計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中改進(jìn)量子進(jìn)化算法的應(yīng)用

史望聰，耿 健

（1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，陜西 西安　710018；2.陜西高速公路電子收費有限公司 陜西 西安　710018）

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中改進(jìn)量子進(jìn)化算法的應(yīng)用

史望聰1，耿 健2

（1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，陜西 西安710018；2.陜西高速公路電子收費有限公司 陜西 西安710018）

科技的發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步極大的帶動了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)階段我國任何行業(yè)的發(fā)展都離不開對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。但就目前互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃和拓展的實際情況來看，仍然存在著一些亟待解決的問題，其中最為典型的就是如何在滿足互聯(lián)網(wǎng)各節(jié)點通訊需求的前提下，選擇可以提升互聯(lián)網(wǎng)通信效率的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由問題。與傳統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇算法相比，改進(jìn)量子進(jìn)化算法的應(yīng)用能夠有效的互聯(lián)網(wǎng)通信效率。基于此，本文首先闡述了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇的含義，然后對量子進(jìn)化算法進(jìn)行了分析，最后研究了量子進(jìn)化算法的改進(jìn)策略，希望能夠引起讀者的思考。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；路由選擇；改進(jìn)量子進(jìn)化算法；應(yīng)用

眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)已然成為了人們生活中不可或缺的部分，互聯(lián)網(wǎng)為人們的衣食住行帶來了便捷，同時我國現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也離不開互聯(lián)網(wǎng)的支持［1-3］。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的更大規(guī)模的規(guī)劃和拓展，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇存在的問題日益暴露出來。目前我國計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇算法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會發(fā)展的需求和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的正常運行需要，因此對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)是現(xiàn)階段我國計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展亟待解決的問題。下面本文就圍繞量子進(jìn)化算法的改進(jìn)問題進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇的含義

爬山法、梯度法、模擬退算法和列表尋優(yōu)法是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇的傳統(tǒng)方法，這些方法具有一定程度的局限性，并且受限條件也比較多，致使其作用無法得到有效的發(fā)揮［4-5］。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇的主要含義為：在滿足現(xiàn)有的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)通信容量和網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點需求的前提下，對網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的路由進(jìn)行選擇，從而使計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的時延性得到最大程度的縮小。通常情況下，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由的選擇可以運用一些簡化工作：1）假設(shè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點內(nèi)部緩沖器的容量是足夠大的，不可能因為溢出而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失；2）假設(shè)報文長度可以按實際指數(shù)分布，并且按照泊松到達(dá)；3）對節(jié)點處理報文的時延性進(jìn)行忽略；4）所有報文傳輸均屬于同等級服務(wù)。

2　量子進(jìn)化算法的研究

2.1量子進(jìn)化計算法

量子進(jìn)化算法實際上是基于量子計劃和進(jìn)化算法的結(jié)合，該算法是建立在態(tài)矢量的基礎(chǔ)之上的，并且以量子的比特編碼表示染色體，而染色體的更新依靠量子旋轉(zhuǎn)門和非門來實現(xiàn)，從而進(jìn)一步完成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由的最優(yōu)化選擇［6］。

在量子進(jìn)化算法中，量子染色體可以用以下矩陣表示：

式中，αi，βi分別代表量子比特|0＞態(tài)和量子比特|1＞態(tài)的概率幅，并且兩者之間滿足以下條件：

問題的解可以由一個量子染色體進(jìn)行表征，其主要原理是通過量子染色體的隨機(jī)測量結(jié)果和概率方式，并通過二進(jìn)制實現(xiàn)坍塌表現(xiàn)，在實踐過程中我們不難發(fā)現(xiàn)量子染色體對問題解決有著明顯的優(yōu)越性［7］。然后，量子進(jìn)化算法的進(jìn)化是通過利用量子旋轉(zhuǎn)門來實現(xiàn)的，其主要原理是利用搜索法將當(dāng)前的解逼近至最佳解，利用概率增加或減少的形式對結(jié)果進(jìn)行保留或者剔除，進(jìn)而實現(xiàn)量子進(jìn)化算法的進(jìn)化。

當(dāng)量子進(jìn)化算法更新至第t代為P（t）=｛pt1，…，ptN｝，其適應(yīng)值為：f（t）=｛ft1，…，ftN｝量子染色體ptj上基因位的第 i個值用向量（αi，βi）T進(jìn)行表示，并采用量子旋轉(zhuǎn)門對其進(jìn)化，進(jìn)而得到（α′i，β′i）T，具體進(jìn)化方法如下式：

其中，θi代表旋轉(zhuǎn)角，計算公式如下：

式中Δθi，s（αi，βi）的取值見表1，Δθi代表的是量子旋轉(zhuǎn)門的旋轉(zhuǎn)角值，主要作用是控制量子進(jìn)化算法的收斂速度，而s（αi，βi）主要是完成對旋轉(zhuǎn)門旋轉(zhuǎn)角方向的控制，從而為算法向著最優(yōu)解的方向開展搜索提供保障。

表1　函數(shù)查詢表

表1中，xi代表第i位量子染色體的二進(jìn)制解，bi表示第i位搜索的最佳二進(jìn)制解，fx≥fb表示解x比解b更優(yōu)。當(dāng)量子染色體出現(xiàn)坍塌為二進(jìn)制解而出現(xiàn)不變解的時候，可以采用下式進(jìn)行處理：

其中，ε是一個正數(shù)，但是其數(shù)值比較小。

2.2量子進(jìn)化算法的流程

1）初始化種群Q（t），t=0；

2）對初始種群中各個體進(jìn)行測量，并得到一組狀態(tài)P（t）。

3）評估P（t）的適應(yīng)度

4）對最優(yōu)的個體狀態(tài)及其適應(yīng)度值進(jìn)行記錄

5）如果處于非結(jié)束狀態(tài)，然后繼續(xù)進(jìn)行以下步驟：

Begin

①t=t+1；

②測量種群Q（t-1），進(jìn)而得到狀態(tài)P（t）；

③評估P（t）的適應(yīng)度

④利用量子門對Q（t）進(jìn)行更新，得到子代種群Q（t+1）；

⑤將最優(yōu)個體狀態(tài)及其適應(yīng)度值記錄下來。

End

End

3　量子進(jìn)化算法的改進(jìn)研究

3.1調(diào)整優(yōu)化旋轉(zhuǎn)角

傳統(tǒng)的量子進(jìn)化算法應(yīng)用過程中，旋轉(zhuǎn)角的確定通常是利用查表的方式，故而旋轉(zhuǎn)角是不連續(xù)的，在空間搜索方面具有跳躍性，導(dǎo)致搜索不夠全面和精細(xì)［8-9］。文中從動態(tài)調(diào)整的角度出發(fā)對量子進(jìn)化算法進(jìn)行改進(jìn)。其中，Δθi改進(jìn)后的調(diào)整式為：

式中，fb表示搜索的最佳個體B及其使用度，fx表示當(dāng)前個體X及適用度。通過對式（6）進(jìn)行分析可得，Δθi代表的是一個區(qū)間，與其個體相適應(yīng)。Δθi值越大，就表示當(dāng)前個體與最佳個體之間的距離越遠(yuǎn)，搜索網(wǎng)絡(luò)就越大。因此搜索速度需要進(jìn)一步的提高。反之，Δθi值越小就表示當(dāng)前個體與最佳個體之間的具體就越近，搜索網(wǎng)絡(luò)就越小，能夠采用個細(xì)搜索實現(xiàn)對最優(yōu)解的尋找。

3.2函數(shù)調(diào)整優(yōu)化

鑒于個體基因間的相關(guān)性不是很強(qiáng)的特點，量子位可以定義為：1）在滿足歸一化條件的前提下，而實現(xiàn)（αi，βi）的實數(shù)對，然后再對應(yīng)到一個量子位相應(yīng)的概率幅［10-12］。（2）將（1）中的量子位對應(yīng)到相應(yīng)的二維空間，其相位角為arctan（βi/αi），并用符號w進(jìn)行表示。在上述定義的基礎(chǔ)上，文中提出了一種通過二維空間中量子位的象限和相位角的大小來對旋轉(zhuǎn)角的方向進(jìn)行調(diào)整的方法，如表2所示。

表2　旋轉(zhuǎn)角方向調(diào)整方法

最優(yōu)個體B的第i個量子位的概率幅用表2中的αbi，βbi表示，其相位角為ωbi=arctg（βbi/αbi）；αxi，βxi表示個體第i個量子位概率幅的更新值，其相應(yīng)的相位角為：ωxi=arctg（βxi/αxi）。量子位的更新旋轉(zhuǎn)方向為：s（αxi/βxi），其中+1表示順時針方向，-1表示逆時針方向［13］。通過對表2進(jìn)行分析可得，通過這種方法可以有效的使當(dāng)前的解無限逼近最優(yōu)解，而且提高了收斂速度。

4　改進(jìn)量子進(jìn)化算法的仿真測試

為了進(jìn)一步的說明本文所提出的改進(jìn)量子進(jìn)化算法在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇中的優(yōu)越性，下面進(jìn)行了仿真實驗，并且和傳統(tǒng)的算法進(jìn)行了比較，實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1　改進(jìn)算法和傳統(tǒng)算法性能對比

根據(jù)圖1可知，文中所研究的改進(jìn)量子進(jìn)化算法與傳統(tǒng)的量子進(jìn)化算法相比具有明顯的優(yōu)越性，其尋優(yōu)能力和收斂速度都有了很大程度的提升［14］。通過仿真測試，可以有效的為改進(jìn)后量子進(jìn)化算法在實際計算網(wǎng)絡(luò)路由選擇的應(yīng)用提供指導(dǎo)作用，保證改進(jìn)后的算法在實際應(yīng)用過程中發(fā)揮其最大的作用。通過利用這種改進(jìn)方法可以保證選擇的路由能夠很好的處理計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運行過程中出現(xiàn)的問題，從而維護(hù)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的正常運行，有效提高工作人員的工作效率［15］。實際計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇的應(yīng)用過程中，文中所研究的改進(jìn)方法也得到了證實。

5　結(jié)束語

總而言之，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由的選擇顯得尤為關(guān)鍵，這就進(jìn)一步推動了對計算機(jī)量子進(jìn)化算法的改進(jìn)研究。文中所提出的量子進(jìn)化算法的改進(jìn)方法的建立在傳統(tǒng)量子進(jìn)化算法的基礎(chǔ)之上的。通過仿真模擬，證實了文中所提出的改進(jìn)方法無論是在尋優(yōu)搜索還是在收斂速度上都表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，有效的解決了目前計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由選擇面臨的問題，提高了互聯(lián)網(wǎng)通信效率。

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Application of computer network routing improved quantum evolutionary algorithm

SHI Wang-cong1，GENG Jian2
（1.Information Engineering of Shaanxi Vocational and Technical College，Xi'an 710018，China；2.Shaanxi Expressway Electronic Toll Co.，Ltd.，Xi'an 710018，China）

Progress and development of science and technology and computer technology greatly promoted China's economic development，the development of any industry are inseparable from our present stage of computer network applications. However，the current situation and to expand the Internet planning point of view，there are still some problems to be solved，the most typical is how to meet the needs of Internet communication nodes premise，select the computer network can improve the efficiency of Internet traffic routing problem.And conventional computer network routing algorithm，the improved application of quantum evolutionary algorithm can effectively Internet communications efficiency.Based on this，this paper describes the computer network routing meaning，then quantum evolutionary algorithms are analyzed，the final study of quantum evolutionary algorithm improvement strategies，hoping to arouse the reader ponder.

computer network；routing selection；improved quantum evolutionary algorithm；application

TNO

A

1674－6236（2016）09-0045-03

2015-09-17稿件編號：201509125

交通運輸部科技計劃項目（2015319G02190）

史望聰（1981—），男，陜西戶縣人，講師。研究方向：計算機(jī)應(yīng)用及交通信息化的教學(xué)與科研工作。