameBlock);
if(FileNameBlock[0]==0) strcpy(FileNameBlock,"Ant.ant");
else strcat(FileNameBlock,".ant");
if ((fp_block = fopen(FileNameBlock, "rb")) == NULL)
{ gotoxy(1,MAXY+1);
printf("Open file %s fail...",FileNameBlock);
getch();
exit(2);
}
clrscr();
home.xxx = fgetc(fp_block);
home.yyy = fgetc(fp_block);
food.xxx = fgetc(fp_block);
food.yyy = fgetc(fp_block);
gotoxy(home.xxx,home.yyy); putch(HOME_CHAR);
gotoxy(food.xxx,food.yyy); putch(FOOD_CHAR);
food.amount = random(MAX_FOOD/3)+2*MAX_FOOD/3+1;
/* food.amount = MAX_FOOD; */
home.amount = 0;
home.TargetFood = (food.amount<TARGET_FOOD)?food.amount:TARGET_FOOD;
for(AntNow=0;AntNow<MAX_ANT;AntNow++)
{
AntInitial();
} /* of for AntNow */;
for(i=0;i<=MAXX;i++)
for(j=0;j<=MAXY;j++)
{
block[i][j] = fgetc(fp_block);
if(block[i][j])
{
gotoxy(i,j);
putch(BLOCK_CHAR);
}
}[Page]
for(k=0;k<=1;k++)
/* SMELL TYPE FOOD and HOME */
for(i=0;i<=MAXX;i++)
for(j=0;j<=MAXY;j++)
Smell[k][i][j] = 0;
SmellGoneTimer = 0;
gettime(&starttime);
SmellDispFlag = 0;
CanFindFood = 0;
HardtoFindPath = 0;
