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套料遗传算法(Bin Packing Genetic Algorithm)

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    发表于 2024-3-6 12:50:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
    1. 套料遗传算法(Bin Packing Genetic Algorithm)是一种用于解决套料问题的优化算法。套料问题是指将一组物品尽可能有效地放入一组容器中,使得容器的利用率最高。
    2. 以下是一个简单的套料遗传算法的C++代码示例:
    3. cpp
    4. #include <iostream>
    5. #include <vector>
    6. #include <algorithm>
    7. #include <random>
    8. // 定义物品结构体
    9. struct Item {
    10.     int id;
    11.     int size;
    12. };
    13. // 定义容器结构体
    14. struct Bin {
    15.     int id;
    16.     int capacity;
    17.     std::vector<Item> items;
    18. };
    19. // 遗传算法参数
    20. const int POPULATION采用SIZE = 100; // 种群大小
    21. const int MAX采用GENERATIONS = 100; // 最大迭代次数
    22. const double MUTATION采用RATE = 0.1; // 变异率
    23. // 随机数生成器
    24. std::random采用device rd;
    25. std::mt19937 gen(rd());
    26. std::uniform采用real采用distribution<> dis(0.0, 1.0);
    27. // 计算容器利用率
    28. double calculateFitness(const Bin& bin) {
    29.     int totalSize = 0;
    30.     for (const auto& item : bin.items) {
    31.         totalSize += item.size;
    32.     }
    33.     return static采用cast<double>(totalSize) / bin.capacity;
    34. }
    35. // 初始化种群
    36. std::vector<Bin> initializePopulation(int numBins, const std::vector<Item>& items) {
    37.     std::vector<Bin> population;
    38.     for (int i = 0; i < POPULATION采用SIZE; ++i) {
    39.         Bin bin;
    40.         bin.id = i;
    41.         bin.capacity = numBins;
    42.         population.push采用back(bin);
    43.     }
    44.     return population;
    45. }
    46. // 选择操作
    47. std::vector<Bin> selection(const std::vector<Bin>& population) {
    48.     std::vector<Bin> selectedPopulation;
    49.     for (int i = 0; i < POPULATION采用SIZE; ++i) {
    50.         int index1 = static采用cast<int>(dis(gen) * POPULATION采用SIZE);
    51.         int index2 = static采用cast<int>(dis(gen) * POPULATION采用SIZE);
    52.         selectedPopulation.push采用back(population[index1].items.size() > population[index2].items.size() ? population[index1] : population[index2]);
    53.     }
    54.     return selectedPopulation;
    55. }
    56. // 交叉操作
    57. std::vector<Bin> crossover(const std::vector<Bin>& population) {
    58.     std::vector<Bin> offspringPopulation;
    59.     for (int i = 0; i < POPULATION采用SIZE; i += 2) {
    60.         Bin parent1 = population[i];
    61.         Bin parent2 = population[i + 1];
    62.         Bin offspring1 = parent1;
    63.         Bin offspring2 = parent2;
    64.         int crossoverPoint = static采用cast<int>(dis(gen) * parent1.items.size());
    65.         offspring1.items.insert(offspring1.items.end(), parent2.items.begin() + crossoverPoint, parent2.items.end());
    66.         offspring2.items.insert(offspring2.items.end(), parent1.items.begin() + crossoverPoint, parent1.items.end());
    67.         offspringPopulation.push采用back(offspring1);
    68.         offspringPopulation.push采用back(offspring2);
    69.     }
    70.     return offspringPopulation;
    71. }
    72. // 变异操作
    73. void mutation(std::vector<Bin>& population) {
    74.     for (auto& bin : population) {
    75.         for (auto& item : bin.items) {
    76.             if (dis(gen) < MUTATION采用RATE) {
    77.                 item.size = static采用cast<int>(dis(gen) * bin.capacity);
    78.             }
    79.         }
    80.     }
    81. }
    82. // 打印最优解
    83. void printBestSolution(const std::vector<Bin>& population) {
    84.     double bestFitness = 0.0;
    85.     const Bin* bestBin = nullptr;
    86.     for (const auto& bin : population) {
    87.         double fitness = calculateFitness(bin);
    88.         if (fitness > bestFitness) {
    89.             bestFitness = fitness;
    90.             bestBin = &bin;
    91.         }
    92.     }
    93.     std::cout << "Best solution: ";
    94.     if (bestBin != nullptr) {
    95.         for (const auto& item : bestBin->items) {
    96.             std::cout << item.id << " ";
    97.         }
    98.     }
    99.     std::cout << std::endl;
    100. }
    101. int main() {
    102.     // 初始化物品
    103.     std::vector<Item> items = {
    104.         {1, 10},
    105.         {2, 20},
    106.         {3, 30},
    107.         // ...
    108.     };
    109.     // 初始化种群
    110.     std::vector<Bin> population = initializePopulation(100, items);
    111.     // 迭代
    112.     for (int generation = 0; generation < MAX采用GENERATIONS; ++generation) {
    113.         // 选择
    114.         std::vector<Bin> selectedPopulation = selection(population);
    115.         // 交叉
    116.         std::vector<Bin> offspringPopulation = crossover(selectedPopulation);
    117.         // 变异
    118.         mutation(offspringPopulation);
    119.         // 更新种群
    120.         population = offspringPopulation;
    121.         // 输出最优解
    122.         printBestSolution(population);
    123.     }
    124.     return 0;
    125. }
    126. 这段代码实现了一个简单的套料遗传算法,其中包括初始化种群、选择、交叉、变异等操作,并输出每一代的最优解。你可以根据实际需求进行修改和扩展。
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     楼主| 发表于 2024-3-6 16:11:30 | 显示全部楼层
    1. #include <iostream>
    2. #include <vector>
    3. #include <algorithm>
    4. #include <random>
    5. // 定义材料的结构体
    6. struct Material {
    7.     int length;
    8.     int demand;
    9. };
    10. // 定义染色体的结构体
    11. struct Chromosome {
    12.     std::vector<int> genes;
    13.     int fitness;
    14. };
    15. // 初始化种群
    16. std::vector<Chromosome> initializePopulation(int populationSize, int geneSize) {
    17.     std::vector<Chromosome> population;
    18.     for (int i = 0; i < populationSize; i++) {
    19.         Chromosome chromosome;
    20.         chromosome.genes.resize(geneSize);
    21.         for (int j = 0; j < geneSize; j++) {
    22.             chromosome.genes[j] = rand() % 2; // 随机生成0或1
    23.         }
    24.         chromosome.fitness = 0;
    25.         population.push采用back(chromosome);
    26.     }
    27.     return population;
    28. }
    29. // 计算染色体的适应度
    30. void calculateFitness(Chromosome& chromosome, const std::vector<Material>& materials, int targetLength) {
    31.     int totalLength = 0;
    32.     int totalDemand = 0;
    33.     for (int i = 0; i < chromosome.genes.size(); i++) {
    34.         if (chromosome.genes[i] == 1) {
    35.             totalLength += materials[i].length;
    36.             totalDemand += materials[i].demand;
    37.         }
    38.     }
    39.     chromosome.fitness = (totalLength >= targetLength) ? totalDemand : 0;
    40. }
    41. // 选择操作
    42. std::vector<Chromosome> selection(const std::vector<Chromosome>& population, int tournamentSize) {
    43.     std::vector<Chromosome> selectedPopulation;
    44.     for (int i = 0; i < population.size(); i++) {
    45.         std::vector<int> tournamentIndices;
    46.         for (int j = 0; j < tournamentSize; j++) {
    47.             int index = rand() % population.size();
    48.             tournamentIndices.push采用back(index);
    49.         }
    50.         int maxFitness = -1;
    51.         int maxIndex = -1;
    52.         for (int j = 0; j < tournamentIndices.size(); j++) {
    53.             int index = tournamentIndices[j];
    54.             if (population[index].fitness > maxFitness) {
    55.                 maxFitness = population[index].fitness;
    56.                 maxIndex = index;
    57.             }
    58.         }
    59.         selectedPopulation.push采用back(population[maxIndex]);
    60.     }
    61.     return selectedPopulation;
    62. }
    63. // 交叉操作
    64. std::vector<Chromosome> crossover(const std::vector<Chromosome>& population, double crossoverRate) {
    65.     std::vector<Chromosome> offspringPopulation;
    66.     for (int i = 0; i < population.size(); i += 2) {
    67.         Chromosome parent1 = population[i];
    68.         Chromosome parent2 = population[i + 1];
    69.         Chromosome offspring1 = parent1;
    70.         Chromosome offspring2 = parent2;
    71.         if (rand() / double(RAND采用MAX) < crossoverRate) {
    72.             int crossoverPoint = rand() % parent1.genes.size();
    73.             for (int j = crossoverPoint; j < parent1.genes.size(); j++) {
    74.                 offspring1.genes[j] = parent2.genes[j];
    75.                 offspring2.genes[j] = parent1.genes[j];
    76.             }
    77.         }
    78.         offspringPopulation.push采用back(offspring1);
    79.         offspringPopulation.push采用back(offspring2);
    80.     }
    81.     return offspringPopulation;
    82. }
    83. // 变异操作
    84. void mutation(std::vector<Chromosome>& population, double mutationRate) {
    85.     for (int i = 0; i < population.size(); i++) {
    86.         for (int j = 0; j < population[i].genes.size(); j++) {
    87.             if (rand() / double(RAND采用MAX) < mutationRate) {
    88.                 population[i].genes[j] = 1 - population[i].genes[j]; // 变异
    89.             }
    90.         }
    91.     }
    92. }
    93. // 打印最优解
    94. void printBestSolution(const std::vector<Chromosome>& population, const std::vector<Material>& materials, int targetLength) {
    95.     int maxFitness = -1;
    96.     int maxIndex = -1;
    97.     for (int i = 0; i < population.size(); i++) {
    98.         if (population[i].fitness > maxFitness) {
    99.             maxFitness = population[i].fitness;
    100.             maxIndex = i;
    101.         }
    102.     }
    103.     std::cout << "Best solution: ";
    104.     for (int i = 0; i < population[maxIndex].genes.size(); i++) {
    105.         if (population[maxIndex].genes[i] == 1) {
    106.             std::cout << "Material " << i + 1 << " (Length: " << materials[i].length << ", Demand: " << materials[i].demand << ") ";
    107.         }
    108.     }
    109.     std::cout << std::endl;
    110.     std::cout << "Total Length: " << maxFitness << std::endl;
    111.     std::cout << "Target Length: " << targetLength << std::endl;
    112. }
    113. int main() {
    114.     // 定义材料和目标长度
    115.     std::vector<Material> materials = { {10, 5}, {15, 8}, {20, 10}, {25, 12} };
    116.     int targetLength = 50;
    117.     // 定义遗传算法的参数
    118.     int populationSize = 100;
    119.     int geneSize = materials.size();
    120.     int tournamentSize = 5;
    121.     double crossoverRate = 0.8;
    122.     double mutationRate = 0.01;
    123.     int maxGenerations = 100;
    124.     // 初始化种群
    125.     std::vector<Chromosome> population = initializePopulation(populationSize, geneSize);
    126.     // 迭代进化
    127.     for (int generation = 0; generation < maxGenerations; generation++) {
    128.         // 计算适应度
    129.         for (int i = 0; i < population.size(); i++) {
    130.             calculateFitness(population[i], materials, targetLength);
    131.         }
    132.         // 打印当前最优解
    133.         printBestSolution(population, materials, targetLength);
    134.         // 选择操作
    135.         std::vector<Chromosome> selectedPopulation = selection(population, tournamentSize);
    136.         // 交叉操作
    137.         std::vector<Chromosome> offspringPopulation = crossover(selectedPopulation, crossoverRate);
    138.         // 变异操作
    139.         mutation(offspringPopulation, mutationRate);
    140.         // 更新种群
    141.         population = offspringPopulation;
    142.     }
    143.     return 0;
    144. }
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