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

Fitness landscape of the cellular automata majority problem: View from the Olympus

In this paper we study cellular automata (CAs) that perform the computational Majority task. This task is a good example of what the phenomenon of emergence in complex systems is. We take an interest in the reasons that make this particular fitness landscape a difficult one. The first goal is to study the landscape as such, and thus it is ideally independent from the actual heuristics used to search the space. However, a second goal is to understand the features a good search technique for this particular problem space should possess. We statistically quantify in various ways the degree of difficulty of searching this landscape. Due to neutrality, investigations based on sampling techniques on the whole landscape are difficult to conduct. So, we go exploring the landscape from the top. Although it has been proved that no CA can perform the task perfectly, several efficient CAs for this task have been found. Exploiting similarities between these CAs and symmetries in the landscape, we define the Olympus landscape which is regarded as the ''heavenly home'' of the best local optima known (blok). Then we measure several properties of this subspace. Although it is easier to find relevant CAs in this subspace than in the overall landscape, there are structural reasons that prevent a searcher from finding overfitted CAs in the Olympus. Finally, we study dynamics and performance of genetic algorithms on the Olympus in order to confirm our analysis and to find efficient CAs for the Majority problem with low computational cost

Modified Tabu search to solve complex, continuous-variable problems through gradient analysis and contour jumps

This paper introduces a method of solving np-hard problems with continuous random variables by using a modified Tabu search algorithm. Traditionally, Tabu search is a metaheuristic that deals with binary or integer variable type problems and finds "good" solutions to the problem. This study explores the Tabu search algorithm and presents a methodology by with the algorithm can be modified to handle continuous random variables as well as integer and binary. The modifications include an appropriate method of defining the neighborhood solution sets and then an effective manner of moving through the neighborhood to converge to an acceptable solution as quickly as possible. In addition to moving through the neighborhood, a method of locating and moving to local optima is included. From there this technique will incorporate a method of "jumping" to the base of a new, improving local optima in the state space. From there the algorithm will return to locating and reaching the local optima point. In this fashion, the modified Tabu search will explore the state space for continually improving points and will "jump over" areas that, while feasible, are not worth exploring. This method saves computation time as well as achieving a more direct route to an acceptably good solution. In addition, it is proposed that with enough time, the optimal point will be found

On the role of metaheuristic optimization in bioinformatics

Metaheuristic algorithms are employed to solve complex and large-scale optimization problems in many different fields, from transportation and smart cities to finance. This paper discusses how metaheuristic algorithms are being applied to solve different optimization problems in the area of bioinformatics. While the text provides references to many optimization problems in the area, it focuses on those that have attracted more interest from the optimization community. Among the problems analyzed, the paper discusses in more detail the molecular docking problem, the protein structure prediction, phylogenetic inference, and different string problems. In addition, references to other relevant optimization problems are also given, including those related to medical imaging or gene selection for classification. From the previous analysis, the paper generates insights on research opportunities for the Operations Research and Computer Science communities in the field of bioinformatics

Advances in Artificial Intelligence: Models, Optimization, and Machine Learning

The present book contains all the articles accepted and published in the Special Issue “Advances in Artificial Intelligence: Models, Optimization, and Machine Learning” of the MDPI Mathematics journal, which covers a wide range of topics connected to the theory and applications of artificial intelligence and its subfields. These topics include, among others, deep learning and classic machine learning algorithms, neural modelling, architectures and learning algorithms, biologically inspired optimization algorithms, algorithms for autonomous driving, probabilistic models and Bayesian reasoning, intelligent agents and multiagent systems. We hope that the scientific results presented in this book will serve as valuable sources of documentation and inspiration for anyone willing to pursue research in artificial intelligence, machine learning and their widespread applications

Optimization Techniques for Automated Software Test Data Generation

Esta tesis propone una variedad de contribuciones al campo de pruebas evolutivas. Hemos abarcados un amplio rango de aspectos relativos a las pruebas de programas: código fuente procedimental y orientado a objetos, paradigmas estructural y funcional, problemas mono-objetivo y multi-objetivo, casos de prueba aislados y secuencias de pruebas, y trabajos teóricos y experimentales. En relación a los análisis llevados a cabo, hemos puesto énfasis en el análisis estadístico de los resultados para evaluar la significancia práctica de los resultados. En resumen, las principales contribuciones de la tesis son: Definición de una nueva medida de distancia para el operador instanceof en programas orientados a objetos: En este trabajo nos hemos centrado en un aspecto relacionado con el software orientado a objetos, la herencia, para proponer algunos enfoques que pueden ayudar a guiar la búsqueda de datos de prueba en el contexto de las pruebas evolutivas. En particular, hemos propuesto una medida de distancia para computar la distancia de ramas en presencia del operador instanceof en programas Java. También hemos propuesto dos operadores de mutación que modifican las soluciones candidatas basadas en la medida de distancia definida. Definición de una nueva medida de complejidad llamada ``Branch Coverage Expectation'': En este trabajo nos enfrentamos a la complejidad de pruebas desde un punto de vista original: un programa es más complejo si es más difícil de probar de forma automática. Consecuentemente, definimos la ``Branch Coverage Expectation'' para proporcionar conocimiento sobre la dificultad de probar programas. La fundación de esta medida se basa en el modelo de Markov del programa. El modelo de Markov proporciona fundamentos teóricos. El análisis de esta medida indica que está más correlacionada con la cobertura de rama que las otras medidas de código estáticas. Esto significa que esto es un buen modo de estimar la dificultad de probar un programa. Predicción teórica del número de casos de prueba necesarios para cubrir un porcentaje concreto de un programa: Nuestro modelo de Markov del programa puede ser usado para proporcionar una estimación del número de casos de prueba necesarios para cubrir un porcentaje concreto del programa. Hemos comparado nuestra predicción teórica con la media de las ejecuciones reales de un generador de datos de prueba. Este modelo puede ayudar a predecir la evolución de la fase de pruebas, la cual consecuentemente puede ahorrar tiempo y coste del proyecto completo. Esta predicción teórica podría ser también muy útil para determinar el porcentaje del programa cubierto dados un número de casos de prueba. Propuesta de enfoques para resolver el problema de generación de datos de prueba multi-objetivo: En ese capítulo estudiamos el problema de la generación multi-objetivo con el fin de analizar el rendimiento de un enfoque directo multi-objetivo frente a la aplicación de un algoritmo mono-objetivo seguido de una selección de casos de prueba. Hemos evaluado cuatro algoritmos multi-objetivo (MOCell, NSGA-II, SPEA2, y PAES) y dos algoritmos mono-objetivo (GA y ES), y dos algoritmos aleatorios. En términos de convergencia hacía el frente de Pareto óptimo, GA y MOCell han sido los mejores resolutores en nuestra comparación. Queremos destacar que el enfoque mono-objetivo, donde se ataca cada rama por separado, es más efectivo cuando el programa tiene un grado de anidamiento alto. Comparativa de diferentes estrategias de priorización en líneas de productos y árboles de clasificación: En el contexto de pruebas funcionales hemos tratado el tema de la priorización de casos de prueba con dos representaciones diferentes, modelos de características que representan líneas de productos software y árboles de clasificación. Hemos comparado cinco enfoques relativos al método de clasificación con árboles y dos relativos a líneas de productos, cuatro de ellos propuestos por nosotros. Los resultados nos indican que las propuestas para ambas representaciones basadas en un algoritmo genético son mejores que el resto en la mayoría de escenarios experimentales, es la mejor opción cuando tenemos restricciones de tiempo o coste. Definición de la extensión del método de clasificación con árbol para la generación de secuencias de pruebas: Hemos definido formalmente esta extensión para la generación de secuencias de pruebas que puede ser útil para la industria y para la comunidad investigadora. Sus beneficios son claros ya que indudablemente el coste de situar el artefacto bajo pruebas en el siguiente estado no es necesario, a la vez que reducimos significativamente el tamaño de la secuencia utilizando técnicas metaheurísticas. Particularmente nuestra propuesta basada en colonias de hormigas es el mejor algoritmo de la comparativa, siendo el único algoritmo que alcanza la cobertura máxima para todos los modelos y tipos de cobertura. Exploración del efecto de diferentes estrategias de seeding en el cálculo de frentes de Pareto óptimos en líneas de productos: Estudiamos el comportamiento de algoritmos clásicos multi-objetivo evolutivos aplicados a las pruebas por pares de líneas de productos. El grupo de algoritmos fue seleccionado para cubrir una amplia y diversa gama de técnicas. Nuestra evaluación indica claramente que las estrategias de seeding ayudan al proceso de búsqueda de forma determinante. Cuanta más información se disponga para crear esta población inicial, mejores serán los resultados obtenidos. Además, gracias al uso de técnicas multi-objetivo podemos proporcionar un conjunto de pruebas adecuado mayor o menor, en resumen, que mejor se adapte a sus restricciones económicas o tecnológicas. Propuesta de técnica exacta para la computación del frente de Pareto óptimo en líneas de productos software: Hemos propuesto un enfoque exacto para este cálculo en el caso multi-objetivo con cobertura paiwise. Definimos un programa lineal 0-1 y un algoritmo basado en resolutores SAT para obtener el frente de Pareto verdadero. La evaluación de los resultados nos indica que, a pesar de ser un fantástico método para el cálculo de soluciones óptimas, tiene el inconveniente de la escalabilidad, ya que para modelos grandes el tiempo de ejecución sube considerablemente. Tras realizar un estudio de correlaciones, confirmamos nuestras sospechas, existe una alta correlación entre el tiempo de ejecución y el número de productos denotado por el modelo de características del programa

The Dynamic Multi-objective Multi-vehicle Covering Tour Problem

This work introduces a new routing problem called the Dynamic Multi-Objective Multi-vehicle Covering Tour Problem (DMOMCTP). The DMOMCTPs is a combinatorial optimization problem that represents the problem of routing multiple vehicles to survey an area in which unpredictable target nodes may appear during execution. The formulation includes multiple objectives that include minimizing the cost of the combined tour cost, minimizing the longest tour cost, minimizing the distance to nodes to be covered and maximizing the distance to hazardous nodes. This study adapts several existing algorithms to the problem with several operator and solution encoding variations. The efficacy of this set of solvers is measured against six problem instances created from existing Traveling Salesman Problem instances which represent several real countries. The results indicate that repair operators, variable length solution encodings and variable-length operators obtain a better approximation of the true Pareto front

The Application of Ant Colony Optimization

The application of advanced analytics in science and technology is rapidly expanding, and developing optimization technics is critical to this expansion. Instead of relying on dated procedures, researchers can reap greater rewards by utilizing cutting-edge optimization techniques like population-based metaheuristic models, which can quickly generate a solution with acceptable quality. Ant Colony Optimization (ACO) is one the most critical and widely used models among heuristics and meta-heuristics. This book discusses ACO applications in Hybrid Electric Vehicles (HEVs), multi-robot systems, wireless multi-hop networks, and preventive, predictive maintenance