Optimal Portfolio Management for Engineering Problems Using Nonconvex Cardinality Constraint: A Computing Perspective

The problem of portfolio management relates to the selection of optimal stocks, which results in a maximum return to the investor while minimizing the loss. Traditional approaches usually model the portfolio selection as a convex optimization problem and require the calculation of gradient. Note that gradient-based methods can stuck at local optimum for complex problems and the simplification of portfolio optimization to convex, and further solved using gradient-based methods, is at a high cost of solution accuracy. In this paper, we formulate a nonconvex model for the portfolio selection problem, which considers the transaction cost and cardinality constraint, thus better reflecting the decisive factor affecting the selection of portfolio in the real-world. Additionally, constraints are put into the objective function as penalty terms to enforce the restriction. Note that this reformulated problem cannot be readily solved by traditional methods based on gradient search due to its nonconvexity. Then, we apply the Beetle Antennae Search (BAS), a nature-inspired metaheuristic optimization algorithm capable of efficient global optimization, to solve the problem. We used a large real-world dataset containing historical stock prices to demonstrate the efficiency of the proposed algorithm in practical scenarios. Extensive experimental results are presented to further demonstrate the efficacy and scalability of the BAS algorithm. The comparative results are also performed using Particle Swarm Optimizer (PSO), Genetic Algorithm (GA), Pattern Search (PS), and gradient-based fmincon (interior-point search) as benchmarks. The comparison results show that the BAS algorithm is six times faster in the worst case (25 times in the best case) as compared to the rival algorithms while achieving the same level of performance

From metaheuristics to learnheuristics: Applications to logistics, finance, and computing

Un gran nombre de processos de presa de decisions en sectors estratègics com el transport i la producció representen problemes NP-difícils. Sovint, aquests processos es caracteritzen per alts nivells d'incertesa i dinamisme. Les metaheurístiques són mètodes populars per a resoldre problemes d'optimització difícils en temps de càlcul raonables. No obstant això, sovint assumeixen que els inputs, les funcions objectiu, i les restriccions són deterministes i conegudes. Aquests constitueixen supòsits forts que obliguen a treballar amb problemes simplificats. Com a conseqüència, les solucions poden conduir a resultats pobres. Les simheurístiques integren la simulació a les metaheurístiques per resoldre problemes estocàstics d'una manera natural. Anàlogament, les learnheurístiques combinen l'estadística amb les metaheurístiques per fer front a problemes en entorns dinàmics, en què els inputs poden dependre de l'estructura de la solució. En aquest context, les principals contribucions d'aquesta tesi són: el disseny de les learnheurístiques, una classificació dels treballs que combinen l'estadística / l'aprenentatge automàtic i les metaheurístiques, i diverses aplicacions en transport, producció, finances i computació.Un gran número de procesos de toma de decisiones en sectores estratégicos como el transporte y la producción representan problemas NP-difíciles. Frecuentemente, estos problemas se caracterizan por altos niveles de incertidumbre y dinamismo. Las metaheurísticas son métodos populares para resolver problemas difíciles de optimización de manera rápida. Sin embargo, suelen asumir que los inputs, las funciones objetivo y las restricciones son deterministas y se conocen de antemano. Estas fuertes suposiciones conducen a trabajar con problemas simplificados. Como consecuencia, las soluciones obtenidas pueden tener un pobre rendimiento. Las simheurísticas integran simulación en metaheurísticas para resolver problemas estocásticos de una manera natural. De manera similar, las learnheurísticas combinan aprendizaje estadístico y metaheurísticas para abordar problemas en entornos dinámicos, donde los inputs pueden depender de la estructura de la solución. En este contexto, las principales aportaciones de esta tesis son: el diseño de las learnheurísticas, una clasificación de trabajos que combinan estadística / aprendizaje automático y metaheurísticas, y varias aplicaciones en transporte, producción, finanzas y computación.A large number of decision-making processes in strategic sectors such as transport and production involve NP-hard problems, which are frequently characterized by high levels of uncertainty and dynamism. Metaheuristics have become the predominant method for solving challenging optimization problems in reasonable computing times. However, they frequently assume that inputs, objective functions and constraints are deterministic and known in advance. These strong assumptions lead to work on oversimplified problems, and the solutions may demonstrate poor performance when implemented. Simheuristics, in turn, integrate simulation into metaheuristics as a way to naturally solve stochastic problems, and, in a similar fashion, learnheuristics combine statistical learning and metaheuristics to tackle problems in dynamic environments, where inputs may depend on the structure of the solution. The main contributions of this thesis include (i) a design for learnheuristics; (ii) a classification of works that hybridize statistical and machine learning and metaheuristics; and (iii) several applications for the fields of transport, production, finance and computing

New Swarm-Based Metaheuristics for Resource Allocation and Schwduling Problems

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería Informática. Fecha de lectura : 10-07-2017Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 10-01-201

Models and Algorithms for the Optimisation of Replenishment, Production and Distribution Plans in Industrial Enterprises

Tesis por compendio[ES] La optimización en las empresas manufactureras es especialmente importante, debido a las grandes inversiones que realizan, ya que a veces estas inversiones no obtienen el rendimiento esperado porque los márgenes de beneficio de los productos son muy ajustados. Por ello, las empresas tratan de maximizar el uso de los recursos productivos y financieros minimizando el tiempo perdido y, al mismo tiempo, mejorando los flujos de los procesos y satisfaciendo las necesidades del mercado. El proceso de planificación es una actividad crítica para las empresas. Esta tarea implica grandes retos debido a los cambios del mercado, las alteraciones en los procesos de producción dentro de la empresa y en la cadena de suministro, y los cambios en la legislación, entre otros. La planificación del aprovisionamiento, la producción y la distribución desempeña un papel fundamental en el rendimiento de las empresas manufactureras, ya que una planificación ineficaz de los proveedores, los procesos de producción y los sistemas de distribución contribuye a aumentar los costes de los productos, a alargar los plazos de entrega y a reducir los beneficios. La planificación eficaz es un proceso complejo que abarca una amplia gama de actividades para garantizar que los equipos, los materiales y los recursos humanos estén disponibles en el momento y el lugar adecuados. Motivados por la complejidad de la planificación en las empresas manufactureras, esta tesis estudia y desarrolla herramientas cuantitativas para ayudar a los planificadores en los procesos de la planificación del aprovisionamiento, producción y distribución. Desde esta perspectiva, se proponen modelos realistas y métodos eficientes para apoyar la toma de decisiones en las empresas industriales, principalmente en las pequeñas y medianas empresas (PYMES). Las aportaciones de esta tesis suponen un avance científico basado en una exhaustiva revisión bibliográfica sobre la planificación del aprovisionamiento, la producción y la distribución que ayuda a comprender los principales modelos y algoritmos utilizados para resolver estos planes, y pone en relieve las tendencias y las futuras direcciones de investigación. También proporciona un marco holístico para caracterizar los modelos y algoritmos centrándose en la planificación de la producción, la programación y la secuenciación. Esta tesis también propone una herramienta de apoyo a la decisión para seleccionar un algoritmo o método de solución para resolver problemas concretos de la planificación del aprovisionamiento, producción y distribución en función de su complejidad, lo que permite a los planificadores no duplicar esfuerzos de modelización o programación de técnicas de solución. Por último, se desarrollan nuevos modelos matemáticos y enfoques de solución de última generación, como los algoritmos matheurísticos, que combinan la programación matemática y las técnicas metaheurísticas. Los nuevos modelos y algoritmos comprenden mejoras en términos de rendimiento computacional, e incluyen características realistas de los problemas del mundo real a los que se enfrentan las empresas de fabricación. Los modelos matemáticos han sido validados con un caso de una importante empresa del sector de la automoción en España, lo que ha permitido evaluar la relevancia práctica de estos novedosos modelos utilizando instancias de gran tamaño, similares a las existentes en la empresa objeto de estudio. Además, los algoritmos matheurísticos han sido probados utilizando herramientas libres y de código abierto. Esto también contribuye a la práctica de la investigación operativa, y proporciona una visión de cómo desplegar estos métodos de solución y el tiempo de cálculo y rendimiento de la brecha que se puede obtener mediante el uso de software libre o de código abierto.[CA] L'optimització a les empreses manufactureres és especialment important, a causa de les grans inversions que realitzen, ja que de vegades aquestes inversions no obtenen el rendiment esperat perquè els marges de benefici dels productes són molt ajustats. Per això, les empreses intenten maximitzar l'ús dels recursos productius i financers minimitzant el temps perdut i, alhora, millorant els fluxos dels processos i satisfent les necessitats del mercat. El procés de planificació és una activitat crítica per a les empreses. Aquesta tasca implica grans reptes a causa dels canvis del mercat, les alteracions en els processos de producció dins de l'empresa i la cadena de subministrament, i els canvis en la legislació, entre altres. La planificació de l'aprovisionament, la producció i la distribució té un paper fonamental en el rendiment de les empreses manufactureres, ja que una planificació ineficaç dels proveïdors, els processos de producció i els sistemes de distribució contribueix a augmentar els costos dels productes, allargar els terminis de lliurament i reduir els beneficis. La planificació eficaç és un procés complex que abasta una àmplia gamma d'activitats per garantir que els equips, els materials i els recursos humans estiguen disponibles al moment i al lloc adequats. Motivats per la complexitat de la planificació a les empreses manufactureres, aquesta tesi estudia i desenvolupa eines quantitatives per ajudar als planificadors en els processos de la planificació de l'aprovisionament, producció i distribució. Des d'aquesta perspectiva, es proposen models realistes i mètodes eficients per donar suport a la presa de decisions a les empreses industrials, principalment a les petites i mitjanes empreses (PIMES). Les aportacions d'aquesta tesi suposen un avenç científic basat en una exhaustiva revisió bibliogràfica sobre la planificació de l'aprovisionament, la producció i la distribució que ajuda a comprendre els principals models i algorismes utilitzats per resoldre aquests plans, i posa de relleu les tendències i les futures direccions de recerca. També proporciona un marc holístic per caracteritzar els models i algorismes centrant-se en la planificació de la producció, la programació i la seqüenciació. Aquesta tesi també proposa una eina de suport a la decisió per seleccionar un algorisme o mètode de solució per resoldre problemes concrets de la planificació de l'aprovisionament, producció i distribució en funció de la seua complexitat, cosa que permet als planificadors no duplicar esforços de modelització o programació de tècniques de solució. Finalment, es desenvolupen nous models matemàtics i enfocaments de solució d'última generació, com ara els algoritmes matheurístics, que combinen la programació matemàtica i les tècniques metaheurístiques. Els nous models i algoritmes comprenen millores en termes de rendiment computacional, i inclouen característiques realistes dels problemes del món real a què s'enfronten les empreses de fabricació. Els models matemàtics han estat validats amb un cas d'una important empresa del sector de l'automoció a Espanya, cosa que ha permés avaluar la rellevància pràctica d'aquests nous models utilitzant instàncies grans, similars a les existents a l'empresa objecte d'estudi. A més, els algorismes matheurístics han estat provats utilitzant eines lliures i de codi obert. Això també contribueix a la pràctica de la investigació operativa, i proporciona una visió de com desplegar aquests mètodes de solució i el temps de càlcul i rendiment de la bretxa que es pot obtindre mitjançant l'ús de programari lliure o de codi obert.[EN] Optimisation in manufacturing companies is especially important, due to the large investments they make, as sometimes these investments do not obtain the expected return because the profit margins of products are very tight. Therefore, companies seek to maximise the use of productive and financial resources by minimising lost time and, at the same time, improving process flows while meeting market needs. The planning process is a critical activity for companies. This task involves great challenges due to market changes, alterations in production processes within the company and in the supply chain, and changes in legislation, among others. Planning of replenishment, production and distribution plays a critical role in the performance of manufacturing companies because ineffective planning of suppliers, production processes and distribution systems contributes to higher product costs, longer lead times and less profits. Effective planning is a complex process that encompasses a wide range of activities to ensure that equipment, materials and human resources are available in the right time and the right place. Motivated by the complexity of planning in manufacturing companies, this thesis studies and develops quantitative tools to help planners in the replenishment, production and delivery planning processes. From this perspective, realistic models and efficient methods are proposed to support decision making in industrial companies, mainly in small- and medium-sized enterprises (SMEs). The contributions of this thesis represent a scientific breakthrough based on a comprehensive literature review about replenishment, production and distribution planning that helps to understand the main models and algorithms used to solve these plans, and highlights trends and future research directions. It also provides a holistic framework to characterise models and algorithms by focusing on production planning, scheduling and sequencing. This thesis also proposes a decision support tool for selecting an algorithm or solution method to solve concrete replenishment, production and distribution planning problems according to their complexity, which allows planners to not duplicate efforts modelling or programming solution techniques. Finally, new state-of-the-art mathematical models and solution approaches are developed, such as matheuristic algorithms, which combine mathematical programming and metaheuristic techniques. The new models and algorithms comprise improvements in computational performance terms, and include realistic features of real-world problems faced by manufacturing companies. The mathematical models have been validated with a case of an important company in the automotive sector in Spain, which allowed to evaluate the practical relevance of these novel models using large instances, similarly to those existing in the company under study. In addition, the matheuristic algorithms have been tested using free and open-source tools. This also helps to contribute to the practice of operations research, and provides insight into how to deploy these solution methods and the computational time and gap performance that can be obtained by using free or open-source software.This work would not have been possible without the following funding sources: Conselleria de Educación, Investigación, Cultura y Deporte, Generalitat Valenciana for hiring predoctoral research staff with Grant (ACIF/2018/170) and the European Social Fund with the Grant Operational Programme of FSE 2014-2020. Conselleria de Educación, Investigación, Cultura y Deporte, Generalitat Valenciana for predoctoral contract students to stay in research centers outside the research centers outside the Valencian Community (BEFPI/2021/040) and the European Social Fund.Guzmán Ortiz, BE. (2022). Models and Algorithms for the Optimisation of Replenishment, Production and Distribution Plans in Industrial Enterprises [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/187461Compendi

PENGEMBANGAN metaheuristicOpt: R PACKAGE UNTUK OPTIMASI DENGAN MENGGUNAKAN ALGORITMA POPULATION BASED METAHEURISTIC

Optimasi diterapkan diberbagai disiplin ilmu seperti teknik sipil, teknik mekanika, ekonomi, teknik elektro dan lain-lain. Karena optimasi diterapkan diberbagai disiplin ilmu maka optimasi sangatlah penting. Banyak sekali pendekatan yang dilakukan dalam melakukan optimasi salah satunya adalah population based metaheuristic. Di bahasa pemrograman R terdapat package optimasi menggunakan algoritma population based metaheuristic yaitu “metaheuristicOpt”. Algoritma-algoritma pada R package “metaheuristicOpt” memiliki dua kelemahan yaitu kompleksitas yang tinggi dan hyperparameter yang sedikit. Tujuan penelitian ini adalah mengembangkan R package “metaheuristicOpt” dengan menambahkan 10 algoritma baru yaitu clonal selection algorithm, differential evolution, shuffled frog leaping, cat swarm optimization, artificial bee colony algorithm, krill herd algorithm, cuckoo search, bat algorithm, gravitational based search dan black hole optimization untuk menutupi kelemahan algoritma sebelumnya. Dalam menambahkan algoritma ini kami menjaga konsistensi arsitektur package tersebut. Untuk menganalisis performa dari algoritma baru yang ditambahkan setiap fungsi diuji menggunakan 13 fungsi uji. Yang menjadi tolok ukur eksperimen adalah fitness dan waktu eksekusi. Berdasarkan eksperimen yang dilakukan beberapa algoritma baru memiliki kecepatan eksekusi yang lebih cepat dari algoritma sebelumnya dan beberapa algoritma baru juga memiliki fitness yang lebih baik dari algoritma sebelumnya. Optimization is applied in various scientific disciplines such as civil engineering, mechanical engineering, economics, electrical engineering and others. Because optimization is applied in various disciplines, optimization is very important. There are a lot of approaches used to optimize one of them is population based metaheuristic. In the R programming language there is an optimization package using the population based metaheuristic algorithm, namely "metaheuristicOpt". Algorithms in the R package "metaheuristicOpt" have two disadvantages: high complexity and few hyperparameters. Our goal is to develop the "metaheuristicOpt" package by adding 10 new algorithms namely clonal selection algorithm, differential evolution, shuffled frog leaping, cat swarm optimization, artificial bee colony algorithm, krill herd algorithm, cuckoo search, bat algorithm, gravitational based search and black hole optimization to cover up the weaknesses of the previous algorithm. In adding of these algorithms we maintain the consistency of the package architecture. To analyse performance of the new algorithm added to each function of the algorithm, experiments were carried out using 13 test functions. The benchmarks of the experiment are fitness and execution time. Based on experiments some of new algorithms added have a faster execution speed and better fitness than the previous algorithms

Applied Metaheuristic Computing

For decades, Applied Metaheuristic Computing (AMC) has been a prevailing optimization technique for tackling perplexing engineering and business problems, such as scheduling, routing, ordering, bin packing, assignment, facility layout planning, among others. This is partly because the classic exact methods are constrained with prior assumptions, and partly due to the heuristics being problem-dependent and lacking generalization. AMC, on the contrary, guides the course of low-level heuristics to search beyond the local optimality, which impairs the capability of traditional computation methods. This topic series has collected quality papers proposing cutting-edge methodology and innovative applications which drive the advances of AMC

A survey on metaheuristics for stochastic combinatorial optimization

Metaheuristics are general algorithmic frameworks, often nature-inspired, designed to solve complex optimization problems, and they are a growing research area since a few decades. In recent years, metaheuristics are emerging as successful alternatives to more classical approaches also for solving optimization problems that include in their mathematical formulation uncertain, stochastic, and dynamic information. In this paper metaheuristics such as Ant Colony Optimization, Evolutionary Computation, Simulated Annealing, Tabu Search and others are introduced, and their applications to the class of Stochastic Combinatorial Optimization Problems (SCOPs) is thoroughly reviewed. Issues common to all metaheuristics, open problems, and possible directions of research are proposed and discussed. In this survey, the reader familiar to metaheuristics finds also pointers to classical algorithmic approaches to optimization under uncertainty, and useful informations to start working on this problem domain, while the reader new to metaheuristics should find a good tutorial in those metaheuristics that are currently being applied to optimization under uncertainty, and motivations for interest in this fiel

A Comprehensive Survey on Particle Swarm Optimization Algorithm and Its Applications

Particle swarm optimization (PSO) is a heuristic global optimization method, proposed originally by Kennedy and Eberhart in 1995. It is now one of the most commonly used optimization techniques. This survey presented a comprehensive investigation of PSO. On one hand, we provided advances with PSO, including its modifications (including quantum-behaved PSO, bare-bones PSO, chaotic PSO, and fuzzy PSO), population topology (as fully connected, von Neumann, ring, star, random, etc.), hybridization (with genetic algorithm, simulated annealing, Tabu search, artificial immune system, ant colony algorithm, artificial bee colony, differential evolution, harmonic search, and biogeography-based optimization), extensions (to multiobjective, constrained, discrete, and binary optimization), theoretical analysis (parameter selection and tuning, and convergence analysis), and parallel implementation (in multicore, multiprocessor, GPU, and cloud computing forms). On the other hand, we offered a survey on applications of PSO to the following eight fields: electrical and electronic engineering, automation control systems, communication theory, operations research, mechanical engineering, fuel and energy, medicine, chemistry, and biology. It is hoped that this survey would be beneficial for the researchers studying PSO algorithms