【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的具體過(guò)程。在蟻群尋找食物時(shí)，它們總能找到一條從食物到巢穴之間的最優(yōu)路徑。這是因?yàn)槲浵佋趯ふ衣窂綍r(shí)會(huì)在路徑上釋放出一種特殊的信息素。當(dāng)它們碰到一個(gè)還沒(méi)有走過(guò)的路口時(shí)。就隨機(jī)地挑選一條路徑前行。與此同時(shí)釋放出與路徑長(zhǎng)度有關(guān)的信息素。路徑越長(zhǎng)，釋放的激索濃度越低。當(dāng)后來(lái)的螞蟻再次碰到這個(gè)路口的時(shí)候。選擇激素濃度較高路徑概率就會(huì)相對(duì)較大。這樣形成一個(gè)正反饋。最優(yōu)路徑上的激索濃度越來(lái)越大。而其它的路徑上激素濃度卻會(huì)隨著時(shí)間的流逝而消減。最終整個(gè)蟻群會(huì)找出最優(yōu)路徑。于是令螞蟻依據(jù)以下規(guī)則移動(dòng)：(1) 范圍： 螞蟻觀察到的范圍是一個(gè)方格世界，螞蟻有一個(gè)參數(shù)為速度半徑（一般是3），那么它能觀察到的范圍就是3*3個(gè)方格世界，并且能移動(dòng)的距離也在這個(gè)范圍之內(nèi)。(2) 環(huán)境： 螞蟻所在的環(huán)境是一個(gè)虛擬的世界，其中有障礙物，有別的螞蟻，還有信息素，信息素有兩種，一種是找到食物的螞蟻灑下的食物信息素，一種是找到窩的螞蟻灑下的窩的信息素。每個(gè)螞蟻都僅僅能感知它范圍內(nèi)的環(huán)境信息。環(huán)境以一定的速率讓信息素消失。(3) 覓食規(guī)則： 在每只螞蟻能感知的范圍內(nèi)尋找是否有食物，如果有就直接過(guò)去。否則看是否有信息素，并且比較在能感知的范圍內(nèi)哪一點(diǎn)的信息素最多，這樣，它就朝信息素多的地方走，并且每只螞蟻多會(huì)以小概率犯錯(cuò)誤，從而并不是往信息素最多的點(diǎn)移動(dòng)。螞蟻找窩的規(guī)則和上面一樣，只不過(guò)它對(duì)窩的信息素做出反應(yīng)，而對(duì)食物信息素沒(méi)反應(yīng)。(4) 移動(dòng)規(guī)則： 每只螞蟻都朝向信息素最多的方向移，并且，當(dāng)周?chē)鷽](méi)有信息素指引的時(shí)候，螞蟻會(huì)按照自己原來(lái)運(yùn)動(dòng)的方向慣性的運(yùn)動(dòng)下去，并且，在運(yùn)動(dòng)的方向有一個(gè)隨機(jī)的小的擾動(dòng)。為了防止螞蟻原地轉(zhuǎn)圈，它會(huì)記住最近剛走過(guò)了哪些點(diǎn)，如果發(fā)現(xiàn)要走的下一點(diǎn)已經(jīng)在最近走過(guò)了，它就會(huì)盡量避開(kāi)。(5) 避障規(guī)則： 如果螞蟻要移動(dòng)的方向有障礙物擋住，它會(huì)隨機(jī)的選擇另一個(gè)方向，并且有信息素指引的話，它會(huì)按照覓食的規(guī)則行為。(6) 播撒信息素規(guī)則： 每只螞蟻在剛找到食物或者窩的時(shí)候撒發(fā)的信息素最多，并隨著它走遠(yuǎn)的距離，播撒的信息素越來(lái)越少。 根據(jù)這幾條規(guī)則，螞蟻之間并沒(méi)有直接的關(guān)系，但是每只螞蟻都和環(huán)境發(fā)生交互，而通過(guò)信息素這個(gè)紐帶，實(shí)際上把各個(gè)螞蟻之間關(guān)聯(lián)起來(lái)了。比如，當(dāng)一只螞蟻找到了食物，它并沒(méi)有直接告訴其它螞蟻這兒有食物，而是向環(huán)境播撒信息素，當(dāng)其它的螞蟻經(jīng)過(guò)它附近的時(shí)候，就會(huì)感覺(jué)到信息素的存在，進(jìn)而根據(jù)信息素的指引找到了食物。螞蟻究竟是怎么找到食物的呢？在沒(méi)有螞蟻找到食物的時(shí)候，環(huán)境沒(méi)有有用的信息素，那么螞蟻為什么會(huì)相對(duì)有效的找到食物呢？這要?dú)w功于螞蟻的移動(dòng)規(guī)則，尤其是在沒(méi)有信息素時(shí)候的移動(dòng)規(guī)則。首先，它要能盡量保持某種慣性，這樣使得螞蟻盡量向前方移動(dòng)（開(kāi)始，這個(gè)前方是隨機(jī)固定的一個(gè)方向），而不是原地?zé)o謂的打轉(zhuǎn)或者震動(dòng)；其次，螞蟻要有一定的隨機(jī)性，雖然有了固定的方向，但它也不能像粒子一樣直線運(yùn)動(dòng)下去，而是有一個(gè)隨機(jī)的干擾。這樣就使得螞蟻運(yùn)動(dòng)起來(lái)具有了一定的目的性，盡量保持原來(lái)的方向，但又有新的試探，尤其當(dāng)碰到障礙物的時(shí)候它會(huì)立即改變方向，這可以看成一種選擇的過(guò)程，也就是環(huán)境的障礙物讓螞蟻的某個(gè)方向正確，而其他方向則不對(duì)。這就解釋了為什么單個(gè)螞蟻在復(fù)雜的諸如迷宮的地圖中仍然能找到隱蔽得很好的食物。 　　當(dāng)然，在有一只螞蟻找到了食物的時(shí)候，其他螞蟻會(huì)沿著信息素很快找到食物的。而螞蟻如何找到最短路徑的？這一是要?dú)w功于信息素，另外要?dú)w功于環(huán)境，具體說(shuō)是計(jì)算機(jī)時(shí)鐘。信息素多的地方顯然經(jīng)過(guò)這里的螞蟻會(huì)多，因而會(huì)有更多的螞蟻聚集過(guò)來(lái)。假設(shè)有兩條路從窩通向食物，開(kāi)始的時(shí)候，走這兩條路的螞蟻數(shù)量同樣多（或者較長(zhǎng)的路上螞蟻多，這也無(wú)關(guān)緊要）。當(dāng)螞蟻沿著一條路到達(dá)終點(diǎn)以后會(huì)馬上返回來(lái)，這樣，短的路螞蟻來(lái)回一次的時(shí)間就短，這也意味著重復(fù)的頻率就快，因而在單位時(shí)間里走過(guò)的螞蟻數(shù)目就多，灑下的信息素自然也會(huì)多，自然會(huì)有更多的螞蟻被吸引過(guò)來(lái)，從而灑下更多的信息素……；而長(zhǎng)的路正相反，因此，越來(lái)越多地螞蟻聚集到較短的路徑上來(lái)，最短的路徑就近似找到了。也許有人會(huì)問(wèn)局部最短路徑和全局最短路的問(wèn)題，實(shí)際上螞蟻逐漸接近全局最短路徑的，為什么呢？這源于螞蟻會(huì)犯錯(cuò)誤，也就是它會(huì)按照一定的概率不往信息素高的地方走而另辟蹊徑，這可以理解為一種創(chuàng)新，這種創(chuàng)新如果能縮短路途，那么根據(jù)剛才敘述的原理，更多的螞蟻會(huì)被吸引過(guò)來(lái)。所以經(jīng)過(guò)一段很長(zhǎng)的時(shí)間后，最終螞蟻們的路線將是全局最短路徑。 任務(wù)意義模擬自然界螞蟻尋找食物這一群體行為的編隊(duì)控制算法又可以稱(chēng)作螞蟻算法，或蟻群算法，是一種用來(lái)在圖中尋找優(yōu)化路徑的機(jī)率型技術(shù)，它由Marco Dorigo于1992年在他的博士論文中引入。蟻群算法是一種模擬進(jìn)化算法。初步的研究表明該算法具有許多優(yōu)良的性質(zhì)。針對(duì)PID控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，將蟻群算法設(shè)計(jì)的結(jié)果與遺傳算法設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行了比較，數(shù)值仿真結(jié)果表明，蟻群算法具有一種新的模擬進(jìn)化優(yōu)化方法的有效性和應(yīng)用價(jià)值。蟻群算法是一種求解組合最優(yōu)化問(wèn)題的新型通用啟發(fā)式方法，該方法的特點(diǎn)如下：（1）蟻群算法是一種自組織的算法。在系統(tǒng)論中，自組織和它組織是組織的兩個(gè)基本分類(lèi)，其區(qū)別在于組織力或組織指令是來(lái)自于系統(tǒng)的內(nèi)部還是來(lái)自于系統(tǒng)的外部，來(lái)自于系統(tǒng)內(nèi)部的是自組織，來(lái)自于系統(tǒng)外部的是他組織。如果系統(tǒng)在獲得空間的、時(shí)間的或者功能結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，沒(méi)有外界的特定干預(yù)，我們便說(shuō)系統(tǒng)是自組織的。在抽象意義上講，自組織就是在沒(méi)有外界作用下使得系統(tǒng)墑增加的過(guò)程(即是系統(tǒng)從無(wú)序到有序的變化過(guò)程)。蟻群算法充分休現(xiàn)了這個(gè)過(guò)程，以螞蟻群體優(yōu)化為例子說(shuō)明。當(dāng)算法開(kāi)始的初期，單個(gè)的人工螞蟻無(wú)序的尋找解，算法經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的演化，人工螞蟻間通過(guò)信息激素的作用，自發(fā)的越來(lái)越趨向于尋找到接近最優(yōu)解的一些解，這就是一個(gè)無(wú)序到有序的過(guò)程。 　　（2）蟻群算法是一種本質(zhì)上并行的算法。每只螞蟻搜索的過(guò)程彼此獨(dú)立，僅通過(guò)信息激素進(jìn)行通信。所以蟻群算法則可以看作是一個(gè)分布式的多自主體系統(tǒng)，它在問(wèn)題空間的多點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行獨(dú)立的解搜索，不僅增加了算法的可靠性，也使得算法具有較強(qiáng)的全局搜索能力。 　?。?）蟻群算法是一種正反饋的算法。從真實(shí)螞蟻的覓食過(guò)程中我們不難看出，螞蟻能夠最終找到最短路徑，直接依賴(lài)于最短路徑上信息激素的堆積，而信息激素的堆積卻是一個(gè)正反饋的過(guò)程。對(duì)蟻群算法來(lái)說(shuō)，初始時(shí)刻在環(huán)境中存在完全相同的信息激素，給予系統(tǒng)一個(gè)微小擾動(dòng)，使得各個(gè)邊上的軌跡濃度不相同，螞蟻構(gòu)造的解就存在了優(yōu)劣，算法采用的反饋方式是在較優(yōu)的解經(jīng)過(guò)的路徑留下更多的信息激素，而更多的信息激素又吸引了更多的螞蟻，這個(gè)正反饋的過(guò)程使得初始的不同得到不斷的擴(kuò)大，同時(shí)又引導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)向最優(yōu)解的方向進(jìn)化。因此， 　　正反饋是螞蟻算法的重要特征，它使得算法演化過(guò)程得以進(jìn)行。 　?。?）蟻群算法具有較強(qiáng)的魯棒性。相對(duì)于其它算法，蟻群算法對(duì)初始路線要求不高，即蟻群算法的求解結(jié)果不依賴(lài)子初始路線的選擇，而且在搜索過(guò)程中不需要進(jìn)行人工的調(diào)整。其次，蟻群算法的參數(shù)數(shù)目少，設(shè)置簡(jiǎn)單，易于蟻群算法應(yīng)用到其它組合優(yōu)化問(wèn)題的求解。 這種算法有別于傳統(tǒng)編程模式的算法，其優(yōu)勢(shì)在于，避免了冗長(zhǎng)的編程和籌劃，程序本身是基于一定規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)行來(lái)尋找最佳配置。也就是說(shuō)，當(dāng)程序最開(kāi)始找到目標(biāo)的時(shí)候，路徑幾乎不可能是最優(yōu)的，甚至可能是包含了無(wú)數(shù)錯(cuò)誤的選擇而極度冗長(zhǎng)的。但是，程序卻可以通過(guò)螞蟻尋找食物的時(shí)候的信息素原理，不斷地去修正原來(lái)的路線，使整個(gè)路線越來(lái)越短，也就是說(shuō)，程序執(zhí)行的時(shí)間越長(zhǎng)，所獲得的路徑就越可能接近最優(yōu)路徑。這看起來(lái)很類(lèi)似與我們所見(jiàn)的由無(wú)數(shù)例子進(jìn)行歸納概括形成最佳路徑的過(guò)程。實(shí)際上好似是程序的一個(gè)自我學(xué)習(xí)的過(guò)程。 這種優(yōu)化過(guò)程的本質(zhì)在于：（1）選擇機(jī)制：信息素越多的路徑，被選擇的概率越大。（2）更新機(jī)制：路徑上面的信息素會(huì)隨螞蟻的經(jīng)過(guò)而增長(zhǎng)，而且同時(shí)也隨時(shí)間的推移逐漸揮發(fā)消失。（3）協(xié)調(diào)機(jī)制：螞蟻間實(shí)際上是通過(guò)分泌物來(lái)互相通信、協(xié)同工作的。　　蟻群算法正是充分利用了選擇、更新和協(xié)調(diào)的優(yōu)化機(jī)制，即通過(guò)個(gè)體之間的信息交流與相互協(xié)作最終找到最優(yōu)解，使它具有很強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)較優(yōu)解的能力。通過(guò)上面的原理敘述和實(shí)際操作，我們不難發(fā)現(xiàn)螞蟻之所以具有群體智能行為，完全歸功于它的簡(jiǎn)單行為規(guī)則，而這些規(guī)則綜合起來(lái)具有下面兩個(gè)方面的特點(diǎn)：多樣性和正反饋。多樣性保證了螞蟻在覓食的時(shí)候不置走進(jìn)死胡同而無(wú)限循環(huán)，正反饋機(jī)制則保證了相對(duì)優(yōu)良的信息能夠被保存下來(lái)。我們可以把多樣性看成是一種創(chuàng)造能力，而正反饋是一種學(xué)習(xí)強(qiáng)化能力。正反饋的力量也可以比喻成權(quán)威的意見(jiàn)，而多樣性是打破權(quán)威體現(xiàn)的創(chuàng)造性，正是這兩點(diǎn)小心翼翼的巧妙結(jié)合才使得群體智能行為涌現(xiàn)出來(lái)了。 　　引申來(lái)講，大自然的進(jìn)化，社會(huì)的進(jìn)步、人類(lèi)的創(chuàng)新實(shí)際上都離不開(kāi)這兩樣?xùn)|西，多樣性保證了系統(tǒng)的創(chuàng)新能力，正反饋保證了優(yōu)良特性能夠得到強(qiáng)化，兩者要恰到好處的結(jié)合。如果多樣性過(guò)剩，也就是系統(tǒng)過(guò)于活躍，這相當(dāng)于螞蟻會(huì)過(guò)多的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，它就會(huì)陷入混沌狀態(tài)；而相反，多樣性不夠，正反饋機(jī)制過(guò)強(qiáng)，那么系統(tǒng)就好比一潭死水。這在蟻群中來(lái)講就表現(xiàn)為，螞蟻的行為過(guò)于僵硬，當(dāng)環(huán)境變化了，螞蟻群仍然不能適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 　　既然復(fù)雜性、智能行為是根據(jù)底層規(guī)則涌現(xiàn)的，既然底層規(guī)則具有多樣性和正反饋特點(diǎn)，那么也許你會(huì)問(wèn)這些規(guī)則是哪里來(lái)的？多樣性和正反饋又是哪里來(lái)的？我個(gè)人的意見(jiàn)：規(guī)則來(lái)源于大自然的進(jìn)化。而大自然的進(jìn)化根據(jù)剛才講的也體現(xiàn)為多樣性和正反饋的巧妙結(jié)合。而這樣的巧妙結(jié)合又是為什么呢？為什么在你眼前呈現(xiàn)的世界是如此栩栩如生呢？答案在于環(huán)境造就了這一切，之所以你看到栩栩如生的世界，是因?yàn)槟切┎荒軌蜻m應(yīng)環(huán)境的多樣性與正反饋的結(jié)合都已經(jīng)死掉了，被環(huán)境淘汰了！ 多年來(lái)世界各地研究工作者對(duì)蟻群算法進(jìn)行了精心研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，如今該算法現(xiàn)己被大量應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析、機(jī)器人協(xié)作問(wèn)題求解、電力、通信、水利、采礦、化工、建筑、交通等領(lǐng)域。主要解決的問(wèn)題包括：（1）旅行商問(wèn)題：旅行商問(wèn)題就是尋找通過(guò)n個(gè)城市各一次且最后回到出發(fā)點(diǎn)的最短路徑。（