《MATLAB 神经网络43个案例分析》：第11章 连续Hopfield神经网络的优化——旅行商问题优化计算
1. 前言
《MATLAB 神经网络43个案例分析》是MATLAB技术论坛（www.matlabsky.com）策划，由王小川老师主导，2013年北京航空航天大学出版社出版的关于MATLAB为工具的一本MATLAB实例教学书籍，是在《MATLAB神经网络30个案例分析》的基础上修改、补充而成的，秉承着“理论讲解—案例分析—应用扩展”这一特色，帮助读者更加直观、生动地学习神经网络。
《MATLAB神经网络43个案例分析》共有43章，内容涵盖常见的神经网络（BP、RBF、SOM、Hopfield、Elman、LVQ、Kohonen、GRNN、NARX等）以及相关智能算法（SVM、决策树、随机森林、极限学习机等）。同时，部分章节也涉及了常见的优化算法（遗传算法、蚁群算法等）与神经网络的结合问题。此外，《MATLAB神经网络43个案例分析》还介绍了MATLAB R2012b中神经网络工具箱的新增功能与特性，如神经网络并行计算、定制神经网络、神经网络高效编程等。
近年来随着人工智能研究的兴起，神经网络这个相关方向也迎来了又一阵研究热潮，由于其在信号处理领域中的不俗表现，神经网络方法也在不断深入应用到语音和图像方向的各种应用当中，本文结合书中案例，对其进行仿真实现，也算是进行一次重新学习，希望可以温故知新，加强并提升自己对神经网络这一方法在各领域中应用的理解与实践。自己正好在多抓鱼上入手了这本书，下面开始进行仿真示例，主要以介绍各章节中源码应用示例为主，本文主要基于MATLAB2015b(32位)平台仿真实现，这是本书第十一章连续Hopfield神经网络的优化实例，话不多说，开始！
2. MATLAB 仿真示例
打开MATLAB，点击“主页”，点击“打开”，找到示例文件
选中main.m，点击“打开”
main.m源码如下：
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%功能：连续Hopfield神经网络的优化—旅行商问题优化计算
%环境：Win7，Matlab2015b
%Modi: C.S
%时间：2022-06-08
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%% 清空环境变量、定义全局变量
clear all
clc
tic
global A D
%% 导入城市位置
load city_location
%% 计算相互城市间距离
distance = dist(citys,citys');
%% 初始化网络
N = size(citys,1);
A = 200;
D = 100;
U0 = 0.1;
step = 0.0001;
delta = 2 * rand(N,N) - 1;
U = U0 * log(N-1) + delta;
V = (1 + tansig(U/U0))/2;
iter_num = 10000;
E = zeros(1,iter_num);
%% 寻优迭代
for k = 1:iter_num
% 动态方程计算
dU = diff_u(V,distance);
% 输入神经元状态更新
U = U + dU*step;
% 输出神经元状态更新
V = (1 + tansig(U/U0))/2;
% 能量函数计算
e = energy(V,distance);
E(k) = e;
end
%% 判断路径有效性
[rows,cols] = size(V);
V1 = zeros(rows,cols);
[V_max,V_ind] = max(V);
for j = 1:cols
V1(V_ind(j),j) = 1;
end
C = sum(V1,1);
R = sum(V1,2);
flag = isequal(C,ones(1,N)) & isequal(R',ones(1,N));
%% 结果显示
if flag == 1
% 计算初始路径长度
sort_rand = randperm(N);
citys_rand = citys(sort_rand,:);
Length_init = dist(citys_rand(1,:),citys_rand(end,:)');
for i = 2:size(citys_rand,1)
Length_init = Length_init+dist(citys_rand(i-1,:),citys_rand(i,:)');
end
% 绘制初始路径
figure(1)
plot([citys_rand(:,1);citys_rand(1,1)],[citys_rand(:,2);citys_rand(1,2)],'o-')
for i = 1:length(citys)
text(citys(i,1),citys(i,2),[' ' num2str(i)])
end
text(citys_rand(1,1),citys_rand(1,2),[' 起点' ])
text(citys_rand(end,1),citys_rand(end,2),[' 终点' ])
title(['优化前路径(长度：' num2str(Length_init) ')'])
axis([0 1 0 1])
grid on
xlabel('城市位置横坐标')
ylabel('城市位置纵坐标')
% 计算最优路径长度
[V1_max,V1_ind] = max(V1);
citys_end = citys(V1_ind,:);
Length_end = dist(citys_end(1,:),citys_end(end,:)');
for i = 2:size(citys_end,1)
Length_end = Length_end+dist(citys_end(i-1,:),citys_end(i,:)');
end
disp('最优路径矩阵');V1
% 绘制最优路径
figure(2)
plot([citys_end(:,1);citys_end(1,1)],...
[citys_end(:,2);citys_end(1,2)],'o-')
for i = 1:length(citys)
text(citys(i,1),citys(i,2),[' ' num2str(i)])
end
text(citys_end(1,1),citys_end(1,2),[' 起点' ])
text(citys_end(end,1),citys_end(end,2),[' 终点' ])
title(['优化后路径(长度：' num2str(Length_end) ')'])
axis([0 1 0 1])
grid on
xlabel('城市位置横坐标')
ylabel('城市位置纵坐标')
% 绘制能量函数变化曲线
figure(3)
plot(1:iter_num,E);
ylim([0 2000])
title(['能量函数变化曲线(最优能量：' num2str(E(end)) ')']);
xlabel('迭代次数');
ylabel('能量函数');
else
disp('寻优路径无效');
end
toc
添加完毕，点击“运行”，开始仿真，输出仿真结果如下：
最优路径矩阵
V1 =
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
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3. 小结
Hopfield神经网络简称HNN（Hopfiled Neural Network)，是在1982年由美国加州理工学院的J.Hopfield教授提出，它是一种单层反馈神经网络。Hopfield网络是一种循环的神经网络，从输出到输入均有反馈连接，每一个神经元跟所有其他神经元相互连接，又称为全互联网络。它保证了向局部极小值的收敛，但收敛到错误的局部极小值（local minimum），而非全局极小值（global minimum）的情况也可能发生。前两章都是离散Hopfield神经网络的示例，本章介绍连续Hopfield神经网络是应用在路径规划上的。对本章内容感兴趣或者想充分学习了解的，建议去研习书中第十一章节的内容。后期会对其中一些知识点在自己理解的基础上进行补充，欢迎大家一起学习交流。