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求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权算法
来源:一起赢论文网     日期:2017-02-07     浏览数:889     【 字体:

 39卷  计  算  机  学  报  Vol.39 2016 论文在线出版号  No.172  CHINESE JOURNAL OF COMPUTERS  Online Publishing No.172 ——————————————— 本课题得到国家自然科学基金(No.61370156,  No. 61403076,  No. 61403077)、高等学校博士学科点专项科研基金(No. 20120043120017)、新世纪优秀人才支持计划(No. NCET-13-0724)资助.  吉林省大型科学仪器装备共享共用专项项目(20150623024TC-03);吉林省青年科研基金项目(20160520104JH.  周俊萍,女,1981年生,博士,讲师,主要研究领域为智能规划与自动推理,E-mail: zhoujp877@nenu.edu.cn.  任雪亮,男,1989年生,硕士,主要研究领域为算法设计与分析,E-mail: renxl131@nenu.edu.cn.  殷茜,女,1990年生,硕士,主要研究领域为智能规划与自动推理,E-mail: plangarden2005@nenu.edu.cn.  李睿智(通讯作者),女,1989年生,博士,主要研究领域为算法设计与分析,E-mail: lirz111@nenu.edu.cn.  殷明浩(通讯作者),男,1979年生,博士,教授,博士生导师,主要研究领域为自动推理和智能规划,E-mail: mhyin@nenu.edu.cn.    求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权算法 周俊萍,  任雪亮,  殷茜,  李睿智,  殷明浩 (东北师范大学计算机科学与信息技术学院,  长春  130117)   摘  要  MaxSAT问题的研究已成为一个比较热门的研究领域,与MaxSAT问题相对的是MinSAT问题。MinSATSAT问题的另一种优化形式。与MaxSAT问题不同的是MinSAT问题需要找到一组赋值使得可满足的子句数目最少。在求解某些组合优化问题时,将其转化为MinSAT问题比转化为MaxSAT问题有着更快的速度,因此提出了一种求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权局部搜索算法。该算法在随机行走算法的基础上融入了子句加权策略,并根据MinSAT问题本身的特征对格局检测策略进行了加强。加强式格局检测策略通过考查MinSAT问题中变量的环境信息可以减少局部搜索中的循环问题,以此提高局部搜索算法的性能。加强式格局检测策略是格局检测的一种加强。其对格局检测策略的加强主要体现在:当MinSAT问题的环境信息(即格局)发生变化时,其仅该变量发生变化的赋值不一定能够作为候选解。只有当格局发生了变化并且格局的变化使得当前考查的子句由不可满足变为可满足时,其仅该变量发生变化的赋值(翻转该变量的赋值)才可以作为候选解并向该候选解搜索。在局部搜索中,选择合适的变量翻转对提高算法的效率具有重要的意义。如果没有加强式格局检测,对于一般的局部搜索,在变量翻转的时候一般就是选择启发值最高的。换言之当格局没有发生变化的时候也允许翻转,这就很可能直接导致上次刚刚翻转的变量又被翻转回来。通过限制只允许格局发生变化且格局的变化使得当前考查的子句由可满足变为不可满足的变量翻转,这就会避免上述情况,因此加强格局检测策略在整个搜索过程中都具有重要的意义。  子句加权策略通过增加局部最优的代价,使得算法可以进一步找到隐藏在局部最优附近的更好的解,避免了在搜索过程中陷入局部最优。子句加权策略应用在MinSAT问题的基本思想是:对公式F中的每个子句都赋予一个权值1MinSAT问题求解算法在搜索过程中一旦陷入局部最优就增加在当前解下可满足子句的权值,这使得算法能跳出局部最优并向更好方向搜索。实验结果表明,该算法可以有效求解MinSAT问题,并且在大规模实例中具有良好的表现,这也在一定程度上说明了加强式格局检测策略和子句加权策略的有效性。 关键词  最小可满足问题;局部搜索算法;子句加权;格局检测;加强式格局检测 中图法分类号  TP319 论文引用格式 周俊萍,  任雪亮,  殷茜,  李睿智,  殷明浩,求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权算法,2016Vol.39:在线出版号  No.172 ZHOU Jun-Ping, REN Xue-Liang, YIN Qian, LI Rui-Zhi, YIN Ming-HaoAlgorithm of Strengthened Configuration Checking and Clause Weighting for Solving the Minimum Satisfiability ProblemChinese Journal of Computers,2016, Vol.39: Online Publishing No.172 网络出版时间:2016-11-24 21:08:59网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1826.tp.20161124.2108.002.html2  计  算  机  学  报  2016年  Algorithm of Strengthened Configuration Checking and Clause Weighting for Solving the Minimum Satisfiability Problem ZHOU Jun-Ping, REN Xue-Liang, YIN Qian, LI Rui-Zhi, YIN Ming-Hao College of Computer Science, Northeast Normal University, Changchun 130117)  Abstract The  maximum  satisfiability  problem  (MaxSAT)  has  become  a  popular  research  field,  which  has  a relative problemminimum satisfiability problem (MinSAT). MinSAT is another form of satisfiability problem. Unlike  MaxSAT  problem,  MinSAT  problems  need  to  find  an  assignment  that  can  satisfy  the  least  number  of clauses.  When  solving  some  combinatorial  optimization  problems,  converting  them  to  MinSAT  is faster  than converting  them  to  MaxSAT.  Therefore,  we  propose  a  local  search  algorithm  with  strengthened  configuration checking  and  clause  weighting  to  solve  MinSAT.  Based  on  the  random  walk  local  search,  the  algorithm incorporates the clause weighting strategy and strengthens the configuration checking strategy according to the characteristic of MinSAT. The strengthened configuration checking strategy can reduce the loops by checking the variable  environmental  information  of  MinSAT  so  that  the  performance of  local  search  algorithm  can  be improved.  The  strengthened  configuration  checking  strategy  is  obtained  by  strengthening  the  configuration checking.  The  strengthening  of  the  configuration  checking  is  mainly  embodied  in  the  following  aspects.  When the environmental information of MinSAT is changed, the assignment with only changing the variable is not able to be as a candidate solution. Only when the environmental information of MinSAT is changed and the changing environmental information could make the current clause satisfied, which is not satisfied before, the assignment with only flipping the variable is able to be as a candidate solution. In the local search algorithm, selecting the appropriate variable to flip plays an important role for improving the efficiency of the algorithm. For the general local search algorithm, if the strengthened configuration checking strategy is not used, the variable with highest heuristic value is usually selected. In other words, the flipping is allowed when the configuration is not changed, which always result in the fact that the last flipping variable is flipped again. The circumstance can be avoided by restricting  the  variable  when  to  be  flipped.  The  strengthened  configuration  checking  strategy  sets  a  rule restricting the  variable when to be flipped. The variable is allowed to be flipped when the configuration of the variable is changed and changing the configuration could make the current clause satisfied, which is not satisfied before  Thus  the  strengthened  configuration checking  strategy  has  important  significance  in  the  process  of  the local  search.  The  clause  weighting  strategy  can  make  us  find  a  better  solution  near  the  local  optima  through increasing the cost of the local optima and avoid the search trapping in the local optimum. The basic idea of the clause weighting strategy used in MinSAT is as follow. The weight of each clause in the formula F is initialized as 1. When the algorithm solving MinSAT problem falls into the local optimum, the weight of the satisfied clause will  be  increased  by  1.  In  this  manner,  the  search  will  proceed  in  the  right  direction  and  jump  out  of  the  local minimum.  The  experimental  results  show  that  the  strengthened  configuration  checking  and  clause  weighting local search algorithm can solve MinSAT effectively, and it has good performance in the large-scale instances. To a  certain  extent,  the  results  show  that  the  effectiveness  of  strengthened  configuration  checking  strategy  and clause weighting strategy. Key words  MinSAT;  Local  Search  Algorithm;  Clause  Weighting; Configuration  Checking;  Strengthened Configuration Checking  1引言   命题可满足性问题(Proposition Satisfiability,简称SAT问题)是计算机科学和人工智能领域的重要问题,它在电路设计与调试、生物信息学、统计物理、智能规划与调度等众多研究领域都有广泛的应用[1][2][3][4]。近年来,SAT问题的求解技术取论文在线出版号  No.172  周俊萍等:求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权算法  3  得了较大的突破,Zchaff错误!未找到引用源。、Survey  Propagation[6]等高效的SAT问题求解系统已经可以求解含有105个以上变量106个以上子句规模的SAT问题实例。SAT问题求解技术的成功也使得其它研究领域受益匪浅,例如在经典智能规划研究领域中,SATPLAN[7]BLACKBOX[8]等经典智能规划系统通过将规划问题编译为SAT问题,然后调用高效的SAT 问题求解系统求解智能规划问题在近年来的国际智能规划竞赛中屡次取得优异的成绩,并获得了多项冠军[9][10]。作为第一个被证明为NP完全的问题[11]SAT问题只判断给定的命题公式是否可满足[12],而很多实际问题更多的时候需要一个最优解,不是仅仅―是‖或―否‖可以判断。因此,近年来,很多学者开始研究SAT问题的优化问题、如MaxSAT问题、MinSAT问题、QBF[13][14][15]。 最大可满足性问题(Maximum  Satisfiability Problem,简称MaxSAT问题)是SAT问题的一种重要的优化形式,该问题的目标是找到一组赋值使得可满足的子句数目最多[16]MaxSAT问题在生物信息学、统计物理、智能规划与调度、组合拍卖和概率推理等领域有着广泛的应用。图论中的最大割问题和最大团问题也可以转化为MaxSAT问题求解[17][18]。目前求解MaxSAT问题的算法主要分为精确算法和局部搜索算法两类。精确算法可以保证得到最优解,局部搜索算法往往只能得到近似解,但是由于局部搜索算法可以快速地找到一个次优解,因此对于大规模的问题实例,局部搜索算法有其重要的实际意义。精确算法的主要代表是分支定界算法,当前大多数MaxSAT问题求解器都是基于这一算法,如UPToolbarmaxsatzMiniMaxSAT、  Lazy、  PMSmaxsatzl-4icss [19][20][21][22][23]。经典的局部搜索算法有GSATWSATTSATNSAT[24][25][26][27]。 与最大可满足性问题相对的是最小可满足性问题(Minimum Satisfiability Problem,简称MinSAT问题),它是SAT 问题的另一种优化形式。与MaxSAT问题不同的是MinSAT问题需要找到一组赋值使得可满足的子句数目最少[28]。法国亚眠大学教授Li  Chumin指出MinSAT问题具有重要的研究意义:首先,很多实际问题可以转化为MinSAT问题进行求解,并且效果更佳;其次,MinSAT问题的精确算法有一个更好的下界。因此,近年来MinSAT问题的研究受到广大研究学者的关注。1994年,Rajeev  Kohli等人从理论上给出了第一个贪心算法求解近似MinSAT问题并证明了该算法是N近似算法[29]1996年,MVMarathe等通过将MinSAT问题近似规约到MinVC问题,并结合现有的求解MinVC问题的启发式算法从理论上提出了一种MinSAT问题的近似算法,并证明该算法是2近似算法[30]2005年,Adi AvidorUri Zwick给出了一种求解Min2-SAT问题和Min3-SAT问题的近似求解方法——半定规划[31]2010年,Zhu Zhu 等人给出了一种将MinSAT问题转换成MaxSAT问题编码的方法,从而可以通过求解相应的MaxSAT问题来求解MinSAT问题[32]2012年,Li  Chumin等人进一步给出了一种基于DPLL过程的MinSAT问题精确求解器MinSatz,该求解器通过将合取范式(Conjunctive  Normal  Form,简称CNF)转化成一个无向图,并且计算其最大团来获取MinSAT问题的启发式下界[33]。     需要指出的是,现有的MinSAT问题的精确求解器只能求解变量规模在100左右的MinSAT问题实例,求解的实例规模有限。现有的局部搜索算法中,  文献[29]采用的是贪心算法求解MinSAT问题,其在求解问题时总是做出在当前看来最好的选择,而不从整体最优上加以考虑,因此算法容易陷入局部最优;文献[30]和文献[32]采用的方法都是将MinSAT问题转换为其他问题,再利用其他问题的求解方法进行解决,其求解方法未结合MinSAT问题本身的信息,因此其求解效率有限;文献[31]给出的求解方法只能求解子句中最多包含2个和3个文字(literals)MinSAT问题实例,其求解范围有限。基于此,本文提出了加强式格局检测与子句加权局部搜索算法求解近似MinSAT问题。该算法在随机行走算法的基础上融入了子句加权策略,并根据MinSAT问题本身的特征对格局检测策略进行了加强。子句加权策略通过增加局部最优的代价,使得算法可以进一步找到隐藏在局部最优附近的更好的解,避免了在搜索过程中陷入局部最优;加强式格局检测策略通过考查MinSAT问题中变量的环境信息(即变量的格局),  减少了局部搜索中的循环问题,以此提高局部搜索算法的性能。实验结果表明,该算法在大规模实例中具有良好的表现,这也在一定程度上说明了加强式格局检测策略和子句加权策略的有效性。   本文的结构如下,第二章给出了本文用到的相关概念。第三章介绍了加强式格局检测与子句加权4  计  算  机  学  报  2016年  局部搜索算法。第四章给出了完备搜索算法、随机行走局部搜索算法、子句加权局部搜索算法、加强式格局检测与子句加权局部搜索算法的对比实验。第五章为本文的结论。 2相关概念 首先对文中出现的符号做出约定:v1v2,…表示布尔变量;l1,  l2,…表示文字(literals)c1c2,…表示子句;F1,  F2,…表示公式;  s,  s'表示解。 定义1. (解的邻域) V={v1,  v2,  …,  vn}是一个布尔变量(简称为变量)集合,定义在V上的解是一个函数F:  V{true,  false}。每个解可以用一个n元布尔向量表示,那么在V上存在2n个不同的解,所有的解构成了局部搜索算法的解空间。解s的邻域是只改变候选解s中任意一个布尔变量真值所形成解的集合。 定义2. (文字(literals)) 布尔变量及其否定统称为文字(literals)。设v是一个布尔变量,则称v和Øv是文字(literals)。当布尔变量v的真值为true时,文字(literals)  v的赋值为true,文字(literals)Øv的赋值为false;反之,当布尔变量v的真值为false时,文字(literals)v的赋值为false,文字(literals)Øv的赋值为true[34]。 定义3. (子句) 子句c= l1Úl2Ú,…,Úlk,其中l1l2,…,lk是文字(literals)。子句c可满足当且仅当在解s下至少有一个文字(literals)li(1£i£k)赋值为true。 定义4. (CNF范式) CNF范式F= c1Ùc2Ù…Ùci,其中c1c2,…ci是子句[35]。 定义5. (SAT问题)  SAT问题是指给定一个CNF范式F,判断F是否存在一个解s使得其真值为真,或者证明它永为假。如果存在一个解s使得F的真值为真,则称公式F是可满足的,否则是不可满足的[36]。 定义6.  (MinSAT问题) MinSAT问题是指给定一个CNF范式F,寻找F的一个解s*,使其满足f(s*)f(s),其中s表示解空间的任意一个解,函数f(s)表示在解sCNF范式F中可满足的子句数目[37][38]。 定义7. (邻居变量)  给定一个CNF范式F,变量v的邻居变量v'是与变量v存在于F中同一个子句c的变量,即NF(v)={v'|(vcÚØvc) Ù (v'cÚØv'c) Ù cF},其中NF(v)称为变量v的邻居变量集合。 定义8. (格局)  给定一个CNF范式FF的一个解s,设F中变量vk个邻居变量,变量v的格局是变量v的所有邻居变量的真值,它可以用一个k维向量a(v)={a1,  a2,…,  ak}表示,其中ai 是在解s下变量v的第i 个邻居变量的真值[30]3求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权局部搜索算法 本节给出了加强式格局检测与子句加权局部搜索算法近似求解MinSAT问题。算法在随机行走的框架基础上融入了子句加权策略,并根据MinSAT问题本身的特征在格局检测策略基础上进行了加强。它从一个解开始搜索,每一步根据子句加权策略和加强式格局检测策略获得的信息从当前解移动到其邻域中的一个解,以寻找一个更好的解。对于现有的MinSAT问题的局部搜索算法来说,因为其在搜索过程中只能保留当前局部信息,故经常会重复地移动到最近已经移动过的解,使得算法陷入局部最优,即f(s) f(s')(解s'是解s的邻域中局部搜索算法已经移动过的一个解,函数f(s)是在解sCNF范式F中可满足的子句数目),这不仅增加了算法的执行时间,也影响了算法的性能,因此,减少局部搜索中的循环问题对提高算法的效率具有重要的作用。本算法所采用的加强式格局检测策略就可以减少局部搜索中的循环问题;子句加权策略通过增加局部最优的代价,使得算法可以进一步找到隐藏在局部最优附近的更好的解。接下来将分别介绍这两个策略。 3.1 加强式格局检测策略 局部搜索算法在搜索中常重复地访问一些解,即出现循环现象,这不仅浪费了时间,也降低了算法的性能。另一方面,如果将之前访问过的解都记录下来,虽然可以避免循环现象的发生,但这不仅需要指数级的存储空间,也需要大量的时间去匹配检查。因此,如何占用较少的空间和时间以避免循环现象对提高算法性能具有重要的作用。格局检测(Configuration Checking,简称CC)策略和加强式格局检测(Strengthened Configuration Checking,简称STCC)策略就是采用有限的空间和时间有效地解决循环现象的方法。 格局检测策略是在2011 年由蔡少伟等人提出的[39],该策略在求解问题时考虑到了问题的环境信息(即格局)。如果格局未发生变化(图问题中的格局定义为点的环境,可满足性等问题中的格局定义为变量的环境),则仅该点或变量发生变化的赋值不能作为解:反之,如果格局发生了变化,则仅该点或变量发生变化的赋值可以作为解,算法可以向该解执行搜索。该策略避免了算法再次访问已经搜索过的解,因此可以有效减少循环现象的发生。该策略最初用于求解近似最小顶点覆盖问题[39];随后应用于求解近似SAT问题,基于该策略的SAT求解器获得了2012年国际SAT比赛随机组冠军,这也是迄今为止国内在该项比赛上获得的最论文在线出版号  No.172  周俊萍等:求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权算法  5  好成绩[40];之后该策略又成功应用于求解带有长子句的SAT 问题[41]MaxSAT问题[24]、部分MaxSAT问题上[42],集合覆盖问题[43],加权团问题[44],泛化顶点覆盖问题[45],基于该策略的MaxSAT求解器在2013年国际MaxSAT比赛随机组的4个问题类中获的了第一名;另外,  基于该策略的SAT 求解器也获得了2014 国际SAT 比赛Hard-combinatorial组亚军。因此,格局检测策略是一种可操作强、实现简单、额外开销小的策略,它对提高算法性能发挥了重要的作用。 加强式格局检测策略是格局检测的一种加强。其对格局检测策略的加强主要体现在:当MinSAT问题的环境信息(即格局)发生变化时,其仅该变量发生变化的赋值不一定能够作为候选解。只有当格局发生了变化并且格局的变化使得当前考查的子句由不可满足变为可满足时,其仅该变量发生变化的赋值才可以作为候选解并向该候选解搜索。因此,加强式格局检测策略是格局检测的加强,其具体实现方法是用格局表示变量的环境,并为每个变量设置一个格局变量,我们用confChange[v]表示变量v的格局变量。confChange[v]=0表示发生了以下两种情况之一:①变量v从上一次翻转(即变量v的真值由true 变为false 或者由false 变为true)后它的格局未发生变化;②变量v从上一次翻转后它的格局发生了变化,但格局的变化使得当前考查的子句由可满足变为不可满足。confChange[v]=1表示变量v从上一次翻转后它的格局发生了变化并且格局的变化使得当前考查的子句由不可满足变为可满足。加强式格局检测策略作为求解MinSAT问题的一种启发式。其基本原理是:如果变量v的格局在上次翻转后没有发生变化,即confChange[v]=0,那么就代表变量v的环境没有变化,算法不会选择变量v进行翻转,否则就很容易跳转到曾经搜索过的某个节点,从而在搜索中出现循环问题。如果变量v从上一次翻转后它的格局发生了变化,但格局的变化使得当前考查的子句由可满足变为不可满足,即confChange[v]=0,那么就代表变量v环境的变化很有可能增加了不可满足的子句的数目,这使得算法能进一步找到更好的解,因此算法不会选择变量v进行翻转。如果变量v从上一次翻转后它的格局发生了变化并且格局的变化使得当前考查的子句由不可满足变为可满足,即confChange[v]=1,那么就代表变量v环境的变化很有可能减少了不可满足的子句的数目,因此算法会选择变量v进行翻转。在局部搜索中,选择合适的变量翻转对提高算法的效率具有重要的意义。如果没有加强式格局检测,对于一般的局部搜索,在变量翻转的时候一般就是选择启发值最高的。换言之当格局没有发生变化的时候也允许翻转,这就很可能直接导致上次刚刚翻转的变量又被翻转回来。通过限制只允许格局发生变化且格局的变化使得当前考查的子句由可满足变为不可满足的变量翻转,这就会避免上述情况,因此加强格局检测策略在整个搜索过程中都具有重要的意义,由于格局的定义是在一般变量上定义的,因此对所有的变量翻转都具有意义。根据格局的定义,我们的加强格局检测策略是定义在任意变量上的,对变量没有任何约束要求,因此可以普遍应用于以后的任意MinSAT问题随机搜索算法中,从这个意义上讲,该策略对求解MINSAT问题具有一般性和完整性。 图1给出了MinSAT问题变量的格局变量的更新函数。该函数的输入参数为CNF范式FF中所有变量的集合V和待翻转的变量v。对于一个合取范式F,最初所有变量的格局变量confChange[v]都赋值为1。当变量v的真值发生了翻转(即flip(v)的返回值为真),则将变量v 的格局变量confChange[v]赋值为0并在变量集合V中删除变量v2-4行);然后检查F中每个子句真值的变化(5行):如果变量v真值的改变使得某一个子句c由可满足变为不可满足,那么同时存在于该子句c和变量集合V中的变量的格局变量赋值为0并在变量集合V中删除这些变量(6-9行);如果变量v真值的改变使得某一个子句c由不可满足变为可满足,那么同时存在于该子句c和变量集合V中的变量的格局变量赋值为1并在变量集合V中删除这些变量(10-13行)。 加强式格局检测策略对于MinSAT问题的局部搜索求解算法来说很有必要并且效果显著,由于格局变量的取值是由以前的搜索路径决定的,因此它可以指导搜索状态的转移,并且能够从备选的搜索状态中去除一些没有必要进行的搜索,进而减小搜索空间,缩短算法的执行时间。 3.2 子句加权策略 子句加权策略是一种多样性搜索策略,其在SATMaxSAT等问题的局部搜索算法中被广泛应用。它实际上是将问题的自身结构信息量化为权值,搜索过程中对权值进行调整,从而防止算法陷入局部最优。子句加权策略应用在MinSAT问题的基本思想是:对公式F中的每个子句都赋予一个权值1MinSAT问题求解算法在搜索过程中一旦陷入局部最优就增加在当前解下可满足子句的权值,6  计  算  机  学  报  2016年  这使得算法能进一步找到隐藏在局部最优附近更好的解。为了估计待搜索的解s与其邻域解的重要程度,我们给出了解的评价函数cost(Fs),定义它为在解s 下所有可满足子句的权值之和,对于MinSAT问题来说解的评价函数越小则表示该解越好。为了判断解s与其邻域解的好坏,算法引入函数dscore(v),定义它为解s与其邻域中一个解s'的评价函数之差,如果他们的差值大于0,则说明解s'优于s;反之,则说明搜索过程陷入局部最优。接下来我们分别给出评价函数cost(Fs)和函数dscore(v)的计算公式。 (1)评价函数cost(Fs)( ( ))cos ( , ) ( )c satisfied C st F s w cÎ= å 其中satisfied(C(s))表示在解s下所有满足子句的集合,w(c)表示子句c的权值。      (2)函数dscore(v)( ) cos ( , ) cos ( , ') dscore v t F s t F s =- 其中cost(Fs)表示解s的评价函数,解s'是只翻转解s中变量v的真值后所形成的解。 显然,对公式F中的每个变量v 都对应一个dscore(v)。如果在公式F中至少存在一个变量vdscore(v)>0,则说明在解s的邻域中至少有一个解s'要优于s。如果dscore(v)越大(其中dscore(v)>0),则在解s'(只改变解s中变量v的真值后形成的解)下可满足子句的权值之和越小,也在一定程度上说明了在解s'下可满足子句的个数越少,则表示在搜索空间中解s' 优于解s 的程度越高。如果dscore(v)£0,则表示解s邻域中的所有解均差于解s,此时对解s下的可满足子句的权值加1,然后重新计算每个变量vdscore(v)。这时我们发现增加可满足子句的权值后,局部最优的代价也发生了改变,这使得算法能够进一步找到隐藏在局部最优附近更好的解,这也体现了一种搜索的多样性。                      Function UpdateconfChange(F, V, v) 1begin 2:  if (flip(v)) 3:      confChange[v]=0; 4:      remove v from V; 5:      for each clause cÎF 6:            if (SATtoUnSAT(c)) 7:                for each v'Î c and v'ÎV 8:                    confChange[v']=0; 9:                    remove v' from V; 10:            if (UnSATtoSAT(c)) 11:                for each v'Î c and v'ÎV 12:                    confChange[v']=1; 13:                        remove v' from V; 14:  end 1 格局变量更新函数UpdateconfChange 3.3 加强式格局检测与子句加权局部搜索算法 本节将详细介绍求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权局部搜索算法  (Strengthened Configuration  Checking  and  Clause  Weighting  Local Search,  STCCCWLS),该算法在随机行走的框架基础上融入了子句加权策略,并根据MinSAT问题本身的特征对格局检测策略进行了加强。加强式格局检测策略可以减少局部搜索中的循环问题;子句加权策略通过增加局部最优的代价,使得算法可以进一步找到隐藏在局部最优附近的更好的解。图2给出了STCCCWLS算法的基本框架。 首先介绍算法STCCCWLS中的符号:cla表示当前最小满足子句数;CSC(s)表示一个函数,该函数计算在解s 下可满足的子句数;csc 表示函数CSC(s)的返回结果;confChange[v]表示变量v的格局变量;tmax表示算法最大运行时间。算法首先初始化变量cla1行)、所有子句的权值(2行)、以及所有变量的格局变量confChange[v] 3行);其次以等概率赋值的方式随机产生一个解s4行);然后调用CSC(s)函数计算在当前解下可满足的子句数(5行),如果当前最小满足子句数cla小于解s下的可满足的子句数csc,那么更新当前最小满足子句数cla6-7行)。接下来算法进入一个循环过程(8 行),在每次循环中首先更新所有变量的dscore(v)函数(9行),如果存在一个不为空的变量集合G,其中该变量集合中任意变量的dscore(v)函数的值都大于0 并且该变量的格局变量confChange[v]=1,则以p0p1)的概率翻转变(1) (2) 论文在线出版号  No.172  周俊萍等:求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权算法  7  量集合G中具有最大dscore(v)函数值的变量v,以1-p的概率随机选择一个变量进行翻转(10-13行),更新解并计算当前解下可满足子句的数目(14-15行),如果当前最小满足子句数cla小于解s下的可满足的子句数csc,那么更新当前最小满足子句数cla16-17 行),然后调用格局变量更新函数UpdateconfChange(FVv)(如图1所示)(18行)。如果没有找到格局变量confChange[v]=1 并且dscore(v)值为正数的变量(19 行),则将所有可满足的子句的权值都增加120-21行),停止此次循环(22行)。最后算法返回解s和在解s下最小可满足子句数cla23行)。 3.4 相关算法的比较 近年来,格局检测和子句加权策略已经广泛应用于SAT 问题的近似求解中,其求解器也在国际SAT比赛中获得了优异的成绩。这里对这些算法与本文算法做简单的比较。 参考文献[46]中提出了局部搜索算法用于求解SAT问题,其中使用的方法与本文提出的有相近之处。两者算法的区别主要体现在三个方面:a.  格局检测策略的使用。文献[46]中使用了格局检测策略,其基本思想在于:当点或变量的环境信息未发生变化,则仅该点或变量发生变化的赋值不能作为解;反之,当点或变量的环境信息发生了变化,则仅该点或变量发生变化的赋值就作为解算法向其进行搜索。而本文中使用的加强式格局检测策略,其基本思想在于:当点或变量的环境信息未发生变化,则仅该点或变量发生变化的赋值不能作为解(此与格局检测的思想相同);反之,当点或变量的环境信息发生了变化,其仅该变量发生变化的赋值不一定能够作为解。只有当格局发生了变化并且格局的变化使得当前考查的子句由不可满足变为可满足时,其仅该变量发生变化的赋值才可以作为解并向该解搜索。b.  子句加权策略的使用。文献[46]中给出了三种近似求解SAT问题的算法,这三种算法实际上都使用了子句加权策略,其子句权值的初始设置都与本文相同,但由于SAT问题本身问题的求解特征,其权值的调整方法与本文的算法不同,在文献[46]中算法Swcc是对解s下的不可满足子句的权值加1;算法Swcca是当所有子句权值的平均值大于一个临界值时,根据公式w(ci)=ër. w(ci)û + ë(1-r). w(ci)û(其中ci 表示第i 个子句,w(ci)表示子句的权值,r是一个0<r<1的常数)更改各子句的权值;否则,对解s下的不可满足子句的权值加1;算法CCAsubscore是当所有子句权值的平均值大于一个临界值时,根据公式w(ci)=ër. w(ci)û + ë(1-r). w(ci)û(其中ci 表示第i 个子句,w(ci)表示子句的权值,r是一个0<r<1的常数)更改各子句的权值;否则,对解s下的所有权值大于1的可满足子句的权值以概率sp减小1,对解s下的不可满足子句的权值加1。而本文所使用的子句加权策略根据MinSAT问题近似求解的特征其权值调整的方法不同,本文的调整方法仅是对解s下的可满足子句的权值加1c.  算法框架的使用。文献[46]的三个算法都是在基本的局部搜索算法基础上给出的,而本文的算法是在随机行走算法的基础上给出的。 文献[47]与本文的算法都使用了格局检测策略并且都是在随机行走的算法框架基础上生成的。文献[47]的算法与本文的算法的区别体现在以下两个方面:a. 格局检测策略的使用。文献[47]格局检测策略中格局的定义是在子句的取值基础上给出的,本文中所使用的格局的定义是在变量的取值基础上给出的;文献[47]使用格局检测策略的目的是调整ConfTime(x)的取值,本文使用加强式格局检测策略的目的是直接用作算法的启发式。b. 子句加权策略的使用。文献[47]的算法未使用子句加权策略而采用打分函数用于实现贪心式搜索;本文的算法通过使用子句加权策略以实现多样性搜索。 文献[48]与本文的算法都使用了格局检测策略和子句加权策略。两者的区别体现在:a. 格局检测策略的使用。文献[48]的算法采用的是标准的格局检测策略;而本文采用的是加强式格局检测策略。b. 子句加权策略的使用。文献[48]的算法实际上也是使用了子句加权策略,其子句权值的初始设置都与本文相同,但由于SAT 问题本身问题的求解特征,其权值的调整方法与本文的算法不同;文献[48]的算法对解s下的所有权值大于1的可满足子句的权值以sp概率减小1,对解s下的不可满足子句的权值以(1-sp)概率加1;而本文的调整方法仅是对解s下的可满足子句的权值加1。 由于文献[46][47][48]与本文处理的是两种不同的问题,文献[46][47][48]处理的SAT问题,当算法尽可能找到一组使得所有子句均满足的赋值即可停止;而本文处理的MinSAT问题,该问题是SAT问题的优化,当算法找到一组使得不满足的子句数目尽可能最多的赋值才可停止。文献[46][47]  [48]和本文处理的问题虽然具有相似性,这也就说明了为什么算法采用的策略大体相同,但是由于问题本身的求解具有不同的特征,因此,算法采用的具体策略又存在区别。  Algorithm STCCCWLS(F). Inputa CNF-formula F. Outputa solution s, and the number of satisfied clauses cla in s. 1:      cla¬+¥; 2:     initialize the weight of each clause as 1; 3:     initialize confChange[v] as 1for each variable v; 8  计  算  机  学  报  2016年  4:     S¬randomly generate a solution; 5:      csc ¬ CSC(s); 6:      if csc < cla, then 7:             cla¬csc; 8:     while (t < tmax) do 9:           compute dscore(v) for each variable v; 10:           if(G={v|dscore(v)>0&confChange[v]=1}≠F), then 11:                   choose the variable v with the largest dscore(v) from G; 12:                   flip the truth value of variable v in s as the p; 13:                   flip the truth value of a random variable in s as the 1-p; 14:                   update the solution s; 15:                   csc¬CSC(s); 16:                   if csc < cla, then 17:                           cla¬csc; 18:                   UpdateconfChange(F,V,v); 19:           else 20:                   for each satisfied clause ci; 21:                   w(ci)¬w(ci)+1; 22:   endwhile 23:   return cla and s; 2 STCCCWLS算法的基本框架  表1 STCCCWLS算法与MinSatz算法在随机实例上的比较 实例 MinSatz STCCCWLS    实例 MinSatz STCCCWLS #var C/V  #cla  #cla  #var C/V  #cla  #cla 50      4.0  139.33  139.33  175    4.3  —  552.84 75      4.0  208.73  210.67  200    4.3  —  642.30 100    4.0  279.28  285.55  225    4.3  —  712.26 125    4.0  348.80  360.40  250    4.3  —  794.58 150    4.0  —  435.60  50      5.0  172.68  180.02 175    4.0  —  512.03  75      5.0  261.6  271.66 200    4.0  —  588.10  100    5.0  357.84  365.90 225    4.0  —  667.13  125    5.0  —  459.48 250    4.0  —  741.93  150    5.0  —  556.60 50      4.3  154.00  154.22  175    5.0  —  650.9 75      4.3  229.44  231.94  200    5.0  —  750.20 100    4.3  302.90  309.45  225    5.0  —  844.52 125    4.3  372.00  390.38  250    5.0  —  942.4 150    4.3  —  474.15      —      4实验比较 本节将实验分成两个部分,第一部分比较了加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS算法)与精确算法(MinSatz算法)在随机实例、RB模型实例以及工业化实例上的性能,从而说明STCCCWLS算法的有效性。第二部分比较了加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(Strengthened  Configuration  Checking  and  Clause Weighting Local Search, STCCCWLS)、随机行走局部搜索算法(Random Walk Local Search, RWLS)、子句加权局部搜索算法(Clause  Weighted  Local SearchCWLS)、加强式格局检测局部搜索算法(Strengthened Configuration  Check  Local  SearchSTCCLS)、标准格局检测与子句加权局部搜索算法(Standard  Configuration  Check  and  Clause Weighted Local SearchSCCCWLS)在随机实例、RB模型实例以及工业化实例上的性能,从而说明子句加权策略以及加强式格局检测策略的有效性。随机行走局部搜索算法(RWLS)是在1992年由Bart Selman等人提出的[13],该算法在求解SATMaxSAT等问题上产生了深远的影响,之后出现了许多基于该算法的改进策略,例如目前在近似SAT问题难解区域求解效率最高的调查传播算法就是基于随机行走局部搜索算法的改进算法[49]。子句加权局部搜索算法(CWLS)是一种以SATMinSAT等问题的自身结构信息作为启发信息的近似求解算法,它将问题自身的结构信息量化为子句权值并采用子句加权来优化决策策略。目前该类算法已经成功求解了近似SATMaxSAT等问题[42][46]。本节实验所用的计算机为Intel(R)  Xeon(R)  CPU2.4GHz2G 内存,操作系统为Linux(版本号为2.6.18-164.el5PAE)。 4.1 实验数据集 本文的实验使用了三种数据集,分别是随机实例、RB模型实例和工业化实例。 (1)随机实例 本文使用的随机实例中每个子句都包含3个文字(literals),并采用了子句数与变量数比值分别为4.04.35.0的三组实例,实例采用的变量个数分别为5075100125150175200250。实例中变量出现在每个子句中的概率是相同的,变量取真或假的概率也是一样的。因为子句数与变量数论文在线出版号  No.172  周俊萍等:求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权算法  9  比值在4.05.0之间的实例是3-SAT问题的相变区域,因此这些实例的求解是困难的。 (2RB模型实例 2000年,北京航空航天大学的许可教授在JAIR上首次提出了RB模型,RB模型具有精确的相变点,可以生成难解的实例。本文所有的RB模型的数据实例均下载于Ke Xu主页1,这些实例都在相变点附近,具有一定的求解难度,可以有效验证算法的性能。 (3)工业化实例 由于求解SAT问题、MinSAT问题和MaxSAT问题的输入文件格式是完全相同的,所以,本文还采用了2009MaxSAT问题比赛中的工业化实例数据,这些工业化数据都是结构化的难解实例。 4.2 STCCCWLS算法与MinSatz算法的比较 为了说明STCCCWLS算法的准确性,本小节比较了STCCCWLS算法和MinSatz算法在随机实例、RB模型实例以及工业化实例上的性能。MinSatz算法是2010年由法国学者Li Chumin提出的,它是一种基于DPLL过程的精确算法,能够给出MinSAT实例准确的最小不可满足子句的数目,其求解器来源于Li Chumin教授。STCCCWLS算法是本文给出的一种基于加强式格局检测与子句加权的局部搜索算法,其求解器使用C++语言进行编码实现。表1给出了STCCCWLS算法和MinSatz算法在随机实例上的比较结果。表1#var表示实例中变量的个数;C/V表示实例中子句数量与变量数量的比值。在表1中的每组实验,采用了50小组随机实例,然后将这些结果的平均值作为实验结果。表1 #cla 表示该算法计算出来的可满足子句的最小数量;―—‖表示算法在程序规定的时间内没有计算出对应实例的结果。实验中算法MinSatz的最大运行时间为6小时,算法STCCCWLS的运行时间为近似解在1/6小时内不发生变化时停止。对于RB模型实例以及工业化实例,MinSatz算法在给定的时间无法得到问题的解,而本文所提算法均能得到所求问题的近似最优解,  实验结果将在4.3节介绍。 从表1可以看出,对于子句数与变量数比值分别为4.0、变量数量在100个以内的随机数据实例,精确求解器MinSatz在最大运行时间6小时内计算出了准确的结果。当变量的个数增长到150个及以上时,精确求解器MinSatz不能够在规定运行时间内计算出结果,这是由于精确算法的时间复杂度是                                                                 1  http://www.nlsde.buaa.edu.cn/~kexu/ 随着实例中变量个数的增加呈指数级增长的。对于STCCCWLS 算法,随着实例中变量个数的增加STCCCWLS 算法仍然可以有效地求解,并且STCCCWLS算法求得的结果很接近MinSatz 求解器求得的精确解,对于变量个数为50,子句个数与变量个数比值C/V4.0的实例,STCCCWLS算法求得的结果与MinSatz求解器求得的结果仅相差0.1%,这也说明了STCCCWLS算法的有效性  4.3 局部搜索算法的比较   为了说明子句加权策略和加强式格局检测策略的有效性,本小节比较了随机行走局部搜索算法(RWLS)、子句加权局部搜索算法(CWLS)、加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS)、标准格局检测与子句加权局部搜索算法(Standard Configuration  Check  and Clause  Weighted  Local SearchSCCCWLS)和加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS)在随机实例、RB模型实例以及工业化实例上的性能。随机行走局部搜索算法(RWLS)是以概率p (0<p<1)选择一个最优的变量进行翻转,使得不满足的子句数量最多;以1-p (0<p<1)的概率随机地选择一个变量进行翻转。子句加权局部搜索算法(CWLS)是在随机行走局部搜索算法的基础上加入了子句加权策略,使得算法能够进一步找到隐藏在局部最优附近更好的解。加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS)是在随机行走局部搜索算法的基础上加入了加强式格局检测策略,使得算法能够尽可能的减少循环搜索现象。标准格局检测与子句加权局部搜索算法(SCCCWLS)是在子句加权局部搜索算法上加上标准的格局检测策略,使得算法能够尽可能的减少循环搜索现象。加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS)即为本文给出的算法。这几种算法所对应的求解器都是采用C++语言进行编码实现的。 表2 RWLSCWLS算法在随机实例上的对比 实例  RWLS  CWLS #var   C/V  #cla  #cla 50        4.0  150.20  139.37 75        4.0  233.30  211.63 100      4.0  285.72  287.03 125      4.0  403.03  362.33 150      4.0  486.77  440.87 10  计  算  机  学  报  2016年  175      4.0  572.30  519.70 200      4.0  588.70  597.20 225      4.0  666.47  678.07 250      4.0  741.00  754.03 100      4.3  343.35  310.85 150      4.3  526.47  478.25 200      4.3  715.05  645.40 100      5.0  401.65  367.35 150      5.0  615.25  562.05 200      5.0  834.25  759.85  4.3.1 局部搜索算法在随机实例上的比较 本小节在随机实例上做了四个对比实验,第一个实验比较了随机行走局部搜索算法(RWLS)和子句加权局部搜索算法(CWLS),该实验用于说明子句加权策略的有效性;第二个实验比较了随机行走局部搜索算法(RWLS)和加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS),该实验用于说明加强式格局检测策略的有效性;第三个实验比较了子句加权局部搜索算法(CWLS)、加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS)和加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS),该实验用于说明子句加权策略和加强式格局检测策略结合的必要性;第四个实验比较了标准格局检测与子句加权局部搜索算法(SCCCWLS)和加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS),该实验用于说明加强式格局检测的优越性。表2、表3、表4和表5分别给出了以上四个实验的比较结果。在这四个表中,#var表示实例中变量的个数,C/V表示实例中子句数量与变量数量的比值,#cla表示相应算法计算50 个随机实例所得到的最小可满足子句数量的平均值,所有算法的运行时间为近似解在1/6小时内不发生变化时停止。 表3 RWLSSTCCLS算法在随机实例上的对比 实例  RWLS  STCCLS #var    C/V  #cla  #cla 50        4.0  150.20  139.40 75        4.0  233.30  212.27 100      4.0  285.72  288.83 125      4.0  403.03  366.17 150      4.0  486.77  443.60 175      4.0  572.30  520.93 200      4.0  588.70  600.87 225      4.0  666.47  680.87 250      4.0  741.00  758.10 100      4.3  343.35  313.00 150      4.3  526.47  481.65 200      4.3  715.05  650.20 100      5.0  401.65  369.95 150      5.0  615.25  566.00 200      5.0  834.25  767.15  4 CWLSSTCCLSSTCCCWLS算法在随机实例上的对比 实例  CWLS  STCCLS  STCCCWLS #var    C/V  #cla  #cla  #cla 50       4.0  139.37  139.40  139.33 75        4.0  211.63  212.27  210.67 100      4.0  287.03  288.83  285.55 125      4.0  362.33  366.17  360.40 150      4.0  440.87  443.60  435.60 175      4.0  519.70  520.93  512.03 200      4.0  597.20  600.87  588.10 225      4.0  678.07  680.87  667.13 250     4.0  754.03  758.10  741.93 100      4.3  310.85  313.00  309.45 150      4.3  478.25  481.65  474.15 200      4.3  645.40  650.20  638.45 100      5.0  367.35  369.95  365.90 150      5.0  562.05  566.00  556.60 200      5.0  759.85  767.15  750.20  5 SCCCWLSSTCCCWLS算法在随机实例上的对比 实例  SCCCWLS  STCCCWLS #var    C/V  #cla  #cla 50        4.0  139.37  139.33 75        4.0  211.30  210.67 100      4.0  286.97  285.55 125      4.0  362.40  360.40 150      4.0  437.97  435.60 175      4.0  514.67  512.03 200      4.0  593.03  588.10 225      4.0  672.13  667.13 250      4.0  747.87  741.93 100      4.3  310.60  309.45 150      4.3  476.15  474.15 论文在线出版号  No.172  周俊萍等:求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权算法  11  200      4.3  642.30  638.45 100      5.0  366.80  365.90 150      5.0  558.70  556.60 200      5.0  753.35  750.20  从表2 可以看出,在随机行走局部搜索算法(RWLS)中加入了子句加权策略后得到的子句加权局部搜索算法(CWLS)在15个例子的实验结果上有11个实验结果比RWLS算法有提升,这也说明了子句加权策略起到了重要的作用。其原因是在使用子句加权策略时,MinSAT问题求解算法在搜索过程中一旦陷入局部最优就增加在当前解下可满足子句的权值,这使得每个变量的打分进行了更行,从而算法能够有效的跳出局部最优,进一步找到隐藏在局部最优附近更好的解。表3的实验结果显示了加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS)的大部分实验结果要优于随机行走局部搜索算法(RWLS),这也说明了加强式格局检测策略的有效性。其原因是加强式格局检测策略考虑了变量的环境信息,尽可能的减少了局部搜索算法中的循环问题,进而提高了算法的性能。从表4可以看出,子句加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS)的实验结果要优于加权局部搜索算法(CWLS)和加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS)的实验结果,对于这三个算法,在15个例子上STCCCWLS的结果都是最优的,实验结果表明加强式格局检测策略和子句加权策略的结合是有必要性的。从表5可以看出,加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS)的实验结果要优于标准格局检测与子句加权局部搜索算法(SCCCWLS),原因在于标准格局检测对变量的限制更为宽松,使得在搜索过程中容易漏掉一些较好的解,这也是本文采用加强式格局检测的原因。综上所述,通过表2,表3,表4和表5的实验结果对比,证明了STCCCWLS算法在随机实例上的有效性。 4.3.2 局部搜索算法在RB模型实例上的比较 本小节在RB模型实例上做了对比实验,实验中采用的对比算法有随机行走局部搜索算法(RWLS)、子句加权局部搜索算法(CWLS)、加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS)、标准格局检测与子句加权局部搜索算法(SCCCWLS)和加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS)。所有算法的运行时间为近似解在1/6小时内不发生变化时停止。表6给出了对比实验的结果,从表6可以看出,对于RB模型实例来说随机行走局部搜索算法(RWLS)、子句加权局部搜索算法(CWLS)、加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS)、标准格局检测与子句加权局部搜索算法(SCCCWLS)和加强式格局检测与子句加权的局部搜索算法(STCCCWLS)的求解效率相当,都可以求得较好的解,这几种算法都设置了相应的策略可以使算法跳出局部最优,例如,RWLS算法和STCCLS算法通过以1-p (0<p<1)的概率随机地选择一个变量进行翻转的方式跳出局部最优,CWLS算法、SCCCWLS算法和STCCCWLS算法通过采用子句加权策略跳出局部最优,因此这三种算法可以得到较优的解。 表6 RWLSCWLSSCCCWLSSTCCLSSTCCCWLS算法在RB模型实例上的对比 实例 RWLS CWLS STCCLS SCCCWLS STCCCWLS #cla  #cla  #cla  #cla  #cla frb30-15-1  30  30  30  30  30 frb30-15-2  30  30  30  30  30 frb30-15-3  30  30  30  30  30 frb30-15-4  30  30  30  30  30 frb30-15-5  30  30  30  30  30 frb35-17-1  35  35  35  35  35 frb35-17-2  35  35  35  35  35 frb35-17-3  35  35  35  35  35 frb35-17-4  35  35  35  35  35 frb35-17-5  35  35  35  35  35 frb40-19-1  40  40  40  40  40 frb40-19-2  40  40  40  40  40 frb40-19-3  40  40  40  40  40 frb40-19-4  40  40  40  40  40 frb40-19-5  40  40  40  40  40 frb45-21-1  45  45  45  45  45 frb45-21-2  45  45  45  45  45 frb45-21-3  45  45  45  45  45 frb45-21-4  45  45  45  45  45 frb45-21-5  45  45  45  45  45 frb50-23-1  50  50  50  50  50 frb50-23-2  50  50  50  50  50 frb50-23-3  50  50  50  50  50 frb50-23-4  50  50  50  50  50 12  计  算  机  学  报  2016年  frb50-23-5  50  50  50  50  50 frb53-24-1  53  53  53  53  53 frb53-24-2  53  53  53  53  53 frb53-24-3  53  53  53  53  53 frb53-24-4  53  53  53  53  53 frb53-24-5  53  53  53  53  53 frb56-25-1  56  56  56  56  56 frb56-25-2  56  56  56  56  56 frb56-25-3  56  56  56  56  56 frb56-25-4  56  56  56  56  56 frb56-25-5  56  56  56  56  56 frb59-26-1  59  59  59  59  59 frb59-26-2  59  59  59  59  59 frb59-26-3  59  59  59  59  59 frb59-26-4  59  59  59  59  59 frb59-26-5  59  59  59  59  59  7 RWLSCWLS算法在工业化实例上的对比 实例 RWLS  CWLS #cla  #cla s15850-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 39499  38976 c3_DD_s3_f1_e1_v1-bug-fourvec-gate-0.dimacs.seq.filtered 66730  65969 c3_DD_s3_f1_e1_v1-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 16547  16361 c5_DD_s3_f1_e1_v1-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 53382  52751 c5315-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 3827  3627 c6288-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 7165  5395 c7552-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 5312  5180 mot_comb1._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 3783  3698 mot_comb2._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 10143  9902 mot_comb3._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 22470  20840     8 RWLSSTCCLS算法在工业化实例上的对比 实例 RWLS  STCCLS #cla  #cla s15850-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 39499  39023 c3_DD_s3_f1_e1_v1-bug-fourvec-gate-0.dimacs.seq.filtered 66730  65994 c3_DD_s3_f1_e1_v1-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 16547  16408 c5_DD_s3_f1_e1_v1-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 53382  52839 c5315-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 3827  3673 c6288-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 7165  5702 c7552-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 5312  5194 mot_comb1._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 3783  3700 mot_comb2._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 10143  9918 mot_comb3._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 22470  21020 4.3.3 局部搜索算法在工业化实例上的比较 本小节在工业化实例上也做了四个对比实验,第一个实验比较了随机行走局部搜索算法(RWLS)和子句加权局部搜索算法(CWLS),该实验用于说明子句加权策略的有效性;第二个实验比较了随机行走局部搜索算法(RWLS)和加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS),该实验用于说明加强式格局检测策略的有效性;第三个实验比较了子句加权局部搜索算法(CWLS)、加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS)和加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS),该实验用于说明子句加权策略和加强式格局检测策略结合的必要性;第四个实验比较了标准格局检测与子句加权局部搜索算法(SCCCWLS)和加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS),该实验用于说明加强式格局检测的优越性。所有算法的运行时间为近似解在1/6小时内不发生变化时停止。表7、表8、表9和表10分别给出了以上四个实验的比较结果。 从表7 可以看出子句加权局部搜索算法(CWLS)的实验结果明显优于随机行走局部搜索算法(RWLS)的实验结果,在c6288-bug-gate-0.dim- acs.seq.filtered 实例上所计算出的最小可满足子句的个数减少了将近2000个,这也说明了子句加权策略起到了重要的作用。表8的实验结果显示了加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS)的实验结果要优于随机行走局部搜索算法(RWLS),在c6288-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 实例上计算出的最小可满足子句的个数也减少了将近1500个,这也说明了加强式格局检测策略的有效性。从表9可以看出,子句加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS)的实验结果要优于加权局部搜索算法(CWLS)和加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS)的实验结果,实验结果表明加强式格局检测策略和子句加权策略的结合是有必要性的。从表10 可以看出,加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS)的实验结果要优于标准格局检测与子句加权局部搜索算法(SCCCWLS),这也是本文采用加强式格局检测的原因。综上所述,通过表7,表8,表9和表10的实验结果对比,证明了STCCCWLS算法在工业化实例上的有效性。  表9 CWLSSTCCLSSTCCCWLS算法在工业化实例上的对比 实例  CWLS STCCLS STCCCWLS 论文在线出版号  No.172  周俊萍等:求解MinSAT问题的加强式格局检测与子句加权算法  13  #cla  #cla  #cla s15850-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 38976  39023  38386 c3_DD_s3_f1_e1_v1-bug-fourvec-gate-0.dimacs.seq.filtered 65969  65994  65467 c3_DD_s3_f1_e1_v1-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 16361  16408  16282 c5_DD_s3_f1_e1_v1-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 52751  52839  52659 c5315-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 3627  3673  2518 c6288-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 5395  5702  5068 c7552-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 5180  5194  4169 mot_comb1._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 3698  3700  2941 mot_comb2._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 9902  9918  7478 mot_comb3._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 20840  21020  19095  4.3.4统计检验      为了对比随机行走局部搜索算法(RWLS)、子句加权局部搜索算法(CWLS)、加强式格局检测局部搜索算法(STCCLS)、标准格局检测与子句加权局部搜索算法(SCCCWLS)和加强式格局检测与子句加权局部搜索算法(STCCCWLS)的性能,本小节使用了假设检验中的秩和检验(结果在表11中给出)。从表11可以看出,在给定的显著性水平下(α=0.01),我们所选的具有代表性的实例中的大部分实例  STCCCWLS 算法性能显著优于其他算法。  表10 SCCCWLSSTCCCWLS算法在工业化实例上的对比 实例 SCCCWLS STCCCWLS #cla  #cla s15850-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 38798  38386 c3_DD_s3_f1_e1_v1-bug-fourvec-gate-0.dimacs.seq.filtered 66004  65467 c3_DD_s3_f1_e1_v1-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 16414  16282 c5_DD_s3_f1_e1_v1-bug-onevec-gate-0.dimacs.seq.filtered 52864  52659 c5315-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 2534  2518 c6288-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 4821  5068 c7552-bug-gate-0.dimacs.seq.filtered 4488  4169 mot_comb1._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 3043  2941 mot_comb2._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 7858  7478 mot_comb3._red-gate-0.dimacs.seq.filtered 19028  19095  11  各算法的成对单边Wilcoxon秩和检验的P值 实例 STCCCWLS_ VS_ RWLS STCCCWLS_ VS_ CWLS STCCCWLS_ VS_ STCCLS STCCCWLS_   VS_ SCCCWLS #var   C/V #cla  #cla  #cla  #cla 100 4.0  9.17E-01  6.79E-04  4.77E-03  1.28E-01 150 4.0  2.80E-11  2.97E-07  2.86E-11  4.59E-02 200 4.0  5.99E-01  1.27E-10  1.03E-10  3.56E-04 100 4.3  2.61E-11  2.61E-11  2.61E-11  2.61E-11 150 4.3  2.69E-11  2.69E-11  2.69E-11  2.69E-11 200 4.3  9.17E-01  9.17E-01  9.17E-01  9.17E-01 100 5.0  2.61E-11  2.61E-11  2.61E-11  2.61E-11 150 5.0  2.69E-11  2.69E-11  2.69E-11  2.69E-11 200 5.0  9.17E-01  9.17E-01  9.17E-01  9.17E-01  6结论 本文提出了加强式格局检测与子句加权局部搜索算法来求解MinSAT问题,格局检测策略和子句加权策略在求解SAT 和最小顶点覆盖问题中已经表现出较好的求解效果,本文在随机行走算法的基础上融入了子句加权策略,并根据MinSAT问题本身的特征对格局检测策略进行了加强。加强式格局检测策略可以减少局部搜索中的循环问题,以此提高局部搜索算法的性能;子句加权策略通过增加局部最优的代价,使得算法可以进一步找到隐藏在局部最优附近的更好的解。实验结果表明,该算法能够有效求解MinSAT问题,在大规模实例中具有良好的表现,这也在一定程度上说明了加强式格局检测策略和子句加权策略的有效性。 参  考  文  献 [1]  Gu  J,  Purdom  P  W,  Franco  J,  et  al.  Algorithms  for  the satisfiability(SAT) problem: a survey . 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Her current research interests are design and analysis of algorithms. YIN  Ming-Hao,  born  in  1979,  Ph.D.,  professor,  Ph.D. supervisor.  His  current  research  interests  are  intelligent planning and automated reasoning.  Background The  maximum  satisfiability  problem  (MaxSAT)  has became  a  popular  research  field,  which  has  a  relative problem—  minimum  satisfiability  problem  (MinSAT).  When solving some combinatorial optimization problems, converting them  to  MinSAT  is  faster  than  converting  them  to  MaxSAT. Therefore,  we  propose  a  local  search  algorithm  with strengthened configuration  checking  and  clause  weighting  to solve  MinSAT.  The  experimental  results  show  that  the strengthened configuration checking and clause weighting local search algorithm can solve MinSAT effectively, and it has good performance in the large-scale instances.  This  paper  is supported  by  the  National  Natural  Science Foundation of China under Grant No.61370156, No. 61403076, and No. 61403077, Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education No. 20120043120017 and Program  for New Century  Excellent  Talents  in  University  No.  NCET-13-0724.  16  计  算  机  学  报  2016年  The  research  project  aims  at  discussing  some  combinatorial problems,  the  combinatorial  problems  can  be  solved  by converting to MinSAT, so that new algorithms can be designed. Discussing  the  algorithm  and  complexity  of MinSAT and  its sub problems is one part of contents for the project.   

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