SOLVING TWO-LEVEL OPTIMIZATION PROBLEMS WITH APPLICATIONS TO ROBUST DESIGN AND ENERGY MARKETS

This dissertation provides efficient techniques to solve two-level optimization problems. Three specific types of problems are considered. The first problem is robust optimization, which has direct applications to engineering design. Traditionally robust optimization problems have been solved using an inner-outer structure, which can be computationally expensive. This dissertation provides a method to decompose and solve this two-level structure using a modified Benders decomposition. This gradient-based technique is applicable to robust optimization problems with quasiconvex constraints and provides approximate solutions to problems with nonlinear constraints. The second types of two-level problems considered are mathematical and equilibrium programs with equilibrium constraints. Their two-level structure is simplified using Schur's decomposition and reformulation schemes for absolute value functions. The resulting formulations are applicable to game theory problems in operations research and economics. The third type of two-level problem studied is discretely-constrained mixed linear complementarity problems. These are first formulated into a two-level mathematical program with equilibrium constraints and then solved using the aforementioned technique for mathematical and equilibrium programs with equilibrium constraints. The techniques for all three problems help simplify the two-level structure into one level, which helps gain numerical and application insights. The computational effort for solving these problems is greatly reduced using the techniques in this dissertation. Finally, a host of numerical examples are presented to verify the approaches. Diverse applications to economics, operations research, and engineering design motivate the relevance of the novel methods developed in this dissertation

Algorithm Engineering in Robust Optimization

Robust optimization is a young and emerging field of research having received a considerable increase of interest over the last decade. In this paper, we argue that the the algorithm engineering methodology fits very well to the field of robust optimization and yields a rewarding new perspective on both the current state of research and open research directions. To this end we go through the algorithm engineering cycle of design and analysis of concepts, development and implementation of algorithms, and theoretical and experimental evaluation. We show that many ideas of algorithm engineering have already been applied in publications on robust optimization. Most work on robust optimization is devoted to analysis of the concepts and the development of algorithms, some papers deal with the evaluation of a particular concept in case studies, and work on comparison of concepts just starts. What is still a drawback in many papers on robustness is the missing link to include the results of the experiments again in the design

Nonlinear Integer Programming

Research efforts of the past fifty years have led to a development of linear integer programming as a mature discipline of mathematical optimization. Such a level of maturity has not been reached when one considers nonlinear systems subject to integrality requirements for the variables. This chapter is dedicated to this topic. The primary goal is a study of a simple version of general nonlinear integer problems, where all constraints are still linear. Our focus is on the computational complexity of the problem, which varies significantly with the type of nonlinear objective function in combination with the underlying combinatorial structure. Numerous boundary cases of complexity emerge, which sometimes surprisingly lead even to polynomial time algorithms. We also cover recent successful approaches for more general classes of problems. Though no positive theoretical efficiency results are available, nor are they likely to ever be available, these seem to be the currently most successful and interesting approaches for solving practical problems. It is our belief that the study of algorithms motivated by theoretical considerations and those motivated by our desire to solve practical instances should and do inform one another. So it is with this viewpoint that we present the subject, and it is in this direction that we hope to spark further research.Comment: 57 pages. To appear in: M. J\"unger, T. Liebling, D. Naddef, G. Nemhauser, W. Pulleyblank, G. Reinelt, G. Rinaldi, and L. Wolsey (eds.), 50 Years of Integer Programming 1958--2008: The Early Years and State-of-the-Art Surveys, Springer-Verlag, 2009, ISBN 354068274

On multiobjective optimization from the nonsmooth perspective

Practical applications usually have multiobjective nature rather than having only one objective to optimize. A multiobjective problem cannot be solved with a single-objective solver as such. On the other hand, optimization of only one objective may lead to an arbitrary bad solutions with respect to other objectives. Therefore, special techniques for multiobjective optimization are vital. In addition to multiobjective nature, many real-life problems have nonsmooth (i.e. not continuously differentiable) structure. Unfortunately, many smooth (i.e. continuously differentiable) methods adopt gradient-based information which cannot be used for nonsmooth problems. Since both of these characteristics are relevant for applications, we focus here on nonsmooth multiobjective optimization. As a research topic, nonsmooth multiobjective optimization has gained only limited attraction while the fields of nonsmooth single-objective and smooth multiobjective optimization distinctively have attained greater interest. This dissertation covers parts of nonsmooth multiobjective optimization in terms of theory, methodology and application. Bundle methods are widely considered as effective and reliable solvers for single-objective nonsmooth optimization. Therefore, we investigate the use of the bundle idea in the multiobjective framework with three different methods. The first one generalizes the single-objective proximal bundle method for the nonconvex multiobjective constrained problem. The second method adopts the ideas from the classical steepest descent method into the convex unconstrained multiobjective case. The third method is designed for multiobjective problems with constraints where both the objectives and constraints can be represented as a difference of convex (DC) functions. Beside the bundle idea, all three methods are descent, meaning that they produce better values for each objective at each iteration. Furthermore, all of them utilize the improvement function either directly or indirectly. A notable fact is that none of these methods use scalarization in the traditional sense. With the scalarization we refer to the techniques transforming a multiobjective problem into the single-objective one. As the scalarization plays an important role in multiobjective optimization, we present one special family of achievement scalarizing functions as a representative of this category. In general, the achievement scalarizing functions suit well in the interactive framework. Thus, we propose the interactive method using our special family of achievement scalarizing functions. In addition, this method utilizes the above mentioned descent methods as tools to illustrate the range of optimal solutions. Finally, this interactive method is used to solve the practical case studies of the scheduling the final disposal of the spent nuclear fuel in Finland.Käytännön optimointisovellukset ovat usein luonteeltaan ennemmin moni- kuin yksitavoitteisia. Erityisesti monitavoitteisille tehtäville suunnitellut menetelmät ovat tarpeen, sillä monitavoitteista optimointitehtävää ei sellaisenaan pysty ratkaisemaan yksitavoitteisilla menetelmillä eikä vain yhden tavoitteen optimointi välttämättä tuota mielekästä ratkaisua muiden tavoitteiden suhteen. Monitavoitteisuuden lisäksi useat käytännön tehtävät ovat myös epäsileitä siten, etteivät niissä esiintyvät kohde- ja rajoitefunktiot välttämättä ole kaikkialla jatkuvasti differentioituvia. Kuitenkin monet optimointimenetelmät hyödyntävät gradienttiin pohjautuvaa tietoa, jota ei epäsileille funktioille ole saatavissa. Näiden molempien ominaisuuksien ollessa keskeisiä sovelluksia ajatellen, keskitytään tässä työssä epäsileään monitavoiteoptimointiin. Tutkimusalana epäsileä monitavoiteoptimointi on saanut vain vähän huomiota osakseen, vaikka sekä sileä monitavoiteoptimointi että yksitavoitteinen epäsileä optimointi erikseen ovat aktiivisia tutkimusaloja. Tässä työssä epäsileää monitavoiteoptimointia on käsitelty niin teorian, menetelmien kuin käytännön sovelluksien kannalta. Kimppumenetelmiä pidetään yleisesti tehokkaina ja luotettavina menetelminä epäsileän optimointitehtävän ratkaisemiseen ja siksi tätä ajatusta hyödynnetään myös tässä väitöskirjassa kolmessa eri menetelmässä. Ensimmäinen näistä yleistää yksitavoitteisen proksimaalisen kimppumenetelmän epäkonveksille monitavoitteiselle rajoitteiselle tehtävälle sopivaksi. Toinen menetelmä hyödyntää klassisen nopeimman laskeutumisen menetelmän ideaa konveksille rajoitteettomalle tehtävälle. Kolmas menetelmä on suunniteltu erityisesti monitavoitteisille rajoitteisille tehtäville, joiden kohde- ja rajoitefunktiot voidaan ilmaista kahden konveksin funktion erotuksena. Kimppuajatuksen lisäksi kaikki kolme menetelmää ovat laskevia eli ne tuottavat joka kierroksella paremman arvon jokaiselle tavoitteelle. Yhteistä on myös se, että nämä kaikki hyödyntävät parannusfunktiota joko suoraan sellaisenaan tai epäsuorasti. Huomattavaa on, ettei yksikään näistä menetelmistä hyödynnä skalarisointia perinteisessä merkityksessään. Skalarisoinnilla viitataan menetelmiin, joissa usean tavoitteen tehtävä on muutettu sopivaksi yksitavoitteiseksi tehtäväksi. Monitavoiteoptimointimenetelmien joukossa skalarisoinnilla on vankka jalansija. Esimerkkinä skalarisoinnista tässä työssä esitellään yksi saavuttavien skalarisointifunktioiden perhe. Yleisesti saavuttavat skalarisointifunktiot soveltuvat hyvin interaktiivisten menetelmien rakennuspalikoiksi. Täten kuvaillaan myös esiteltyä skalarisointifunktioiden perhettä hyödyntävä interaktiivinen menetelmä, joka lisäksi hyödyntää laskevia menetelmiä optimaalisten ratkaisujen havainnollistamisen apuna. Lopuksi tätä interaktiivista menetelmää käytetään aikatauluttamaan käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitusta Suomessa