中小企業手作りIT化奮戦記（Vol.91掲載）

著者：佐藤 楓真

今回は、「焼きなまし法」と呼ばれる手法で、すべての都市を1回訪問して出発地点に帰るまでの最短経路を求める「巡回セールスマン問題」を近似的に解いてみます。焼きなまし法のベースとなる「山登り法」についても解説します。使用するプログラミング言語は、C++です。

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図3　図1の巡回セールスマン問題を山登り法で解くC++プログラムの例

#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
#define TL 3  //制限時間
#define N 4

int d[N][N] = {{0, 2, 10, 5},
               {2, 0, 5, 3},
               {10, 5, 0, 4},
               {5, 3, 4, 0}};
int ans[N+1] = {0, 1, 3, 2, 0};
int rand_num(void) {
  return rand() % N + 1;
}
int calc_dist(void) {
  int sum = 0;
  for (int i = 0; i < N; i++) {
      sum += d[ans[i]][ans[i+1]];
  }
  return sum;
}
int main(void) {
  srand((unsigned)time(NULL));
  int st_time = clock();
  while ((clock() - st_time) / CLOCKS_PER_SEC < TL) {
    int L = rand_num(), R = rand_num();
    if (L > R) swap(L, R);
    int bf_dist = calc_dist();
    reverse(ans + L, ans + R);
    int af_dist = calc_dist();
    if (bf_dist < af_dist) reverse(ans + L, ans + R);
  }
  for (int i = 0; i < N+1; i++) {
    cout << ans[i] + 1 << " ";
  }
  cout << endl << calc_dist() << endl;
  return 0;
}

図4　都市数「5000」のテスト用データを作成するC++プログラム

#include <iostream>
#include <vector>
#include <fstream>
#include <string>
using namespace std;
#define N 5000

int main(void) {
  srand((unsigned)time(NULL));
  for (int num = 1; num <= 100; num++) {
    vector<vector<int>> d(N, vector<int>(N));
    for (int i = 0; i < N; i++) {
      for (int j = i; j < N; j++) {
        if (i == j) {
          d[i][j] = 0;
        } else {
          d[i][j] = rand() % 5000 + 1;
        }
      }
    }
    for (int i = 0; i < N; i++) {
      for (int j = 0; j < i; j++) {
        d[i][j] = d[j][i];
      }
    }
    string name = "case" + to_string(num) + ".txt";
    ofstream out(name);
    out << N << endl;
    for (int i = 0; i < N; i++) {
      for (int j = 0; j < N; j++) {
        out << d[i][j] << " ";
      }
        out << endl;
    }
  }
  return 0;
}

図5　テスト用データに基づく巡回セールスマン問題を山登り法で解くC++プログラムの例

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>
#include <string>
#include <fstream>
using namespace std;
#define TL 3  //制限時間

int calc_dist(vector<vector<int>>& dist, vector<int>& ans, int N) {
  int sum = 0;
  for (int i = 0; i < N; i++) {
    sum += dist[ans[i]][ans[i+1]];
  }
  return sum;
}
int rand_num(int N){
  return rand() % N + 1;
}
int main(void) {
  long long ave = 0;
  for (int num = 1; num <= 100; num++) {
    srand((unsigned)time(NULL));
    string name = "case" + to_string(num) + ".txt";
    ifstream infile(name);
    int N;
    infile >> N;
    vector<vector<int>> d(N, vector<int>(N));
    for (int i = 0; i < N; i++) {
      for (int j = 0; j < N; j++) {
        infile >> d[i][j];
      }
    }
    vector<int> ans(N + 1);
    for (int i = 0; i < N; i++) ans[i] = i;
    ans[N] = 0;
    int st_time = clock();
    while ((clock() - st_time) / CLOCKS_PER_SEC < TL) {
      int bf_dist = calc_dist(d, ans, N);
      int L = rand_num(N), R = rand_num(N);
      if (L > R) swap(L, R);
      reverse(ans.begin() + L, ans.begin() + R);
      int af_dist = calc_dist(d, ans, N);
      if (af_dist > bf_dist) reverse(ans.begin() + L, ans.begin() + R);
    }
    ave += calc_dist(d, ans, N);
  }
  cout << ave / 100.0 << endl;
  return 0;
}

図7　テスト用データに基づく巡回セールスマン問題を焼きなまし法で解くC++プログラムの例

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>
#include <string>
#include <fstream>
#include <cmath>
using namespace std;
#define MAX_TMP 100.0  //初期温度
#define TL 3  //制限時間

int calc_dist(vector<vector<int>>& dist, vector<int>& ans, int N) {
  int sum = 0;
  for (int i = 0; i < N; i++) {
    sum += dist[ans[i]][ans[i+1]];
  }
  return sum;
}
int rand_num(int N) {
  return rand() % N + 1;
}
double rand_p(void) {
  return (double)rand() / RAND_MAX;
}
int main(void) {
  srand((unsigned)time(NULL));
  long long ave = 0;
  for (int num = 1; num <= 100; num++) {
    string name = "case" + to_string(num) + ".txt";
    ifstream infile(name);
    int N;
    infile >> N;
    vector<vector<int>> d(N, vector<int>(N));
    for (int i = 0; i < N; i++) {
      for (int j = 0; j < N; j++) {
        infile >> d[i][j];
      }
    }
    vector<int> ans(N + 1);
    for (int i = 0; i < N; i++) ans[i] = i;
    ans[N] = 0;
    int st_time = clock();  //焼きなまし開始時間
    while ((clock() - st_time) / CLOCKS_PER_SEC < TL ) {
      int bf_dist = calc_dist(d, ans, N);
      int L = rand_num(N), R = rand_num(N);
      if (L > R) swap(L, R);
      reverse(ans.begin() + L, ans.begin() + R);
      int af_dist = calc_dist(d, ans, N);
      double t = (double)(clock() - st_time) / CLOCKS_PER_SEC;  //経過時間
      double tmp = MAX_TMP - MAX_TMP * (t / TL);  //現在の温度
      double p = exp((bf_dist - af_dist) / tmp);  //採用確率
      if (rand_p() > p) reverse(ans.begin() + L, ans.begin() + R);
    }
    ave += calc_dist(d, ans, N);
  }
  cout << ave / 100.0 <<endl;
  return 0;
}