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文檔簡介
智能優(yōu)化計算模擬退火第1頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
3.1.1物理退火過程
3.1.2組合優(yōu)化與物理退火的相似性
3.1.3模擬退火算法的基本思想和步驟
3.2模擬退火算法的馬氏鏈描述
3.2.1馬爾可夫鏈
3.2.2模擬退火算法與馬爾可夫鏈
3.3模擬退火算法的關(guān)鍵參數(shù)和操作的設(shè)計
3.3.1狀態(tài)產(chǎn)生函數(shù)
3.3.2狀態(tài)接受函數(shù)
3.3.3初溫
3.3.4溫度更新函數(shù)
3.3.5內(nèi)循環(huán)終止準(zhǔn)則
3.3.6外循環(huán)終止準(zhǔn)則
智能優(yōu)化計算山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第2頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.4模擬退火算法的改進(jìn)
3.4.1模擬退火算法的優(yōu)缺點(diǎn)
3.4.2改進(jìn)內(nèi)容
3.4.3一種改進(jìn)的模擬退火算法3.5模擬退火算法實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
3.5.2模擬退火算法在管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用智能優(yōu)化計算山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第3頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算算法的提出
模擬退火算法最早的思想由Metropolis等(1953)提出,1983年Kirkpatrick等將其應(yīng)用于組合優(yōu)化。算法的目的解決NP復(fù)雜性問題;克服優(yōu)化過程陷入局部極?。豢朔踔狄蕾囆?。
3.1.1物理退火過程山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第4頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算物理退火過程
什么是退火:退火是指將固體加熱到足夠高的溫度,使分子呈隨機(jī)排列狀態(tài),然后逐步降溫使之冷卻,最后分子以低能狀態(tài)排列,固體達(dá)到某種穩(wěn)定狀態(tài)。
3.1.1物理退火過程山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第5頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算物理退火過程
加溫過程——增強(qiáng)粒子的熱運(yùn)動,消除系統(tǒng)原先可能存在的非均勻態(tài);等溫過程——對于與環(huán)境換熱而溫度不變的封閉系統(tǒng),系統(tǒng)狀態(tài)的自發(fā)變化總是朝自由能減少的方向進(jìn)行,當(dāng)自由能達(dá)到最小時,系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài);冷卻過程——使粒子熱運(yùn)動減弱并漸趨有序,系統(tǒng)能量逐漸下降,從而得到低能的晶體結(jié)構(gòu)。
3.1.1物理退火過程山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第6頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算數(shù)學(xué)表述
在溫度T,分子停留在狀態(tài)r滿足Boltzmann概率分布
3.1.1物理退火過程山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第7頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算數(shù)學(xué)表述在同一個溫度T,選定兩個能量E1<E2,有在同一個溫度,分子停留在能量小的狀態(tài)的概率比停留在能量大的狀態(tài)的概率要大。
3.1.1物理退火過程<1>0山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第8頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算數(shù)學(xué)表述
若|D|為狀態(tài)空間D中狀態(tài)的個數(shù),D0是具有最低能量的狀態(tài)集合:當(dāng)溫度很高時,每個狀態(tài)概率基本相同,接近平均值1/|D|;狀態(tài)空間存在超過兩個不同能量時,具有最低能量狀態(tài)的概率超出平均值1/|D|;當(dāng)溫度趨于0時,分子停留在最低能量狀態(tài)的概率趨于1。
3.1.1物理退火過程能量最低狀態(tài)非能量最低狀態(tài)山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第9頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算Metropolis準(zhǔn)則(1953)——以概率接受新狀態(tài)固體在恒定溫度下達(dá)到熱平衡的過程可以用MonteCarlo方法(計算機(jī)隨機(jī)模擬方法)加以模擬,雖然該方法簡單,但必須大量采樣才能得到比較精確的結(jié)果,計算量很大。
3.1.1物理退火過程山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第10頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算Metropolis準(zhǔn)則(1953)——以概率接受新狀態(tài)若在溫度T,當(dāng)前狀態(tài)i→新狀態(tài)j
若Ej<Ei,則接受j為當(dāng)前狀態(tài);否則,若概率p=exp[-(Ej-Ei)/kBT]
大于[0,1)區(qū)間的隨機(jī)數(shù),則仍接受狀態(tài)j
為當(dāng)前狀態(tài);若不成立則保留狀態(tài)i
為當(dāng)前狀態(tài)。
3.1.1物理退火過程山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第11頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算Metropolis準(zhǔn)則(1953)——以概率接受新狀態(tài)
p=exp[-(Ej-Ei)/kBT]
在高溫下,可接受與當(dāng)前狀態(tài)能量差較大的新狀態(tài);在低溫下,只接受與當(dāng)前狀態(tài)能量差較小的新狀態(tài)。
3.1.1物理退火過程山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第12頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算相似性比較
3.1.2組合優(yōu)化與物理退火的相似性組合優(yōu)化問題金屬物體解粒子狀態(tài)最優(yōu)解能量最低的狀態(tài)設(shè)定初溫熔解過程Metropolis抽樣過程等溫過程控制參數(shù)的下降冷卻目標(biāo)函數(shù)能量山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第13頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算基本步驟
給定初溫t=t0,隨機(jī)產(chǎn)生初始狀態(tài)s=s0,令k=0;
RepeatRepeat
產(chǎn)生新狀態(tài)sj=Genete(s);
ifmin{1,exp[-(C(sj)-C(s))/tk]}>=randrom[0,1]s=sj;Until抽樣穩(wěn)定準(zhǔn)則滿足;退溫tk+1=update(tk)并令k=k+1;
Until算法終止準(zhǔn)則滿足;輸出算法搜索結(jié)果。
3.1.3模擬退火算法的基本思想和步驟山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第14頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.1模擬退火算法及模型
智能優(yōu)化計算影響優(yōu)化結(jié)果的主要因素
給定初溫t=t0,隨機(jī)產(chǎn)生初始狀態(tài)s=s0,令k=0;
RepeatRepeat
產(chǎn)生新狀態(tài)sj=Genete(s);
ifmin{1,exp[-(C(sj)-C(s))/tk]}>=randrom[0,1]s=sj;Until抽樣穩(wěn)定準(zhǔn)則滿足;退溫tk+1=update(tk)并令k=k+1;
Until算法終止準(zhǔn)則滿足;輸出算法搜索結(jié)果。
3.1.3模擬退火算法的基本思想和步驟三函數(shù)兩準(zhǔn)則初始溫度山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第15頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.2模擬退火算法的馬氏鏈描述
智能優(yōu)化計算定義
3.2.1馬爾科夫鏈特性:馬氏鏈具有記憶遺忘特性,它只記憶前一時刻的狀態(tài)。山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第16頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.2模擬退火算法的馬氏鏈描述
智能優(yōu)化計算定義
一步轉(zhuǎn)移概率:
n步轉(zhuǎn)移概率:若解空間有限,稱馬爾可夫鏈為有限狀態(tài);若,稱馬爾可夫鏈為時齊的。
3.2.1馬爾科夫鏈山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第17頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.2模擬退火算法的馬氏鏈描述
智能優(yōu)化計算模擬退火算法對應(yīng)了一個馬爾可夫鏈
模擬退火算法:新狀態(tài)接受概率僅依賴于新狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài),并由溫度加以控制。若固定每一溫度,算法均計算馬氏鏈的變化直至平穩(wěn)分布,然后下降溫度,則稱為時齊算法;若無需各溫度下算法均達(dá)到平穩(wěn)分布,但溫度需按一定速率下降,則稱為非時齊算法。分析收斂性
3.2.2模擬退火算法與馬爾科夫鏈山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第18頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.3模擬退火算法關(guān)鍵參數(shù)和操作的設(shè)計智能優(yōu)化計算原則
產(chǎn)生的候選解應(yīng)遍布全部解空間方法
在當(dāng)前狀態(tài)的鄰域結(jié)構(gòu)內(nèi)以一定概率方式(均勻分布、正態(tài)分布、指數(shù)分布等)產(chǎn)生
3.3.1狀態(tài)產(chǎn)生函數(shù)山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第19頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.3模擬退火算法關(guān)鍵參數(shù)和操作的設(shè)計智能優(yōu)化計算原則
(1)在固定溫度下,接受使目標(biāo)函數(shù)下降的候選解的概率要大于使目標(biāo)函數(shù)上升的候選解概率;
(2)隨溫度的下降,接受使目標(biāo)函數(shù)上升的解的概率要逐漸減?。?/p>
(3)當(dāng)溫度趨于零時,只能接受目標(biāo)函數(shù)下降的解。方法
具體形式對算法影響不大一般采用min[1,exp(-?C/t)]
3.3.2狀態(tài)接受函數(shù)山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第20頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.3模擬退火算法關(guān)鍵參數(shù)和操作的設(shè)計智能優(yōu)化計算收斂性分析
通過理論分析可以得到初溫的解析式,但解決實(shí)際問題時難以得到精確的參數(shù);初溫應(yīng)充分大;實(shí)驗(yàn)表明
初溫越大,獲得高質(zhì)量解的機(jī)率越大,但花費(fèi)較多的計算時間;
3.3.3初溫山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第21頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.3模擬退火算法關(guān)鍵參數(shù)和操作的設(shè)計智能優(yōu)化計算方法
(1)均勻抽樣一組狀態(tài),以各狀態(tài)目標(biāo)值的方差為初溫;(2)隨機(jī)產(chǎn)生一組狀態(tài),確定兩兩狀態(tài)間的最大目標(biāo)值差,根據(jù)差值,利用一定的函數(shù)確定初溫;(3)利用經(jīng)驗(yàn)公式。
3.3.3初溫山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第22頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.3模擬退火算法關(guān)鍵參數(shù)和操作的設(shè)計數(shù)值計算估計方法示例智能優(yōu)化計算山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第23頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.3模擬退火算法關(guān)鍵參數(shù)和操作的設(shè)計智能優(yōu)化計算時齊算法的溫度下降函數(shù)
(1),α越接近1溫度下降越慢,且其大小可以不斷變化;(2),其中t0為起始溫度,K為算法溫度下降的總次數(shù)。
3.3.4溫度更新函數(shù)山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第24頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.3模擬退火算法關(guān)鍵參數(shù)和操作的設(shè)計智能優(yōu)化計算非時齊模擬退火算法
每個溫度下只產(chǎn)生一個或少量候選解時齊算法——常用的Metropolis抽樣穩(wěn)定準(zhǔn)則
(1)檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)函數(shù)的均值是否穩(wěn)定;(2)連續(xù)若干步的目標(biāo)值變化較小;(3)按一定的步數(shù)抽樣(固定長度)。 (4)有接受和拒絕的比率控制跌代步數(shù)(比如給定一個跌代步長上限U和接受比率指標(biāo)R)
3.3.5內(nèi)循環(huán)終止準(zhǔn)則山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第25頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.3模擬退火算法關(guān)鍵參數(shù)和操作的設(shè)計智能優(yōu)化計算常用方法
(1)設(shè)置終止溫度的閾值;(2)設(shè)置外循環(huán)迭代次數(shù);(3)算法搜索到的最優(yōu)值連續(xù)若干步保持不變;(4)概率分析方法(接受概率控制法)。
3.3.6外循環(huán)終止準(zhǔn)則山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第26頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.4模擬退火算法的改進(jìn)智能優(yōu)化計算模擬退火算法的優(yōu)點(diǎn)
質(zhì)量高;初值魯棒性強(qiáng);簡單、通用、易實(shí)現(xiàn)。模擬退火算法的缺點(diǎn)
由于要求較高的初始溫度、較慢的降溫速率、較低的終止溫度,以及各溫度下足夠多次的抽樣,因此優(yōu)化過程較長。
3.4.1模擬退火算法的優(yōu)缺點(diǎn)山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第27頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.4模擬退火算法的改進(jìn)智能優(yōu)化計算改進(jìn)的可行方案
(1)設(shè)計合適的狀態(tài)產(chǎn)生函數(shù);(2)設(shè)計高效的退火歷程;(3)避免狀態(tài)的迂回搜索;(4)采用并行搜索結(jié)構(gòu);(5)避免陷入局部極小,改進(jìn)對溫度的控制方式;(6)選擇合適的初始狀態(tài);(7)設(shè)計合適的算法終止準(zhǔn)則。
3.4.2改進(jìn)內(nèi)容山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第28頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.4模擬退火算法的改進(jìn)智能優(yōu)化計算改進(jìn)的方式
(1)增加升溫或重升溫過程,避免陷入局部極??;(2)增加記憶功能(記憶“Bestsofar”狀態(tài));(3)增加補(bǔ)充搜索過程(以最優(yōu)結(jié)果為初始解);(4)對每一當(dāng)前狀態(tài),采用多次搜索策略,以概率接受區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)狀態(tài);(5)結(jié)合其它搜索機(jī)制的算法;(6)上述各方法的綜合。
3.4.2改進(jìn)內(nèi)容山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第29頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.4模擬退火算法的改進(jìn)智能優(yōu)化計算改進(jìn)的思路
(1)記錄“Bestsofar”狀態(tài),并即時更新;(2)設(shè)置雙閾值,使得在盡量保持最優(yōu)性的前提下減少計算量,即在各溫度下當(dāng)前狀態(tài)連續(xù)m1步保持不變則認(rèn)為Metropolis抽樣穩(wěn)定,若連續(xù)m2次退溫過程中所得最優(yōu)解不變則認(rèn)為算法收斂。
3.4.3一種改進(jìn)的模擬退火算法山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第30頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.4模擬退火算法的改進(jìn)智能優(yōu)化計算改進(jìn)的退火過程
(1)給定初溫t0,隨機(jī)產(chǎn)生初始狀態(tài)s,令初始最優(yōu)解s*=s,當(dāng)前狀態(tài)為s(0)=s,i=p=0;(2)令t=ti,以t,s*和s(i)調(diào)用改進(jìn)的抽樣過程,返回其所得最優(yōu)解s*’和當(dāng)前狀態(tài)s’(k),令當(dāng)前狀態(tài)s(i)=s’(k);(3)判斷C(s*)<C(s*’)?若是,則令p=p+1;否則,令s*=s*’,p=0;(4)退溫ti+1=update(ti),令i=i+1;(5)判斷p>m2?若是,則轉(zhuǎn)第(6)步;否則,返回第(2)步;(6)以最優(yōu)解s*作為最終解輸出,停止算法。
3.4.3一種改進(jìn)的模擬退火算法山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第31頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.4模擬退火算法的改進(jìn)智能優(yōu)化計算改進(jìn)的抽樣過程
(1)令k=0時的初始當(dāng)前狀態(tài)為s’(0)=s(i),q=0;(2)由狀態(tài)s通過狀態(tài)產(chǎn)生函數(shù)產(chǎn)生新狀態(tài)s’,計算增量?C’=C(s’)-C(s);(3)若?C’<0,則接受s’作為當(dāng)前解,并判斷C(s’)<C(s*’)?若是,則令s*’=s’,q=0;否則,令q=q+1。若?C’>0,則以概率exp(-?C’/t)接受s’作為下一當(dāng)前狀態(tài);(4)令k=k+1,判斷q>m1?若是,則轉(zhuǎn)第(5)步;否則,返回第(2)步;(5)將當(dāng)前最優(yōu)解s*’和當(dāng)前狀態(tài)s’(k)返回改進(jìn)退火過程。
3.4.3一種改進(jìn)的模擬退火算法山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第32頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
TSPBenchmark問題
4194;3784;5467;2562;764;299;6858;7144;5462;8369;6460;1854;2260;8346;9138;2538;2442;5869;7171;7478;8776;1840;1340;827;6232;5835;4521;4126;4435;450山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第33頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算算法流程
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第34頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算初始溫度的計算
fori=1:100route=randperm(CityNum);fval0(i)=CalDist(dislist,route);endt0=-(max(fval0)-min(fval0))/log(0.9);
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第35頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算狀態(tài)產(chǎn)生函數(shù)的設(shè)計(1)互換操作,隨機(jī)交換兩個城市的順序;(2)逆序操作,兩個隨機(jī)位置間的城市逆序;(3)插入操作,隨機(jī)選擇某點(diǎn)插入某隨機(jī)位置。
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
283591467283591467283591467281593467283419567235981467山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第36頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算參數(shù)設(shè)定
截止溫度tf=0.01;
退溫系數(shù)alpha=0.90;
內(nèi)循環(huán)次數(shù)L=200*CityNum;
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第37頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算運(yùn)行過程
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第38頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算運(yùn)行過程
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第39頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算運(yùn)行過程
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第40頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算運(yùn)行過程
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第41頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算運(yùn)行過程
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第42頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算運(yùn)行結(jié)果
3.5.130城市TSP問題(d*=423.741byDBFogel)
山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第43頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算換熱器模型兩級管殼式換熱器組成的換熱器系統(tǒng),數(shù)學(xué)模型高度非線性,其目標(biāo)函數(shù)通常是多峰(谷)的,具有很多局部最優(yōu)解。
3.5.2模擬退火算法在管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院2009年第44頁,課件共49頁,創(chuàng)作于2023年2月3.5模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用智能優(yōu)化計算優(yōu)化目標(biāo)以換熱器系統(tǒng)的總費(fèi)用年
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