A cycle-based evolutionary algorithm for the fixed-charge capacitated multi-commodity network design problem

This paper presents an evolutionary algorithm for the fixed-charge multicommodity network design problem (MCNDP), which concerns routing multiple commodities from origins to destinations by designing a network through selecting arcs, with an objective of minimizing the fixed costs of the selected arcs plus the variable costs of the flows on each arc. The proposed algorithm evolves a pool of solutions using principles of scatter search, interlinked with an iterated local search as an improvement method. New cycle-based neighborhood operators are presented which enable complete or partial re-routing of multiple commodities. An efficient perturbation strategy, inspired by ejection chains, is introduced to perform local compound cycle-based moves to explore different parts of the solution space. The algorithm also allows infeasible solutions violating arc capacities while performing the "ejection cycles", and subsequently restores feasibility by systematically applying correction moves. Computational experiments on benchmark MCNDP instances show that the proposed solution method consistently produces high-quality solutions in reasonable computational times

Node-based Lagrangian relaxations for multicommodity capacitated fixed-charge network design

Classical Lagrangian relaxations for the multicommodity capacitated fixed-charge network design problem are the so-called flow and knapsack relaxations, where the resulting Lagrangian subproblems decompose by commodities and by arcs, respectively. We introduce node-based Lagrangian relaxations, where the resulting Lagrangian subproblem decomposes by nodes. We show that the Lagrangian dual bounds of these relaxations improve upon the linear programming relaxation bound, known to be equal to the Lagrangian dual bounds for the flow and knapsack relaxations. We also develop a Lagrangian matheuristic to compute upper bounds. The computational results on a set of benchmark instances show that the Lagrangian matheuristic is competitive with the state-of-the-art heuristics from the literature

Hybrid Statistical Data Mining Framework for Multi-Commodity Fixed Charge Network Flow Problem

This paper presents a new approach to analyze the network structure in multi-commodity fixed charge network flow problems (MCFCNF). This methodology uses historical data produced from repeatedly solving the traditional MCFCNF mathematical model as input for the machine-learning framework. Further, we reshape the problem as a binary classification problem and employ machine-learning algorithms to predict network structure. This predicted network structure is further used as an initial solution for our mathematical model. The quality of the initial solution generated is judged on the basis of predictive accuracy, feasibility and reduction in solving time

Lagrangian-based methods for single and multi-layer multicommodity capacitated network design

Le problème de conception de réseau avec coûts fixes et capacités (MCFND) et le problème de conception de réseau multicouches (MLND) sont parmi les problèmes de conception de réseau les plus importants. Dans le problème MCFND monocouche, plusieurs produits doivent être acheminés entre des paires origine-destination différentes d’un réseau potentiel donné. Des liaisons doivent être ouvertes pour acheminer les produits, chaque liaison ayant une capacité donnée. Le problème est de trouver la conception du réseau à coût minimum de sorte que les demandes soient satisfaites et que les capacités soient respectées. Dans le problème MLND, il existe plusieurs réseaux potentiels, chacun correspondant à une couche donnée. Dans chaque couche, les demandes pour un ensemble de produits doivent être satisfaites. Pour ouvrir un lien dans une couche particulière, une chaîne de liens de support dans une autre couche doit être ouverte. Nous abordons le problème de conception de réseau multiproduits multicouches à flot unique avec coûts fixes et capacités (MSMCFND), où les produits doivent être acheminés uniquement dans l’une des couches. Les algorithmes basés sur la relaxation lagrangienne sont l’une des méthodes de résolution les plus efficaces pour résoudre les problèmes de conception de réseau. Nous présentons de nouvelles relaxations à base de noeuds, où le sous-problème résultant se décompose par noeud. Nous montrons que la décomposition lagrangienne améliore significativement les limites des relaxations traditionnelles. Les problèmes de conception du réseau ont été étudiés dans la littérature. Cependant, ces dernières années, des applications intéressantes des problèmes MLND sont apparues, qui ne sont pas couvertes dans ces études. Nous présentons un examen des problèmes de MLND et proposons une formulation générale pour le MLND. Nous proposons également une formulation générale et une méthodologie de relaxation lagrangienne efficace pour le problème MMCFND. La méthode est compétitive avec un logiciel commercial de programmation en nombres entiers, et donne généralement de meilleurs résultats.The multicommodity capacitated fixed-charge network design problem (MCFND) and the multilayer network design problem (MLND) are among the most important network design problems. In the single-layer MCFND problem, several commodities have to be routed between different origin-destination pairs of a given potential network. Appropriate capacitated links have to be opened to route the commodities. The problem is to find the minimum cost design and routing such that the demands are satisfied and the capacities are respected. In the MLND, there are several potential networks, each at a given layer. In each network, the flow requirements for a set of commodities must be satisfied. However, the selection of the links is interdependent. To open a link in a particular layer, a chain of supporting links in another layer has to be opened. We address the multilayer single flow-type multicommodity capacitated fixed-charge network design problem (MSMCFND), where commodities are routed only in one of the layers. Lagrangian-based algorithms are one of the most effective solution methods to solve network design problems. The traditional Lagrangian relaxations for the MCFND problem are the flow and knapsack relaxations, where the resulting Lagrangian subproblems decompose by commodity and by arc, respectively. We present new node-based relaxations, where the resulting subproblem decomposes by node. We show that the Lagrangian dual bound improves significantly upon the bounds of the traditional relaxations. We also propose a Lagrangian-based algorithm to obtain upper bounds. Network design problems have been the object of extensive literature reviews. However, in recent years, interesting applications of multilayer problems have appeared that are not covered in these surveys. We present a review of multilayer problems and propose a general formulation for the MLND. We also propose a general formulation and an efficient Lagrangian-based solution methodology for the MMCFND problem. The method is competitive with (and often significantly better than) a state-of-the-art mixedinteger programming solver on a large set of randomly generated instances

Matheuristics: using mathematics for heuristic design

Matheuristics are heuristic algorithms based on mathematical tools such as the ones provided by mathematical programming, that are structurally general enough to be applied to different problems with little adaptations to their abstract structure. The result can be metaheuristic hybrids having components derived from the mathematical model of the problems of interest, but the mathematical techniques themselves can define general heuristic solution frameworks. In this paper, we focus our attention on mathematical programming and its contributions to developing effective heuristics. We briefly describe the mathematical tools available and then some matheuristic approaches, reporting some representative examples from the literature. We also take the opportunity to provide some ideas for possible future development

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

Randomized rounding algorithms for large scale unsplittable flow problems

Unsplittable flow problems cover a wide range of telecommunication and transportation problems and their efficient resolution is key to a number of applications. In this work, we study algorithms that can scale up to large graphs and important numbers of commodities. We present and analyze in detail a heuristic based on the linear relaxation of the problem and randomized rounding. We provide empirical evidence that this approach is competitive with state-of-the-art resolution methods either by its scaling performance or by the quality of its solutions. We provide a variation of the heuristic which has the same approximation factor as the state-of-the-art approximation algorithm. We also derive a tighter analysis for the approximation factor of both the variation and the state-of-the-art algorithm. We introduce a new objective function for the unsplittable flow problem and discuss its differences with the classical congestion objective function. Finally, we discuss the gap in practical performance and theoretical guarantees between all the aforementioned algorithms