Iterative restricted space search : a solving approach based on hybridization

Face à la complexité qui caractérise les problèmes d'optimisation de grande taille l'exploration complète de l'espace des solutions devient rapidement un objectif inaccessible. En effet, à mesure que la taille des problèmes augmente, des méthodes de solution de plus en plus sophistiquées sont exigées afin d'assurer un certain niveau d 'efficacité. Ceci a amené une grande partie de la communauté scientifique vers le développement d'outils spécifiques pour la résolution de problèmes de grande taille tels que les méthodes hybrides. Cependant, malgré les efforts consentis dans le développement d'approches hybrides, la majorité des travaux se sont concentrés sur l'adaptation de deux ou plusieurs méthodes spécifiques, en compensant les points faibles des unes par les points forts des autres ou bien en les adaptant afin de collaborer ensemble. Au meilleur de notre connaissance, aucun travail à date n'à été effectué pour développer un cadre conceptuel pour la résolution efficace de problèmes d'optimisation de grande taille, qui soit à la fois flexible, basé sur l'échange d'information et indépendant des méthodes qui le composent. L'objectif de cette thèse est d'explorer cette avenue de recherche en proposant un cadre conceptuel pour les méthodes hybrides, intitulé la recherche itérative de l'espace restreint, ±Iterative Restricted Space Search (IRSS)>>, dont, la principale idée est la définition et l'exploration successives de régions restreintes de l'espace de solutions. Ces régions, qui contiennent de bonnes solutions et qui sont assez petites pour être complètement explorées, sont appelées espaces restreints "Restricted Spaces (RS)". Ainsi, l'IRSS est une approche de solution générique, basée sur l'interaction de deux phases algorithmiques ayant des objectifs complémentaires. La première phase consiste à identifier une région restreinte intéressante et la deuxième phase consiste à l'explorer. Le schéma hybride de l'approche de solution permet d'alterner entre les deux phases pour un nombre fixe d'itérations ou jusqu'à l'atteinte d'une certaine limite de temps. Les concepts clés associées au développement de ce cadre conceptuel et leur validation seront introduits et validés graduellement dans cette thèse. Ils sont présentés de manière à permettre au lecteur de comprendre les problèmes que nous avons rencontrés en cours de développement et comment les solutions ont été conçues et implémentées. À cette fin, la thèse a été divisée en quatre parties. La première est consacrée à la synthèse de l'état de l'art dans le domaine de recherche sur les méthodes hybrides. Elle présente les principales approches hybrides développées et leurs applications. Une brève description des approches utilisant le concept de restriction d'espace est aussi présentée dans cette partie. La deuxième partie présente les concepts clés de ce cadre conceptuel. Il s'agit du processus d'identification des régions restreintes et des deux phases de recherche. Ces concepts sont mis en oeuvre dans un schéma hybride heuristique et méthode exacte. L'approche a été appliquée à un problème d'ordonnancement avec deux niveaux de décision, relié au contexte des pâtes et papier: "Pulp Production Scheduling Problem". La troisième partie a permit d'approfondir les concepts développés et ajuster les limitations identifiées dans la deuxième partie, en proposant une recherche itérative appliquée pour l'exploration de RS de grande taille et une structure en arbre binaire pour l'exploration de plusieurs RS. Cette structure a l'avantage d'éviter l'exploration d 'un espace déjà exploré précédemment tout en assurant une diversification naturelle à la méthode. Cette extension de la méthode a été testée sur un problème de localisation et d'allocation en utilisant un schéma d'hybridation heuristique-exact de manière itérative. La quatrième partie généralise les concepts préalablement développés et conçoit un cadre général qui est flexible, indépendant des méthodes utilisées et basé sur un échange d'informations entre les phases. Ce cadre a l'avantage d'être général et pourrait être appliqué à une large gamme de problèmes

A hybrid constraint programming and semidefinite programming approach for the stable set problem

This work presents a hybrid approach to solve the maximum stable set problem, using constraint and semidefinite programming. The approach consists of two steps: subproblem generation and subproblem solution. First we rank the variable domain values, based on the solution of a semidefinite relaxation. Using this ranking, we generate the most promising subproblems first, by exploring a search tree using a limited discrepancy strategy. Then the subproblems are being solved using a constraint programming solver. To strengthen the semidefinite relaxation, we propose to infer additional constraints from the discrepancy structure. Computational results show that the semidefinite relaxation is very informative, since solutions of good quality are found in the first subproblems, or optimality is proven immediately.Comment: 14 page

Optimization Models and Approximate Algorithms for the Aerial Refueling Scheduling and Rescheduling Problems

The Aerial Refueling Scheduling Problem (ARSP) can be defined as determining the refueling completion times for fighter aircrafts (jobs) on multiple tankers (machines) to minimize the total weighted tardiness. ARSP can be modeled as a parallel machine scheduling with release times and due date-to-deadline window. ARSP assumes that the jobs have different release times, due dates, and due date-to-deadline windows between the refueling due date and a deadline to return without refueling. The Aerial Refueling Rescheduling Problem (ARRP), on the other hand, can be defined as updating the existing AR schedule after being disrupted by job related events including the arrival of new aircrafts, departure of an existing aircrafts, and changes in aircraft priorities. ARRP is formulated as a multiobjective optimization problem by minimizing the total weighted tardiness (schedule quality) and schedule instability. Both ARSP and ARRP are formulated as mixed integer programming models. The objective function in ARSP is a piecewise tardiness cost that takes into account due date-to-deadline windows and job priorities. Since ARSP is NP-hard, four approximate algorithms are proposed to obtain solutions in reasonable computational times, namely (1) apparent piecewise tardiness cost with release time rule (APTCR), (2) simulated annealing starting from random solution (SArandom ), (3) SA improving the initial solution constructed by APTCR (SAAPTCR), and (4) Metaheuristic for Randomized Priority Search (MetaRaPS). Additionally, five regeneration and partial repair algorithms (MetaRE, BestINSERT, SEPRE, LSHIFT, and SHUFFLE) were developed for ARRP to update instantly the current schedule at the disruption time. The proposed heuristic algorithms are tested in terms of solution quality and CPU time through computational experiments with randomly generated data to represent AR operations and disruptions. Effectiveness of the scheduling and rescheduling algorithms are compared to optimal solutions for problems with up to 12 jobs and to each other for larger problems with up to 60 jobs. The results show that, APTCR is more likely to outperform SArandom especially when the problem size increases, although it has significantly worse performance than SA in terms of deviation from optimal solution for small size problems. Moreover CPU time performance of APTCR is significantly better than SA in both cases. MetaRaPS is more likely to outperform SAAPTCR in terms of average error from optimal solutions for both small and large size problems. Results for small size problems show that MetaRaPS algorithm is more robust compared to SAAPTCR. However, CPU time performance of SA is significantly better than MetaRaPS in both cases. ARRP experiments were conducted with various values of objective weighting factor for extended analysis. In the job arrival case, MetaRE and BestINSERT have significantly performed better than SEPRE in terms of average relative error for small size problems. In the case of job priority disruption, there is no significant difference between MetaRE, BestINSERT, and SHUFFLE algorithms. MetaRE has significantly performed better than LSHIFT to repair job departure disruptions and significantly superior to the BestINSERT algorithm in terms of both relative error and computational time for large size problems

A robust inversion method for quantitative 3D shape reconstruction from coaxial eddy-current measurements

This work is motivated by the monitoring of conductive clogging deposits in steam generator at the level of support plates. One would like to use monoaxial coils measurements to obtain estimates on the clogging volume. We propose a 3D shape optimization technique based on simplified parametrization of the geometry adapted to the measurement nature and resolution. The direct problem is modeled by the eddy current approximation of time-harmonic Maxwell's equations in the low frequency regime. A potential formulation is adopted in order to easily handle the complex topology of the industrial problem setting. We first characterize the shape derivatives of the deposit impedance signal using an adjoint field technique. For the inversion procedure, the direct and adjoint problems have to be solved for each coil vertical position which is excessively time and memory consuming. To overcome this difficulty, we propose and discuss a steepest descent method based on a fixed and invariant triangulation. Numerical experiments are presented to illustrate the convergence and the efficiency of the method

Eigenvector Model Descriptors for Solving an Inverse Problem of Helmholtz Equation: Extended Materials

We study the seismic inverse problem for the recovery of subsurface properties in acoustic media. In order to reduce the ill-posedness of the problem, the heterogeneous wave speed parameter to be recovered is represented using a limited number of coefficients associated with a basis of eigenvectors of a diffusion equation, following the regularization by discretization approach. We compare several choices for the diffusion coefficient in the partial differential equations, which are extracted from the field of image processing. We first investigate their efficiency for image decomposition (accuracy of the representation with respect to the number of variables and denoising). Next, we implement the method in the quantitative reconstruction procedure for seismic imaging, following the Full Waveform Inversion method, where the difficulty resides in that the basis is defined from an initial model where none of the actual structures is known. In particular, we demonstrate that the method is efficient for the challenging reconstruction of media with salt-domes. We employ the method in two and three-dimensional experiments and show that the eigenvector representation compensates for the lack of low frequency information, it eventually serves us to extract guidelines for the implementation of the method.Comment: 45 pages, 37 figure