Solving the Generalized Vertex Cover Problem by Genetic Algorithm

In this paper an evolutionary approach to solving the generalized vertex cover problem (GVCP) is presented. Binary representation and standard genetic operators are used along with the appropriate objective function. The experiments were carried out on randomly generated instances with up to 500 vertices and 100000 edges. Performance of the genetic algorithm (GA) is compared with CPLEX solver and 2-approximation algorithm based on LP relaxation. The genetic algorithm outperformed both CPLEX solver and 2-approximation heuristic

An implementation of a generic memetic algorithm for the edge biconnectivity augmentation problem

In this paper we present an implementation of a generic memetic algorithm for the edge bi-connectivity augmentation problem --the problem of augmenting a given graph by a cheapest possible set of additional edges in order to make the graph edge bi-connected. This problem is known for its applications to communication network design --the extension of an existing communication network to become robust against single link failures-- as well as in VLSI floor planning. We provide a C++ implementation of a generic memetic algorithm for the problem, as a good alternative for approximately solving it. We use known benchmarks in the literature for the problem as to experimentally evaluate how good the generic memetic algorithm works for the problem.Postprint (published version

Finding Optimal Cayley Map Embeddings Using Genetic Algorithms

Genetic algorithms are a commonly used metaheuristic search method aimed at solving complex optimization problems in a variety of fields. These types of algorithms lend themselves to problems that can incorporate stochastic elements, which allows for a wider search across a search space. However, the nature of the genetic algorithm can often cause challenges regarding time-consumption. Although the genetic algorithm may be widely applicable to various domains, it is not guaranteed that the algorithm will outperform other traditional search methods in solving problems specific to particular domains. In this paper, we test the feasibility of genetic algorithms in solving a common optimization problem in topological graph theory. In the study of Cayley maps, one problem that arises is how one can optimally embed a Cayley map of a complete graph onto an orientable surface with the least amount of holes on the surface as possible. One useful application of this optimization problem is in the design of circuit boards since such a process involves minimizing the number of layers that are required to build the circuit while still ensuring that none of the wires will cross. In this paper, we study complete graphs of the form K_12m + 7 for positive integers m and we work on mappings with the finite cyclic group Z_n. We develop several baseline search algorithms to first gain an understanding of the search space and its complexity. Then, we employ two different approaches to building the genetic algorithm and compare their performances in finding optimal Cayley map embeddings

An Efficient Genetic Algorithm for Solving the Multi-Level Uncapacitated Facility Location Problem

In this paper a new evolutionary approach for solving the multi-level uncapacitated facility location problem (MLUFLP) is presented. Binary encoding scheme is used with appropriate objective function containing dynamic programming approach for finding sequence of located facilities on each level to satisfy clients' demands. The experiments were carried out on the modified standard single level facility location problem instances. Genetic algorithm (GA) reaches all known optimal solutions for smaller dimension instances, obtained by total enumeration and CPLEX solver. Moreover, all optimal/best known solutions were reached by genetic algorithm for a single-level variant of the problem

Algorithms and complexity analyses for some combinational optimization problems

The main focus of this dissertation is on classical combinatorial optimization problems in two important areas: scheduling and network design. In the area of scheduling, the main interest is in problems in the master-slave model. In this model, each machine is either a master machine or a slave machine. Each job is associated with a preprocessing task, a slave task and a postprocessing task that must be executed in this order. Each slave task has a dedicated slave machine. All the preprocessing and postprocessing tasks share a single master machine or the same set of master machines. A job may also have an arbitrary release time before which the preprocessing task is not available to be processed. The main objective in this dissertation is to minimize the total completion time or the makespan. Both the complexity and algorithmic issues of these problems are considered. It is shown that the problem of minimizing the total completion time is strongly NP-hard even under severe constraints. Various efficient algorithms are designed to minimize the total completion time under various scenarios. In the area of network design, the survivable network design problems are studied first. The input for this problem is an undirected graph G = (V, E), a non-negative cost for each edge, and a nonnegative connectivity requirement ruv for every (unordered) pair of vertices &ruv. The goal is to find a minimum-cost subgraph in which each pair of vertices u,v is joined by at least ruv edge (vertex)-disjoint paths. A Polynomial Time Approximation Scheme (PTAS) is designed for the problem when the graph is Euclidean and the connectivity requirement of any point is at most 2. PTASs or Quasi-PTASs are also designed for 2-edge-connectivity problem and biconnectivity problem and their variations in unweighted or weighted planar graphs. Next, the problem of constructing geometric fault-tolerant spanners with low cost and bounded maximum degree is considered. The first result shows that there is a greedy algorithm which constructs fault-tolerant spanners having asymptotically optimal bounds for both the maximum degree and the total cost at the same time. Then an efficient algorithm is developed which finds fault-tolerant spanners with asymptotically optimal bound for the maximum degree and almost optimal bound for the total cost

Combinatorial Problems in Energy Networks - Graph-theoretic Models and Algorithms

Energienetze bilden das Rückgrat unserer Gesellschaft, die unter anderem unsere Nahrungskette und andere wichtige Infrastrukturen, wie die Wasser- und Wärmeversorgung, bestimmen. Um die grundlegenden menschlichen Bedürfnisse zu befriedigen, müssen wir ein nachhaltigeres und umweltfreundlicheres Verhalten im Allgemeinen und in Energienetzen im Speziellen an den Tag legen. In dieser Arbeit geht es um Energienetze, wobei wir uns auf Stromnetze spezialisieren und uns darauf fokussieren, wie wir die vorhandene Infrastruktur besser ausnutzen können. Wir merken an, dass die Ergebnisse aus dieser Arbeit auch auf andere Energienetze übertragen werden können [Gro+19] und bestimmte auftretende Phänomene legen es nahe, dass sich einige Ergebnisse eventuell auch auf Verkehrsnetze übertragen lassen. Diese Arbeit besteht aus vier inhaltlichen Teilen. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Funktionsweise und Struktur von elektrischen Flüssen. Der zweite und dritte inhaltliche Teil der Arbeit beschäftigt sich jeweils mit der effizienten Ausnutzung der vorhandenen Energienetzinfrastruktur. Dabei verstehen wir hier unter effizienter Ausnutzung entweder die Maximierung der Gesamterzeugung und die damit verbundene Erweiterung des Betriebspunktes oder die Minimierung der Erzeugungskosten verstehen. Das elektrische Netz besteht aus drei Spannungsebenen, die wir als Hoch-, Mittel-, und Niederspannungsebene bezeichnen. Das traditionelle elektrische Netz ist auf eine zentrale Energieversorgung ausgelegt, bei der die Erzeuger sich in der Hochspannungsebene befinden. Der elektrische Fluss im klassischen Sinne fließt von der Hoch- in die Mittel- und Niederspannungsebene. Die industriellen Verbraucher befinden sich zumeist auf der Mittelspannungsebene, während sich die Haushalte und kleineren Industrien in der Niederspannungsebene befinden. Durch nachhaltige Erzeuger, die ihre Energie aus erneuerbaren Energien wie beispielsweise Wind gewinnen, findet nun ein Paradigmenwechsel im elektrischen Netz statt. Diese nachhaltigen Erzeuger befinden sich zumeist im Nieder- und Mittelspannungsnetz und der elektrische Fluss könnte nun bidirektional fließen. Dieser Paradigmenwechsel kann zu Engpässen und anderen Problemen führen, da das elektrische Netz für ein solches Szenario nicht konzipiert ist. Eine Hauptaufgabe dieser Arbeit war die Identifizierung von Problemstellungen in elektrischen Netzen. Die extrahierten Problemstellungen haben wir dann in graphentheoretische Modelle übersetzt und Algorithmen entwickelt, die oftmals Gütegarantien besitzen. Wir haben uns dabei zunächst auf die Modellierung von elektrischen Netzen und das Verhalten von Flüssen in diesen Netzen mit Hilfe von Graphentheorie konzentriert. Zur Modellierung des elektrischen Flusses nutzen wir eine linearisierte Modellierung, die mehrere vereinfachende Annahmen trifft. Diese linearisierte Modellierung ist für Hochspannungsnetze im Allgemeinen eine gute Annäherung und macht das Entscheidungsproblem für elektrische Flüsse, das heißt, ob ein gültiger elektrischer Fluss für eine bestimmte Konfiguration des Netzes und für einen bestimmten Verbrauch und eine bestimmte Erzeugung existiert, in Polynomialzeit lösbar. Leistungsfluss. Fokusiert man sich auf das vereinfachte Zulässigkeitsproblem von elektrischen Flüssen und den Maximalen Leistungsflüssen, so existieren verschiedene mathematische Formulierungen, die den Leistungsfluss beschreiben. Auf allgemeinen Graphen ist es oftmals der Fall, dass graphentheoretischen Flüsse keine zulässigen Leistungsflüsse darstellen. Im Gegensatz zu graphentheoretischen Flüssen balancieren sich Leistungsflüsse. Wir diskutieren diese Eigenschaft aus graphentheoretischer Sicht. Die verschiedenen mathematischen Formulierungen geben uns strukturelle Einblicke in das Leistungsflussproblem. Sie zeigen uns die Dualität der zwei Kirchhoffschen Regeln. Diese nutzen wir um einen algorithmischen Ansatz zur Berechnung von Leistungsflüssen zu formulieren, der zu einem Algorithmus für Leistungsflüsse auf planaren Graphen führen könnte. Die Einschränkung auf planare zweifachzusammenhängende Graphen ist vertretbar, da elektrische Netze im Allgemeinen planar sind [COC12,S.13]. Zudem hilft uns diese Sichtweise, um Analogien zu anderen geometrischen Problemen herzustellen. Kontinuierliche Änderungen. Da graphentheoretische Flüsse sich in vielen Fällen anders als elektrische Flüsse verhalten, haben wir versucht, das Stromnetz mittels Kontrolleinheiten so auszustatten, dass der elektrische Fluss den gleichen Wert hat wie der graphentheoretische Fluss. Um dieses Ziel zu erreichen, platzieren wir die Kontrolleinheiten entweder an den Knoten oder an den Kanten. Durch eine Suszeptanz-Skalierung, die durch die Kontrolleinheiten ermöglicht wird, ist es nun prinzipiell möglich jeden graphentheoretischen Fluss elektrisch zulässig zu machen. Dabei konnten wir zeigen, dass das gezielte Platzieren von Kontrolleinheiten die Kosten der Erzeugung von elektrischer Leistung durch Generatoren im elektrischen Netz senken kann und den Betriebspunkt des Netzes in vielen Fällen auch erweitert. Platziert man Kontrolleinheiten so, dass der verbleibende Teil (d.h. das Netz ohne die Kontrolleinheiten) ein Baum oder Kaktus unter geeigneter Begrenzung der Kapazitäten ist, so ist es möglich, jeden graphentheoretischen Fluss als elektrisch zulässigen Fluss mit gleichwertigen Kosten zu realisieren. Die Kostensenkung und die Erweiterung des Betriebspunktes konnten wir experimentell auf IEEE-Benchmark-Daten bestätigen. Diskrete Änderungen. Die oben beschriebenen Kontrolleinheiten sind eine idealisierte, aktuell nicht realisierbare Steuereinheit, da sie den elektrischen Fluss im gesamten Leistungsspektrum einstellen können. Damit ist vor allem gemeint, dass sie den elektrischen Fluss auf einer Leitung von „Die Leitung ist abgeschaltet.“ bis zur maximalen Kapazität stufenlos einstellen können. Diese Idealisierung ist auch ein großer Kritikpunkt an der Modellierung. Aus diesem Grund haben wir versucht, unser Modell realistischer zu gestalten. Wir haben zwei mögliche Modellierungen identifiziert. In der ersten Modellierung können Leitungen ein- und ausgeschaltet werden. Dieser Prozess wird als Switching bezeichnet und kann in realen Netzen mittels Circuit Breakers (dt. Leistungsschaltern) realisiert werden. Die zweite Modellierung kommt der Kontrolleinheiten-Modellierung sehr nahe und beschäftigt sich mit der Platzierung von Kontrolleinheiten, die die Suszeptanz innerhalb eines gewissen Intervalls einstellen können. Diese wirkt im ersten Moment wie eine Verallgemeinerung der Schaltungsflussmodellierung. Nutzt man jedoch eine realistischere Modellierung der Kontrolleinheiten, so ist das Einstellen der Suszeptanz durch ein Intervall begrenzt, das das Ausschalten einer Leitung nicht mit beinhaltet. Sowohl ein optimales (im Sinne der Minimierung der Gesamterzeugungskosten oder der Maximierung des Durchsatzes) Platzieren von Switches als auch ein optimales Platzieren von Kontrolleinheiten ist im Allgemeinen NP-schwer [LGH14]. Diese beiden Probleme ergänzen sich dahingehend, dass man den maximalen graphentheoretischen Fluss, mit den zuvor genannten Platzierungen annähern kann. Für Switching konnten wir zeigen, dass das Problem bereits schwer ist, wenn der Graph serien-parallel ist und das Netzwerk nur einen Erzeuger und einen Verbraucher besitzt [Gra+18]. Wir haben sowohl für den Maximalen Übertragungsschaltungsfluss (engl. Maximum Transmission Switching Flow; kurz MTSF) als auch für den optimalen Übertragungsschaltungsfluss (engl. Optimal Switching Flow; kurz OSF) erste algorithmische Ansätze vorgeschlagen und gezeigt, dass sie auf bestimmten graphentheoretischen Strukturen exakt sind, und dass auf anderen graphentheoretischen Strukturen Gütegarantien möglich sind [Gra+18]. Die Algorithmen haben wir dann auf allgemeinen Netzen evaluiert. Simulationen führen zu guten Ergebnissen auf den NESTA-Benchmark-Daten. Erweiterungsplanung auf der Grünen Wiese. Eine vom Rest der Arbeit eher losgelöste Fragestellung war die Verkabelung von Windturbinen. Unter Verwendung einer Metaheuristik haben wir gute Ergebnisse im Vergleich zu einem „Mixed Integer Linear Program“ (MILP; dt. gemischt-ganzzahliges lineares Programm) erzielt, das wir nach einer Stunde abgebrochen haben. Die Modellierung der Problemstellung und die Evaluation des Algorithmus haben wir auf der ACM e-Energy 2017 veröffentlicht [Leh+17]. Schlusswort. Abschließend kann man sagen, dass mit dieser Arbeit allgemeine, tiefliegende Aussagen über elektrische Netze getroffen wurden, unter der Berücksichtigung struktureller Eigenschaften unterschiedlicher Netzklassen. Diese Arbeit zeigt wie das Netz ausgestaltet sein muss, um bestimmte Eigenschaften garantieren zu können und zeigt verschiedene Lösungsansätze mit oft beweisbaren Gütegarantien auf

Control for Localization and Visibility Maintenance of an Independent Agent using Robotic Teams

Given a non-cooperative agent, we seek to formulate a control strategy to enable a team of robots to localize and track the agent in a complex but known environment while maintaining a continuously optimized line-of-sight communication chain to a fixed base station. We focus on two aspects of the problem. First, we investigate the estimation of the agent\u27s location by using nonlinear sensing modalities, in particular that of range-only sensing, and formulate a control strategy based on improving this estimation using one or more robots working to independently gather information. Second, we develop methods to plan and sequence robot deployments that will establish and maintain line-of-sight chains for communication between the independent agent and the fixed base station using a minimum number of robots. These methods will lead to feedback control laws that can realize this plan and ensure proper navigation and collision avoidance

Improving performance of genetic algorithms by using novel fitness functions

This thesis introduces Intelligent Fitness Functions and Partial Fitness Functions both of which can improve the performance of a genetic algorithm which is limited to a fixed run time. An Intelligent Fitness Function is defined as a fitness function with a memory. The memory is used to store information about individuals so that duplicate individuals do not need to have their fitness tested. Different types of memory (long and short term) and different storage strategies (fitness based, time base and frequency based) have been tested. The results show that an intelligent fitness function, with a time based long term memory improves the efficiency of a genetic algorithm the most. A Partial Fitness Function is defined as a fitness function that only partially tests the fitness of an individual at each generation. Thus only promising individuals get fully tested. Using a partial fitness function gives the genetic algorithm more evolutionary steps in the same length of time as a genetic algorithm using a normal fitness function. The results show that a genetic algorithm using a partial fitness function can achieve higher fitness levels than a genetic algorithm using a normal fitness function. Finally a genetic algorithm designed to solve a substitution cipher is compared to one equipped with an intelligent fitness function and another equipped with a partial fitness function. The genetic algorithm with the intelligent fitness function and the genetic algorithm with the partial fitness function both show a significant improvement over the genetic algorithm with a conventional fitness function.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo