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蟻群演算法解決任務調度問題-Python

2021-04-01 19:13:03 其他

  蟻群演算法是一種啟發式優化演算法,也是一種智能演算法、進化計算,和遺傳演算法、粒子群演算法相比,蟻群演算法所優化的內容是拓撲序(或者路徑)的資訊素濃度,而遺傳演算法、粒子群演算法優化的是某一個個體(解向量),

  例如TSP問題,30個城市之間有900個對應關系,30*15/2=435條路徑,在螞蟻經過之后,都留下了資訊素,而某一個拓撲序指的是一個解向量,旅行商的回路應是首尾相連的30條路徑,螞蟻在走路的時候會考慮到能走的路徑上的資訊素濃度,然后選擇一個拓撲序作為新解,例如任務車間調度問題,假如有8個機器和10個任務,則一共有80個對應關系,每個對應關系看作一個路徑,會有資訊素的標記,而解向量是一個長度為10的向量,螞蟻在走路的時候,會選擇每一個任務到所有機器的對應關系,考慮資訊素的濃度選擇其中一個,由此選擇10個任務各自放在哪一個機器上,作為新解,

  蟻群演算法天生適合解決路徑問題、指派問題,效果通常比粒子群等要好,相比于模擬退火演算法,計算更穩定,相比于粒子群演算法收斂性更好,

 

對于任務調度問題,需要定義模型物件:

  節點和云任務,節點VM具有節點編號id、兩種資源總量和兩種資源的已占有量,因此其剩余空間是總量capacity減去已占有量supply,

class Cloudlet:
    def __init__(self, cpu_demand: float, mem_demand: float):
        self.cpu_demand = cpu_demand
        self.mem_demand = mem_demand


class VM:
    def __init__(self, vm_id: int, cpu_supply: float, cpu_velocity: float, mem_supply: float, mem_capacity: float):
        self.id = vm_id
        self.cpu_supply = cpu_supply
        self.cpu_velocity = cpu_velocity
        self.mem_supply = mem_supply
        self.mem_capacity = mem_capacity

 

然后定義蟻群演算法解決任務調度問題的類,

  初始化屬性有云任務串列,節點串列,螞蟻種群數量,迭代次數,以及人物的路徑數和最優策略記錄,

  函式有生成新解的函式gen_topo_jobs(),評估解的負載均衡值和計算適應度evaluate_particle、calculate_fitness,更新資訊素update_topo以及蟻群演算法主流程schedulet_main,后面逐一講解

import numpy as np
from typing import List
from matplotlib import pyplot as plt


class ACScheduler:
    def __init__(self, cloudlets, vms, population_number=100, times=500):
        self.cloudlets = cloudlets
        self.vms = vms
        self.cloudlet_num = len(cloudlets)  # 任務數量也就是粒子長度
        self.machine_number = len(vms)  # 機器數量

        self.population_number = population_number  # 種群數量
        self.times = times  # 迭代代數

        # 表示任務選擇的機器的資訊素
        self.topo_phs = [[100 for _ in range(self.machine_number)] for _ in range(self.cloudlet_num)]
        # 最優策略
        self.best_topo = None

    # 生成新的解向量--根據資訊素濃度生成
    def gen_topo_jobs(self):
        pass

    # 與演算法無關的函式--評估當前解向量
    def evaluate_particle(self, topo_jobs: List[int]) -> int:
        pass

    # 與演算法無關的函式--計算適應度
    def calculate_fitness(self, topo_jobs: List[int]) -> float:
        pass

    # 更新資訊素
    def update_topo(self):
        pass

    def scheduler_main(self):
        pass


if __name__ == '__main__':
    nodes = [VM(0, 0.862, 950, 950, 1719), VM(1, 0.962, 2, 950, 1719), VM(2, 1.062, 2, 1500, 1719)]
    lets = [Cloudlet(0.15, 50), Cloudlet(0.05, 100), Cloudlet(0.2, 60),
            Cloudlet(0.01, 70), Cloudlet(0.04, 80), Cloudlet(0.07, 20),
            Cloudlet(0.14, 150), Cloudlet(0.15, 200), Cloudlet(0.03, 40), Cloudlet(0.06, 90)]
    ac = ACScheduler(lets, nodes, times=150)
    res = ac.scheduler_main()
    i = 0
    for _ in ac.best_topo:
        print("任務:", i, " 放置到機器", ac.best_topo[i], "上執行")
        i += 1

 1. 生成新的解向量gen_topo_jobs(self)

  初始化解向量為-1,然后逐個根據資訊素的濃度選擇任務的對應的機器,以此生成新的解向量回傳

    # 生成新的解向量--根據資訊素濃度生成
    def gen_topo_jobs(self):
        ans = [-1 for _ in range(self.cloudlet_num)]
        node_free = [node_id for node_id in range(self.machine_number)]
        for let in range(self.cloudlet_num):
            ph_sum = np.sum(list(map(lambda j: self.topo_phs[let][j], node_free)))
            test_val = 0
            rand_ph = np.random.uniform(0, ph_sum)
            for node_id in node_free:
                test_val += self.topo_phs[let][node_id]
                if rand_ph <= test_val:
                    ans[let] = node_id
                    break
        return ans

2. 評估解向量然后計算適應度

  把解向量的策略利用到集群中,然后計算每個節點每個資源的利用率,然后對所有節點取標準差,各個資源的利用率標準差加和作為負載均衡度,越小越均衡,

  由于適應度定義為越大越好,因此評估結果取倒數作為適應度,

    # 與演算法無關的函式--評估當前解向量
    def evaluate_particle(self, topo_jobs: List[int]) -> int:
        cpu_util = np.zeros(self.machine_number)
        mem_util = np.zeros(self.machine_number)
        for i in range(len(self.vms)):
            cpu_util[i] = self.vms[i].cpu_supply
            mem_util[i] = self.vms[i].mem_supply

        for i in range(self.cloudlet_num):
            cpu_util[topo_jobs[i]] += self.cloudlets[i].cpu_demand
            mem_util[topo_jobs[i]] += self.cloudlets[i].mem_demand

        for i in range(self.machine_number):
            if cpu_util[i] > self.vms[i].cpu_velocity:
                return 100
            if mem_util[i] > self.vms[i].mem_capacity:
                return 100

        for i in range(self.machine_number):
            cpu_util[i] /= self.vms[i].cpu_velocity
            mem_util[i] /= self.vms[i].mem_capacity

        return np.std(cpu_util, ddof=1) + np.std(mem_util, ddof=1)

    # 與演算法無關的函式--計算適應度
    def calculate_fitness(self, topo_jobs: List[int]) -> float:
        return 1 / self.evaluate_particle(topo_jobs)

3.  更新資訊素:有螞蟻經過的路徑資訊素加倍,否則揮發減半

     # 更新資訊素
     def update_topo(self):
        for i in range(self.cloudlet_num):
            for j in range(self.machine_number):
                if j == self.best_topo[i]:
                    self.topo_phs[i][j] *= 2
                else:
                    self.topo_phs[i][j] *= 0.5

 

4. 主流程:迭代求解

    def scheduler_main(self):
        results = [0 for _ in range(self.times)]
        fitness = 0

        for it in range(self.times):
            best_time = 0

            for ant_id in range(self.population_number):
                topo_jobs = self.gen_topo_jobs()
                fitness = self.calculate_fitness(topo_jobs)
                if fitness > best_time:
                    self.best_topo = topo_jobs
                    best_time = fitness
            assert self.best_topo is not None
            self.update_topo()
            results[it] = best_time
            if it % 10 == 0:
                print("ACO iter: ", it, " / ", self.times, ", 適應度: ", fitness)
        plt.plot(range(self.times), results)
        plt.xlabel("迭代次數")
        plt.ylabel("適應度")
        plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['KaiTi']  # 指定默認字體
        plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解決保存影像是負號'-'顯示為方塊的問題
        plt.title("蟻群演算法求解云任務調度負載均衡問題")
        # plt.savefig('img/ACScheduler-1.1_0.9-popu100-iter200.png', dpi=300,
        #             format='png')  # bbox_inches="tight"解決X軸時間兩個字不被保存的問題
        plt.show()
        return results

 

測驗資料:

if __name__ == '__main__':
    # 第四組資料data9

    nodes = [
        VM(0, 0.662, 2, 620, 2223),
        VM(1, 0.662, 2, 1100, 2223),
        VM(2, 1.662, 2, 720, 2223),
        VM(3, 0.662, 2, 1100, 2223),
        VM(4, 0.662, 2, 620, 2223),
        VM(5, 0.562, 2, 650, 2223),
        VM(6, 0.562, 2, 620, 2223),
        VM(7, 0.462, 2, 440, 2223),  # 8
    ]
    lets = [
        Cloudlet(0.133364, 272.435810),
        Cloudlet(0.226357, 141.126392),
        Cloudlet(0.084122, 7.183883),
        Cloudlet(0.029290, 96.658838),
        Cloudlet(0.027560, 247.821058),
        Cloudlet(0.191912, 80.636804),
        Cloudlet(0.134658, 220.702279),
        Cloudlet(0.133052, 163.046071),
        Cloudlet(0.272010, 253.477271),
        Cloudlet(0.175000, 19.409176),
        Cloudlet(0.166933, 140.880123),
        Cloudlet(0.286495, 71.288800),
        Cloudlet(0.080714, 354.839232),
        Cloudlet(0.209842, 211.351191),
        Cloudlet(0.221753, 249.500490),
        Cloudlet(0.128952, 81.599575),
        Cloudlet(0.168469, 122.216016),
        Cloudlet(0.049628, 135.728968),
        Cloudlet(0.051167, 230.172949),
        Cloudlet(0.158938, 135.356776),
        Cloudlet(0.212047, 202.830773),
        Cloudlet(0.372328, 13.145747),
        Cloudlet(0.092549, 130.122476),
        Cloudlet(0.166031, 97.761267),
        Cloudlet(0.142820, 45.852985),
        Cloudlet(0.016367, 189.495519),
        Cloudlet(0.112156, 173.926518),
        Cloudlet(0.004466, 156.806505),
        Cloudlet(0.222208, 62.619918),
        Cloudlet(0.073526, 232.175486),
        Cloudlet(0.158527, 178.624649),
        Cloudlet(0.103075, 133.896667),
        Cloudlet(0.176026, 156.076929),
        Cloudlet(0.098275, 136.450544),
        Cloudlet(0.192065, 33.923922),
        Cloudlet(0.213519, 134.820860),

    ]

    ac = ACScheduler(lets, nodes, times=150)
    res = ac.scheduler_main()
    i = 0
    for _ in ac.best_topo:
        print("任務:", i, " 放置到機器", ac.best_topo[i], "上執行")
        i += 1

求解結果:

ACO iter: 0 / 150 , 適應度: 0.01
ACO iter: 10 / 150 , 適應度: 4.0408235554621665
ACO iter: 20 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 30 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 40 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 50 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 60 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 70 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 80 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 90 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 100 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 110 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 120 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 130 / 150 , 適應度: 4.754201711827778
ACO iter: 140 / 150 , 適應度: 4.754201711827778

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    清明節一過,盲猜大家已經無心上班,在數著日子準備過五一,但一想到銀行卡里的余額……瞬間心情就不美麗了。最近,2023年高校畢業生就業調查顯示,本科畢業月平均起薪為5825元。調查一出,便有很多同學表示自己又被平均了。看著這一資料,不免讓人想到前不久中國青年報的一項調查:近六成大學生認為畢業10年內會 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:44:00 more
  • 最新版本 Stable Diffusion 開源 AI 繪畫工具之中文自動提詞篇

    🎈 標簽生成器 由于輸入正向提示詞 prompt 和反向提示詞 negative prompt 都是使用英文,所以對學習母語的我們非常不友好 使用網址:https://tinygeeker.github.io/p/ai-prompt-generator 這個網址是為了讓大家在使用 AI 繪畫的時候 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:36 more
  • 漫談前端自動化測驗演進之路及測驗工具分析

    隨著前端技術的不斷發展和應用程式的日益復雜,前端自動化測驗也在不斷演進。隨著 Web 應用程式變得越來越復雜,自動化測驗的需求也越來越高。如今,自動化測驗已經成為 Web 應用程式開發程序中不可或缺的一部分,它們可以幫助開發人員更快地發現和修復錯誤,提高應用程式的性能和可靠性。 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:16 more
  • CANN開發實踐:4個DVPP記憶體問題的典型案例解讀

    摘要:由于DVPP媒體資料處理功能對存放輸入、輸出資料的記憶體有更高的要求(例如,記憶體首地址128位元組對齊),因此需呼叫專用的記憶體申請介面,那么本期就分享幾個關于DVPP記憶體問題的典型案例,并給出原因分析及解決方法。 本文分享自華為云社區《FAQ_DVPP記憶體問題案例》,作者:昇騰CANN。 DVPP ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:03 more
  • msf學習

    msf學習 以kali自帶的msf為例 一、msf核心模塊與功能 msf模塊都放在/usr/share/metasploit-framework/modules目錄下 1、auxiliary 輔助模塊,輔助滲透(埠掃描、登錄密碼爆破、漏洞驗證等) 2、encoders 編碼器模塊,主要包含各種編碼 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:42:59 more
  • Halcon軟體安裝與界面簡介

    1. 下載Halcon17版本到到本地 2. 雙擊安裝包后 3. 步驟如下 1.2 Halcon軟體安裝 界面分為四大塊 1. Halcon的五個助手 1) 影像采集助手:與相機連接,設定相機引數,采集影像 2) 標定助手:九點標定或是其它的標定,生成標定檔案及內參外參,可以將像素單位轉換為長度單位 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:42:17 more
  • 在MacOS下使用Unity3D開發游戲

    第一次發博客,先發一下我的游戲開發環境吧。 去年2月份買了一臺MacBookPro2021 M1pro(以下簡稱mbp),這一年來一直在用mbp開發游戲。我大致分享一下我的開發工具以及使用體驗。 1、Unity 官網鏈接: https://unity.cn/releases 我一般使用的Apple ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:40:19 more