基于黏菌觅食行为的迷宫问题仿生求解方法技术

基于黏菌觅食行为的迷宫问题仿生求解方法，利用黏菌觅食时的扩张与收缩行为对迷宫问题进行启发式求解。具体算法包括以下步骤：步骤1，迷宫地图和人工黏菌的初始化；步骤2，人工黏菌对迷宫地图进行路径搜索；步骤3，人工黏菌优化迷宫路径；步骤4，输出人工黏菌求解迷宫问题的解答。本发明专利技术假设迷宫的入口和出口分别为黏菌的两个食物源，将单只黏菌的初始位置假设放在迷宫入口即迷宫地图的起始点，迷宫地图内单只黏菌不断变形、并行扩张寻找食物的过程中形成迷宫路径网络，并得到迷宫问题的可行解。所述方法不仅适用于二维迷宫问题求解，也适合于三维迷宫问题求解，求解过程有效、准确，也可用于类似的网络拓扑问题求解。用于类似的网络拓扑问题求解。用于类似的网络拓扑问题求解。

【技术实现步骤摘要】
基于黏菌觅食行为的迷宫问题仿生求解方法


[0001]本专利技术涉及计算机仿生学领域，具体说是一种基于黏菌觅食行为的迷宫问题仿生求解方法。

技术介绍

[0002]迷宫问题是一个一直困惑人类的难题，到目前为止尚未有好的解法。在2000年，英国和日本团队根据黏菌原生质体收缩的特性，做了一个实验。黏菌在迷宫生长所形成的从入口到出口的迷宫路径与迷宫的最短路径完全契合。日本北海道大学的Tero经研究发现，黏菌能够建立高效的运输网络，这一特性极大地促进人们改进技术系统。在2009年，Adamatazky等人立足于黏菌的角度，探讨了十几个城市之间的最优路径分布。2010年，Tero在北海道大学研究发现黏菌可以建立类似于工程算法的高效网络，从而改进城际的铁路网、通信网络等基础设施网络。
[0003]对于黏菌仿生问题，以上研究只是通过实验使用真实黏菌解决实际问题，而未研究探讨是何种因素是黏菌能够实现以上功能，以及科学的探讨黏菌的生理及生存特性，实验精度也不足够。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于黏菌觅食行为的迷宫问题仿生求解方法，假设迷宫的入口和出口分别为黏菌的两个食物源，将单只黏菌的初始位置假设放在迷宫入口即迷宫地图的起始点，迷宫地图内单只黏菌不断变形、并行扩张寻找食物的过程中形成迷宫路径网络，并得到迷宫问题的可行解。该方法不仅适用于二维迷宫问题求解，也适合于三维迷宫问题求解，求解过程有效、准确，也可用于类似的网络拓扑问题求解。
[0005]本专利技术采取的技术方案为：
[0006]基于黏菌觅食行为的迷宫问题仿生求解方法，利用黏菌觅食时的扩张与收缩行为对迷宫问题进行启发式求解，通过迷宫地图内单只黏菌不断变形、并行扩张寻找食物的行为形成迷宫路径网络，得到迷宫问题的可行解；假设迷宫的入口和出口分别为黏菌的两个食物源，将单只黏菌的初始位置假设放在迷宫入口即迷宫地图的起始点，将迷宫问题求解过程模拟为黏菌从入口的食物源找到出口的另一个食物源的过程，将迷宫路径模拟为黏菌觅食网络；将迷宫路径的可达性值模拟为觅食网络的营养成份，即迷宫路径的可达性值越大，营养成份就越多，反之，迷宫路径的可达性值越小，营养成份就越少；将迷宫路径网络中入口和出口之间的所有可达性节点连接模拟为黏变形体，将黏变形体的四处扩张行为模拟为对迷宫路径的搜索过程，将黏变形体的收缩行为模拟为对迷宫路径可行解的收敛过程。
[0007]基于黏菌觅食行为的迷宫问题仿生求解方法，利用黏菌觅食时的扩张与收缩行为对迷宫问题进行启发式求解。具体算法包括以下步骤：
[0008]步骤1，迷宫地图和人工黏菌的初始化；
[0009]步骤2，人工黏菌对迷宫地图进行路径搜索；
[0010]步骤3，人工黏菌优化迷宫路径；
[0011]步骤4，输出人工黏菌求解迷宫问题的解答。
[0012]具体包括以下步骤：
[0013]步骤1、迷宫地图和人工黏菌的初始化：
[0014]获取迷宫地图，将迷宫地图中的像素分为可行走的通路和不可行走的障碍两大类，并将迷宫地图转换为节点网络图，每一个像素转换为一个网络节点；进一步地，迷宫包括一个入口和一个出口，也可根据需要设置多个入口或多个出口，或者入口和出口共用同一个；进一步地，将迷宫地图的节点分为两大类，一类是构成通路的节点，另一类是构成障碍的节点；进一步地，计算迷宫地图中各节点的可达性值，构建迷宫地图网络中所有节点的可达性值矩阵；如果相邻的两个节点是迷宫中构成通路的相邻节点，则该两个节点之间是可达的；如果相邻的两个节点有一个或一个以上节点是迷宫通路中的障碍节点，则该两个节点是之间不可达的；对于二维地图，每个节点具有前、后、左、右共四个邻居节点，每个邻居具有可达或不可达两种情况；对于三维地图，每个节点具有上、下、前、后、左、右共六个邻居节点，比二维地图多了一个上层邻居和一个下层邻居，每个邻居具有可达或不可达两种情况；对人工黏菌初始化，将人工黏菌的细胞核固定在迷宫地图的入口节点作为起始节点，使用一个随机数初始化人工黏菌的黏变形体数量；设置黏变形体内迷宫节点集合为空集，所有黏变形体的迷宫节点集合组成的迷宫路径网络为空集，即初始化时黏变形体未发现迷宫地图节点或迷宫路径；清除黏变形体内营养成份值，黏变形体内暂无营养成份运输；初始化完成，进入步骤2；
[0015]步骤2、人工黏菌对迷宫地图进行路径搜索：
[0016]人工黏菌的黏变形体从迷宫地图的入口节点开始，在迷宫地图上四处扩张，搜索可达的迷宫节点，并将搜索到的可达迷宫节点添加进黏变形体的迷宫节点集合中，更新所有黏变形体的迷宫节点集合，更新所有黏变形体的迷宫节点集合组成的迷宫路径网络；黏变形体能够连接不同的迷宫节点进行营养成份运输；在没有找到迷宫出口的食物源之前，只有迷宫入口的食物源给黏菌提供营养成份；更长的迷宫路径上营养成份会更少，更短的迷宫路径上营养成份也越多，更新黏变形体内的营养成份值；黏变形体持续扩张，直到找到迷宫地图的出口节点作为终止节点，人工黏菌扩张过程结束，迷宫路径搜索完成，进入步骤3；
[0017]步骤3、人工黏菌优化迷宫路径：
[0018]在此步骤，人工黏菌开始持续收缩，即未连接出口的黏变形体因为营养成份的消耗开始减少，连接迷宫入口食物源和迷宫出口食物源的黏变形体因为营养成份充足而持续增加营养成份；更新黏变形体内的营养成份值；删除不在迷宫入口和迷宫出口路径上的迷宫节点，从迷宫死路尽头即不可达的迷宫节点开始删除，即将删除的迷宫节点从黏变形体的迷宫节点集合中删除，更新所有黏变形体的迷宫节点集合，更新所有黏变形体的迷宫节点集合组成的迷宫路径网络；黏变形体持续收缩，不连接迷宫入口和迷宫出口的黏变形体，其迷宫节点集合中的迷宫节点逐渐减少；直到黏变形体迷宫节点集合中所有节点全部都在连接迷宫入口和迷宫出口的路径上，无其他无效的分叉支路，人工黏菌收缩过程结束，迷宫路径优化完成，所生成的仅连接迷宫入口和迷宫出口的迷宫路径即为迷宫问题的可行解，进入步骤4；
[0019]步骤4、输出人工黏菌求解迷宫问题的解答：
[0020]输出最终的黏变形体的迷宫问题可行解，输出迷宫路径的长度和节点数；输出人工黏菌的相关计算参数，包括黏变形体的营养成份值，黏变形体的迷宫节点集合，迷宫路径上的迷宫节点序列编号。
[0021]所述步骤1，迷宫地图和人工黏菌的初始化，包括三个子步骤：
[0022]子步骤1
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1：获取迷宫地图；将迷宫地图转换为节点网络图，对于二维地图，可以使用二维矩阵描述地图中的所有节点，一个矩阵元素对应一个节点，整个节点矩阵组成二维地图节点网络；对于三维地图，可以使用多个二维矩阵描述地图中的所有节点，二维矩阵的个数对应三维地图的层数，一个二维矩阵对应三维地图的一层，一个矩阵元素对应一层地图中的一个节点，所有节点矩阵组成三维地图节点网络；
[0023]子步骤1
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2：计算迷宫地图中各节点的可达性值；为所有节点建立可达性矩阵，对于二维地图，每个节点的可达性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于黏菌觅食行为的迷宫问题仿生求解方法，其特征在于：利用黏菌觅食时的扩张与收缩行为对迷宫问题进行启发式求解，通过迷宫地图内单只黏菌不断变形、并行扩张寻找食物的行为形成迷宫路径网络，得到迷宫问题的可行解；假设迷宫的入口和出口分别为黏菌的两个食物源，将单只黏菌的初始位置假设放在迷宫入口即迷宫地图的起始点，将迷宫问题求解过程模拟为黏菌从入口的食物源找到出口的另一个食物源的过程，将迷宫路径模拟为黏菌觅食网络；将迷宫路径的可达性值模拟为觅食网络的营养成份，即迷宫路径的可达性值越大，营养成份就越多，反之，迷宫路径的可达性值越小，营养成份就越少；将迷宫路径网络中入口和出口之间的所有可达性节点连接模拟为黏变形体，将黏变形体的四处扩张行为模拟为对迷宫路径的搜索过程，将黏变形体的收缩行为模拟为对迷宫路径可行解的收敛过程。2.基于黏菌觅食行为的迷宫问题仿生求解方法，其特征在于：利用黏菌觅食时的扩张与收缩行为对迷宫问题进行启发式求解，具体算法包括以下步骤：步骤1，迷宫地图和人工黏菌的初始化；步骤2，人工黏菌对迷宫地图进行路径搜索；步骤3，人工黏菌优化迷宫路径；步骤4，输出人工黏菌求解迷宫问题的解答。3.根据权利要求2所述基于黏菌觅食行为的迷宫问题仿生求解方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、迷宫地图和人工黏菌的初始化：获取迷宫地图，将迷宫地图中的像素分为可行走的通路和不可行走的障碍两大类，并将迷宫地图转换为节点网络图，每一个像素转换为一个网络节点；迷宫包括一个入口和一个出口，也可根据需要设置多个入口或多个出口，或者入口和出口共用同一个；将迷宫地图的节点分为两大类，一类是构成通路的节点，另一类是构成障碍的节点；计算迷宫地图中各节点的可达性值，构建迷宫地图网络中所有节点的可达性值矩阵；如果相邻的两个节点是迷宫中构成通路的相邻节点，则该两个节点之间是可达的；如果相邻的两个节点有一个或一个以上节点是迷宫通路中的障碍节点，则该两个节点是之间不可达的；对于二维地图，每个节点具有前、后、左、右共四个邻居节点，每个邻居具有可达或不可达两种情况；对于三维地图，每个节点具有上、下、前、后、左、右共六个邻居节点，比二维地图多了一个上层邻居和一个下层邻居，每个邻居具有可达或不可达两种情况；对人工黏菌初始化，将人工黏菌的细胞核固定在迷宫地图的入口节点作为起始节点，使用一个随机数初始化人工黏菌的黏变形体数量；设置黏变形体内迷宫节点集合为空集，所有黏变形体的迷宫节点集合组成的迷宫路径网络为空集，即初始化时黏变形体未发现迷宫地图节点或迷宫路径；清除黏变形体内营养成份值，黏变形体内暂无营养成份运输；初始化完成，进入步骤2；步骤2、人工黏菌对迷宫地图进行路径搜索：人工黏菌的黏变形体从迷宫地图的入口节点开始，在迷宫地图上四处扩张，搜索可达的迷宫节点，并将搜索到的可达迷宫节点添加进黏变形体的迷宫节点集合中，更新所有黏变形体的迷宫节点集合，更新所有黏变形体的迷宫节点集合组成的迷宫路径网络；黏变形体能够连接不同的迷宫节点进行营养成份运输；在没有找到迷宫出口的食物源之前，只有迷宫入口的食物源给黏菌提供营养成份；更长的迷宫路径上营养成份会更少，更短的迷宫
路径上营养成份也越多，更新黏变形体内的营养成份值；黏变形体持续扩张，直到找到迷宫地图的出口节点作为终止节点，人工黏菌扩张过程结束，迷宫路径搜索完成，进入步骤3；步骤3、人工黏菌优化迷宫路径：在此步骤，人工黏菌开始持续收缩，即未连接出口的黏变形体因为营养成份的消耗开始减少，连接迷宫入口食物源和迷宫出口食物源的黏变形体因为营养成份充足而持续增加营养成份；更新黏变形体内的营养成份值；删除不在迷宫入口和迷宫出口路径上的迷宫节点，从迷宫死路尽头即不可达的迷宫节点开始删除，即将删除的迷宫节点从黏变形体的迷宫节点集合中删除，更新所有黏变形体的迷宫节点集合，更新所有黏变形体的迷宫节点集合组成的迷宫路径网络；黏变形体持续收缩，不连接迷宫入口和迷宫出口的黏变形体，其迷宫节点集合中的迷宫节点逐渐减少；直到黏变形体迷宫节点集合中所有节点全部都在连接迷宫入口和迷宫出口的路径上，无其他无效的分叉支路，人工黏菌收缩过程结束，迷宫路径优化完成，所生成的仅连接迷宫入口和迷宫出口的迷宫路径即为迷宫问题的可行解，进入步骤4；步骤4、输出人工黏菌求解迷宫问题的解答：输出最终的黏变形体的迷宫问题可行解，输出迷宫路径的长度和节点数；输出人工黏菌的相关计算参数，包括黏变形体的营养成份值，黏变形体的迷宫节点集合，迷宫路径上的迷宫节点序列编号。4.根据权利要求3所述基于黏菌觅食行为的迷宫问题仿生求解方法，其特征在于：所述步骤1，迷宫地图和人工黏菌的初始化，包括三个子步骤：子步骤1
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1：获取迷宫地图；将迷宫地图转换为节点网络图，对于二维地图，可以使用二维矩阵描述地图中的所有节点，一个矩阵元素对应一个节点，整个节点矩阵组成二维地图节点网络；对于三维地图，可以使用多个二维矩阵描述地图中的所有节点，二维矩阵的个数对应三维地图的层数，一个二维矩阵对应三维地图的一层，一个矩阵元素对应一层地图中的一个节点，所有节点矩阵组成三维地图节点网络；子步骤1
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2：计算迷宫地图中各节点的可达性值；为所有节点建立可达性矩阵，对于二维地图，每个节点的可达性矩阵元素分别有四个矩阵元素，分别存储二维地图中该节点的前、后、左、右共四个邻居节点的可达性，矩阵元素的值为该节点到其邻...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡政英，张永杰，黎佳丽，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：