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Simulated annealing (SA), también llamado temple simulado, recocido simulado, cristalización simulada o enfriamiento simulado, es un algoritmo de búsqueda metaheurística para problemas de optimización global; el objetivo general de este tipo de algoritmos es encontrar una buena aproximación al valor óptimo de una función en un espacio de búsqueda grande. Dicho "óptimo global" corresponde a la solución del problema de interés para el que no existe un mejor valor. En el caso de que tal problema sea de minimización, el óptimo global será aquél para el cual la función objetivo tenga el más pequeño posible de todos los de su (espacio de búsqueda) Por el contrario, para un problema de maxización, el óptimo global es aquél con el valor más alto posible.

El nombre e inspiración de SA viene del proceso de recocido del acero y cerámicas, una técnica que consiste en calentar y luego enfriar lentamente el material para variar sus propiedades físicas. El calor causa que los átomos aumenten su energía y que puedan así desplazarse de sus posiciones iniciales (un mínimo local de energía); el enfriamiento lento les da mayores probabilidades de recristalizar en configuraciones con menor energía que la inicial (mínimo global).^[1]

El método fue descrito independientemente por: 1) Scott Kirkpatrick, C. Daniel Gelatt y Mario P. Vecchi en 1983,^[2] y 2) por otro lado por Vlado Černý en 1985.^[3] El método SA es una adaptación del algoritmo Metropolis-Hastings, un método de Montecarlo utilizado para generar muestras de estados de un sistema termodinámico.^[4]

Iteración básica

En cada iteración, el método de recocido simulado evalúa algunos vecinos del estado actual s y probabilísticamente decide entre efectuar una transición a un nuevo estado s' o quedarse en el estado s. En el ejemplo de recocido de metales descrito arriba, el estado s se podría definir en función de la posición de todos los átomos del material en el momento actual; el desplazamiento de un átomo se consideraría como un estado vecino del primero en este ejemplo.

Típicamente la comparación entre estados vecinos se repite hasta que se encuentre un estado óptimo que minimice la energía del sistema o hasta que se cumpla cierto tiempo computacional u otras condiciones.

Vecindario de un estado

El vecindario de un estado s está compuesto por todos los estados a los que se pueda llegar a partir de s mediante un cambio en la conformación del sistema. Los estados vecinos son generados mediante métodos de Montecarlo.

El método de evaluación de estados vecinos es fundamental para encontrar una solución óptima global al problema dado. Los algoritmos heurísticos, basados en buscar siempre un estado vecino mejor (con energía más baja) que el actual se detienen en el momento que encuentran un mínimo local de energía. El problema con este método es que no puede asegurar que la solución encontrada sea un óptimo global, pues el espacio de búsqueda explorado no abarca todas las posibles variaciones del sistema.

Probabilidad de transición

La probabilidad de hacer la transición al nuevo estado s es una función P(δ E, T) de la diferencia de energía δE=E(s')-E(s) entre los dos estados, y de la variable T, llamada temperatura por analogía con el concepto físico de temperatura.

Si δE es negativo, es decir, la transición disminuye la energía, el movimiento es aceptado con probabilidad P=1. Es importante remarcar que la condición de que el sistema siempre pase a un sistema de menor energía cuando se encuentra una no es en absoluto necesaria para el éxito del método. Cuando δE es positivo la probabilidad de transición P es siempre distinta de cero, aún , es decir, el sistema puede pasar a un estado de mayor energía (peor solución) que el estado actual. Esta propiedad impide que el sistema se quede atrapado en un óptimo local.

A medida que la temperatura tiende al mínimo, la probabilidad de transición a un estado de mayor energía tiende a cero asintóticamente. Cuando T llega a cero, el algoritmo solo aceptará cambios a estados con menor energía. Debido a esta propiedad, la temperatura juega un papel muy importante en el control de la evolución del sistema. A temperaturas altas, el sistema tenderá a saltos de energía grandes entre los estados, mientras que a temperaturas más bajas, los cambios en energía serán menores.

Así, en cada iteración el algoritmo tiende a encontrar estados con menor energía total. Hay muchas maneras de disminuir la temperatura, siendo la más usual la exponencial, donde T disminuye por un factor α<1 en cada paso.

Protocolo de recocido

Como el nombre del algoritmo sugiere, la variación de la temperatura durante la computación es una característica distintiva de este método. El algoritmo comienza con un valor de T muy alto, que va decreciendo en cada iteración siguiendo un cierto protocolo de recocido, que puede ser diferente para cada problema, pero que siempre debe terminar con T=0. Así el sistema será libre inicialmente de explorar una gran porción del espacio de búsqueda, ignorando pequeñas variaciones de la energía entre los estados vecinos evaluados, para más tarde centrarse en regiones con estados de baja energía y, al final, cambiar solo a estados con energía menor que la inicial, hasta alcanzar un mínimo.

Ejemplo ilustrando la importancia del protocolo de enfriamiento: El problema consiste en disponer los píxeles en la imagen de tal manera que se minimice una función de energía potencial que causa que los colores similares se atraigan a distancias cortas y se repelan a distancias largas. En cada iteración se intercambian las posiciones de dos píxeles adyacentes. La imagen de la izquierda es obtenida con un protocolo de enfriado rápido, en el que la temperatura desciende rápidamente, y la de la derecha, con un protocolo lento, equiparables a los procesos de formación de sólidos amorfos y cristalinos respectivamente.

La probabilidad de que el algoritmo acabe encontrando el mínimo global para un problema dado se aproxima a 1 a medida que el protocolo de recocido se extiende.^[5]

Pseudocódigo

Empieza en un estado $s 0$ y sigue hasta un máximo de $k max$ pasos o hasta que se encuentra un estado con energía menor o igual que $e min$ . La función $vecino(s)$ genera aleatoriamente un vecino de un estado dado $s$ ; la función $azar(0, 1)$ devuelve un valor aleatorio uniformemente distribuido en el intervalo $[0, 1]$ ; véase Distribución uniforme. El proceso de recocido (enfriado) se expresa mediante $temperatura(r)$ , que da la temperatura en función de la fracción $r$ del tiempo que ya ha trascurrido.

Sea $s = s 0$
Para k = 0 hasta k_max (exclusive):
- $T \leftarrow temperatura(k ∕ k max)$
- $s nue \leftarrow vecino(s)$
- Si P(E(s), E(s_nue), T) ≥ azar(0, 1):
  - $s \leftarrow s nue$
Salida: estado final $s$

La probabilidad de aceptación originalmente propuesta es

si $e'<e$ , entonces $P(e,e',T)=1$
si $e'>e$ , entonces $P(e,e',T)=\exp(-(e'-e)/T)$

Aplicaciones

Este algoritmo se ha aplicado con éxito en varias áreas; ver por ejemplo las de la liga siguiente (Simulated annealing). Algunas de dichas aplicaciones son:

el campo de la optimización de estructuras de hormigón.^[6]^[7]
para resolver instancias del problema ([[Job Shop Scheduling]])

El término recocido

El nombre del algoritmo se debe a la similitud con el concepto metalúrgico de recocido, en el que la temperatura de un material se hace descender lentamente para facilitar la formación de configuraciones de baja energía. No debe utilizarse para el algoritmo el término templado porque se trata del proceso metalúrgico opuesto, en el que la temperatura se hace descender de forma abrupta. Una mejor traducción para simulated annealing sería sobrecalentamiento simulado, ya que el annealing en física consiste en llevar un material a una temperatura muy alta, es decir, a sobrecalentar el material; en cambio, el recocido se refiere a calentar de nuevo el material, lo cual no sucede en el annealing. Sin embargo, en el habla hispana se ha venido usando el término recocido simulado en lugar de sobrecalentamiento simulado, y será difícil cambiar las costumbres en la comunidad académica en cuanto a la terminología empleada.

Referencias

↑ Gutiérrez Andrade, Miguel Ámgel; de los Cobos Silva, Sergio Gerardo; Pérez Salvador, Blanca Rosa (junio de 1998). «Optimización con recocido simulado para el problema de conjunto independiente». En Línea² (Universidad Autónoma Metropolitana) 3. Archivado desde el original el 4 de diciembre de 2011. Consultado el 29 de julio de 2011.
↑ Kirkpatrick, S.; Gelatt, C. D.; Vecchi, M. P. (1983). «Optimization by Simulated Annealing». Science (en inglés) 220 (4598): 671-680. PMID 17813860. doi:10.1126/science.220.4598.671.
↑ Černý, V. (1985). «Thermodynamical approach to the traveling salesman problem: An efficient simulation algorithm». publicación of Optimization Theory and Applications (en inglés) 45: 41-51. doi:10.1007/BF00940812.
↑ Metropolis, Nicholas; Rosenbluth, Arianna W.; Rosenbluth, Marshall N.; Teller, Augusta H.; Teller, Edward (1953). «Equation of State Calculations by Fast Computing Machines». The publicación of Chemical Physics (en inglés) 21 (6): 1087. doi:10.1063/1.1699114.
↑ Granville, V.; Krivanek, M.; Rasson, J.-P. (1994). «Simulated annealing: A proof of convergence». IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence (en inglés) 16 (6): 652-656. doi:10.1109/34.295910.
↑ Yepes, V.; Alcalá, J.; Perea, C.; González-Vidosa, F. (2008). «A parametric study of optimum earth-retaining walls by simulated annealing». Engineering Structures (en inglés) 30 (3): 821-830. doi:10.1016/j.engstruct.2007.05.023. doi:10.1016/j.engstruct.2007.05.023 (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
↑ Paya-Zaforteza, I.; Yepes, V.; Hospitaler, A.; González-Vidosa, F. (2009). «CO2-optimization of reinforced concrete frames by simulated annealing». Engineering Structures (en inglés) 31 (7): 1501-1508. doi:10.1016/j.engstruct.2009.02.034. doi:10.1016/j.engstruct.2009.02.034 (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).