A study on the deployment of GA in a grid computing framework

Dissertação de Mestrado, Engenharia Informática, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015Os algoritmos genéticos (AG) desempenham um papel importante na resolução de muitos problemas de otimização, incluindo científicos, económicos e socialmente relevantes. Os AGs, conjuntamente com a programação genética (PG), a programação evolutiva (PE), e as estratégias de evolução, são as principais classes de algoritmos evolutivos (AEs), ou seja, algoritmos que simulam a evolução natural. Em aplicações do mundo real o tempo de execução dos AGs pode ser computacionalmente exigente, devido, principalmente, aos requerimentos relacionados com o tamanho da população. Este problema pode ser atenuado através da paralelização, que pode levar a GAs mais rápidos e com melhor desempenho. Embora a maioria das implementações existentes de Algoritmos Genéticos Paralelos (AGPs) utilize clusters ou processamento massivamente paralelo (PMP), a computação em grid é economicamente relevante (uma grid pode ser construída utilizando computadores obsoletos) e tem algumas vantagens sobre os clusters, como por exemplo a não existência de controlo centralizado, segurança e acesso a recursos heterogéneos distribuídos em organizações virtuais dinâmicas em todo o mundo. Esta investigação utiliza o problema do mundo real denominado de Problema do Caixeiro Viajante (PCV) como referência (benchmark) para a paralelização de AGs numa infraestrutura de computação em grid. O PCV é um problema NP-difícil de otimização combinatória, bem conhecido, que pode ser formalmente descrito como o problema de encontrar, num grafo, o ciclo hamiltoniano mais curto. De facto, muitos problemas de roteamento, produção e escalonamento encontrados na engenharia, na indústria e outros tipos de negócio, podem ser equiparados ao PCV, daí a sua importância. Informalmente, o problema pode ser descrito da seguinte forma: Um vendedor tem um grande número de cidades para visitar e precisa encontrar o caminho mais curto para visitar todas as cidades, sem revisitar nenhuma delas. A principal dificuldade em encontrar as melhores soluções para o PCV é o grande número de caminhos possíveis; (n-1)! / 2 para um caminho de n cidades simétricas. À medida que o número de cidades aumenta, o número de caminhos possíveis também aumenta de uma forma fatorial. O PCV é, portanto, computacionalmente intratável, justificando plenamente a utilização de um método de otimização estocástica, como os AGs. No entanto, mesmo um algoritmo de otimização estocástica pode demorar demasiado tempo para calcular, à medida que o tamanho do problema aumenta. Num AG para grandes populações, o tempo necessário para resolver o problema pode até ser excessivamente longo. Uma forma de acelerar tais algoritmos é usar recursos adicionais, tais como elementos adicionais de processamento funcionando em paralelo e colaborando para encontrar a solução. Isto leva a implementações simultâneas de AGs, adequadas para a implementação em recursos colaborando em paralelo e/ou de forma distribuída. Os Algoritmos evolutivos paralelos (AEPs) destinam-se a implementar algoritmos mais rápidos e com melhor desempenho, usando populações estruturadas, ou seja, distribuições espaciais dos indivíduos. Uma das maneiras possíveis de descentralizar a população é distribuí-la por um conjunto de nós de processamento (ilhas) que trocam periodicamente (migram) potenciais soluções; o chamado modelo de ilhas. O modelo de ilhas permite um número considerável de topologias de migração e, pela Informação que foi possível apurar, há uma carência de trabalhos de investigação sobre a comparação dessas topologias de migração, ao implementar AEPs em infraestruturas de computação em grid. De facto, a comparação de topologias de migração, utilizando uma infraestrutura de computação em grid, como proposto neste trabalho, parece não estar disponível na literatura. Esta comparação tem como objetivo fornecer uma resposta tecnicamente sólida para a questão de investigação: Qual é a topologia, de modelo de ilhas, mais rápida para resolver instâncias do PCV usando um algoritmo genético baseado em ordem, num ambiente de computação em grid, heterogéneo e distribuído, sem uma perda significativa de fitness, comparativamente com a implementação sequencial e panmítica do mesmo algoritmo? Uma hipótese para responder à questão de investigação pode ser expressa da seguinte forma: Para resolver instâncias TSP, usando um algoritmo genético baseado em ordem, num ambiente de computação em grid, heterogéneo e distribuído, sem uma perda significativa de fitness, comparativamente com a implementação sequencial e panmítica do mesmo algoritmo, escolha qualquer uma das topologias coordenadas do modelo de ilhas, de entre as topologias testadas (estrela, roda, árvore, matriz totalmente conectada, árvore-anel, anel) com o maior número de nós possível (mesmo os mais lentos) e selecione a frequência de migração g que otimiza o tempo de execução para a topologia escolhida. A metodologia de investigação é essencialmente experimental, observando e analisando o comportamento do algoritmo ao alterar as propriedades do modelo de ilhas. Os resultados mostram que o AG é acelerado quando implementado num ambiente grid, mantendo a qualidade dos resultados obtidos na versão sequencial. Além disso, mesmo os computadores obsoletos podem ser usados como nós contribuindo para acelerar o tempo de execução do algoritmo. Este trabalho também discute a adequação de uma abordagem assíncrona para a implementação do AG num ambiente de computação em grid

A study on the deployment of GA in a grid computing framework

Dissertação de Mestrado, Engenharia Informática, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015Os algoritmos genéticos (AG) desempenham um papel importante na resolução de muitos problemas de otimização, incluindo científicos, económicos e socialmente relevantes. Os AGs, conjuntamente com a programação genética (PG), a programação evolutiva (PE), e as estratégias de evolução, são as principais classes de algoritmos evolutivos (AEs), ou seja, algoritmos que simulam a evolução natural. Em aplicações do mundo real o tempo de execução dos AGs pode ser computacionalmente exigente, devido, principalmente, aos requerimentos relacionados com o tamanho da população. Este problema pode ser atenuado através da paralelização, que pode levar a GAs mais rápidos e com melhor desempenho. Embora a maioria das implementações existentes de Algoritmos Genéticos Paralelos (AGPs) utilize clusters ou processamento massivamente paralelo (PMP), a computação em grid é economicamente relevante (uma grid pode ser construída utilizando computadores obsoletos) e tem algumas vantagens sobre os clusters, como por exemplo a não existência de controlo centralizado, segurança e acesso a recursos heterogéneos distribuídos em organizações virtuais dinâmicas em todo o mundo. Esta investigação utiliza o problema do mundo real denominado de Problema do Caixeiro Viajante (PCV) como referência (benchmark) para a paralelização de AGs numa infraestrutura de computação em grid. O PCV é um problema NP-difícil de otimização combinatória, bem conhecido, que pode ser formalmente descrito como o problema de encontrar, num grafo, o ciclo hamiltoniano mais curto. De facto, muitos problemas de roteamento, produção e escalonamento encontrados na engenharia, na indústria e outros tipos de negócio, podem ser equiparados ao PCV, daí a sua importância. Informalmente, o problema pode ser descrito da seguinte forma: Um vendedor tem um grande número de cidades para visitar e precisa encontrar o caminho mais curto para visitar todas as cidades, sem revisitar nenhuma delas. A principal dificuldade em encontrar as melhores soluções para o PCV é o grande número de caminhos possíveis; (n-1)! / 2 para um caminho de n cidades simétricas. À medida que o número de cidades aumenta, o número de caminhos possíveis também aumenta de uma forma fatorial. O PCV é, portanto, computacionalmente intratável, justificando plenamente a utilização de um método de otimização estocástica, como os AGs. No entanto, mesmo um algoritmo de otimização estocástica pode demorar demasiado tempo para calcular, à medida que o tamanho do problema aumenta. Num AG para grandes populações, o tempo necessário para resolver o problema pode até ser excessivamente longo. Uma forma de acelerar tais algoritmos é usar recursos adicionais, tais como elementos adicionais de processamento funcionando em paralelo e colaborando para encontrar a solução. Isto leva a implementações simultâneas de AGs, adequadas para a implementação em recursos colaborando em paralelo e/ou de forma distribuída. Os Algoritmos evolutivos paralelos (AEPs) destinam-se a implementar algoritmos mais rápidos e com melhor desempenho, usando populações estruturadas, ou seja, distribuições espaciais dos indivíduos. Uma das maneiras possíveis de descentralizar a população é distribuí-la por um conjunto de nós de processamento (ilhas) que trocam periodicamente (migram) potenciais soluções; o chamado modelo de ilhas. O modelo de ilhas permite um número considerável de topologias de migração e, pela Informação que foi possível apurar, há uma carência de trabalhos de investigação sobre a comparação dessas topologias de migração, ao implementar AEPs em infraestruturas de computação em grid. De facto, a comparação de topologias de migração, utilizando uma infraestrutura de computação em grid, como proposto neste trabalho, parece não estar disponível na literatura. Esta comparação tem como objetivo fornecer uma resposta tecnicamente sólida para a questão de investigação: Qual é a topologia, de modelo de ilhas, mais rápida para resolver instâncias do PCV usando um algoritmo genético baseado em ordem, num ambiente de computação em grid, heterogéneo e distribuído, sem uma perda significativa de fitness, comparativamente com a implementação sequencial e panmítica do mesmo algoritmo? Uma hipótese para responder à questão de investigação pode ser expressa da seguinte forma: Para resolver instâncias TSP, usando um algoritmo genético baseado em ordem, num ambiente de computação em grid, heterogéneo e distribuído, sem uma perda significativa de fitness, comparativamente com a implementação sequencial e panmítica do mesmo algoritmo, escolha qualquer uma das topologias coordenadas do modelo de ilhas, de entre as topologias testadas (estrela, roda, árvore, matriz totalmente conectada, árvore-anel, anel) com o maior número de nós possível (mesmo os mais lentos) e selecione a frequência de migração g que otimiza o tempo de execução para a topologia escolhida. A metodologia de investigação é essencialmente experimental, observando e analisando o comportamento do algoritmo ao alterar as propriedades do modelo de ilhas. Os resultados mostram que o AG é acelerado quando implementado num ambiente grid, mantendo a qualidade dos resultados obtidos na versão sequencial. Além disso, mesmo os computadores obsoletos podem ser usados como nós contribuindo para acelerar o tempo de execução do algoritmo. Este trabalho também discute a adequação de uma abordagem assíncrona para a implementação do AG num ambiente de computação em grid

Green Parallel Metaheuristics: Design, Implementation, and Evaluation

Fecha de lectura de Tesis Doctoral 14 mayo 2020Green parallel metaheuristics (GPM) is a new concept we want to introduce in this thesis. It is an idea inspired by two facts: (i) parallel metaheuristics could help as unique tools to solve optimization problems in energy savings applications and sustainability, and (ii) these algorithms themselves run on multiprocessors, clusters, and grids of computers and then consume energy, so they need an energy analysis study for their different implementations over multiprocessors. The context for this thesis is to make a modern and competitive effort to extend the capability of present intelligent search optimization techniques. Analyzing the different sequential and parallel metaheuristics considering its energy consumption requires a deep investigation of the numerical performance, the execution time for efficient future designing to these algorithms. We present a study of the speed-up of the different parallel implementations over a different number of computing units. Moreover, we analyze and compare the energy consumption and numerical performance of the sequential/parallel algorithms and their components: a jump in the efficiency of the algorithms that would probably have a wide impact on the domains involved.El Instituto Egipcio en Madrid, dependiente del Gobierno de Egipto

Dynamic and fault tolerant three-dimensional cellular genetic algorithms

In the area of artificial intelligence, the development of Evolutionary Algorithms (EAs) has been very active, especially in the last decade. These algorithms started to evolve when scientists from various regions of the world applied the principles of evolution to algorithmic search and problem solving. EAs have been utilised successfully in diverse complex application areas. Their success in tackling hard problems has been the engine of the field of Evolutionary Computation (EC). Nowadays, EAs are considered to be the best solution to use when facing a hard search or optimisation problem. Various improvements are continually being made with the design of new operators, hybrid models, among others. A very important example of such improvements is the use of parallel models of GAs (PGAs). PGAs have received widespread attention from various researchers as they have proved to be more effective than panmictic GAs, especially in terms of efficacy and speedup. This thesis focuses on, and investigates, cellular Genetic Algorithms (cGAs)-a competitive variant of parallel GAs. In a cGA, the tentative solutions evolve in overlapped neighbourhoods, allowing smooth diffusion of the solutions. The benefits derived from using cGAs come not only from flexibility gains and their fitness to the objective target in combination with a robust behaviour but also from their high performance and amenability to implementation using advanced custom silicon chip technologies. Nowadays, cGAs are considered as adaptable concepts for solving problems, especially complex optimisation problems. Due to their structural characteristics, cGAs are able to promote an adequate exploration/exploitation trade-off and thus maintain genetic diversity. Moreover, cGAs are characterised as being massively parallel and easy to implement. The structural characteristics inherited in a cGA provide an active area for investigation. Because of the vital role grid structure plays in determining the effectiveness of the algorithm, cellular dimensionality is the main issue to be investigated here. The implementation of cGAs is commonly carried out on a one- or two-dimensional structure. Studies that investigate higher cellular dimensions are lacking. Accordingly, this research focuses on cGAs that are implemented on a three-dimensional structure. Having a structure with three dimensions, specifically a cubic structure, facilitates faster spreading of solutions due to the shorter radius and denser neighbourhood that result from the vertical expansion of cells. In this thesis, a comparative study of cellular dimensionality is conducted. Simulation results demonstrate higher performance achieved by 3D-cGAs over their 2D-cGAs counterparts. The direct implementation of 3D-cGAs on the new advanced 3D-IC technology will provide added benefits such as higher performance combined with a reduction in interconnection delays, routing length, and power consumption. The maintenance of system reliability and availability is a major concern that must be addressed. A system is likely to fail due to either hard or soft errors. Therefore, detecting a fault before it deteriorates system performance is a crucial issue. Single Event Upsets (SEUs), or soft errors, do not cause permanent damage to system functionality, and can be handled using fault-tolerant techniques. Existing fault-tolerant techniques include hardware or software fault tolerance, or a combination of both. In this thesis, fault-tolerant techniques that mitigate SEUs at the algorithmic level are explored and the inherent abilities of cGAs to deal with these errors are investigated. A fault-tolerant technique and several mitigation techniques are also proposed, and faulty critical data are evaluated critical fault scenarios (stuck at ‘1’ and stuck at ‘0’ faults) are taken into consideration. Chief among several test and real world problems is the problem of determining the attitude of a vehicle using a Global Positioning System (GPS), which is an example of hard real-time application. Results illustrate the ability of cGAs to maintain their functionality and give an adequate performance even with the existence of up to 40% errors in fitness score cells. The final aspect investigated in this thesis is the dynamic characteristic of cGAs. cGAs, and EAs in general, are known to be stochastic search techniques. Hence, adaptive systems are required to continue to perform effectively in a changing environment, particularly when tackling real-world problems. The adaptation in cellular engines is mainly achieved through dynamic balancing between exploration and exploitation. This area has received considerable attention from researchers who focus on improving the algorithmic performance without incurring additional computational effort. The structural properties and the genetic operations provide ways to control selection pressure and, as a result, the exploration/exploitation trade-off. In this thesis, the genetic operations of cGAs, particularly the selection aspect and their influence on the search process, are investigated in order to dynamically control the exploration/exploitation trade-off. Two adaptive-dynamic techniques that use genetic diversity and convergence speeds to guide the search are proposed. Results obtained by evaluating the proposed approaches on a test bench of diverse-characteristic real-world and test problems showed improvement in dynamic cGAs performance over their static counterparts and other dynamic cGAs. For example, the proposed Diversity-Guided 3D-cGA outperformed all the other dynamic cGAs evaluated by obtaining a higher search success rate that reached to 55%

Parallel evolutionary algorithms in telecommunications: two case studies

Sequential and parallel evolutionary algorithms (EAs) are developed and evaluated on two hard optimisation problems arising in the field of Telecommunications: designing error correcting codes, and finding optimal placements for antennas in radio networks. Different EA models (generational, steadystate and cellular) are compared on these two problems, both in sequential and parallel versions. We conclude that the cellular EA is a very effective technique, consistently finding the optimum, although it is slower than a steady-state EA. A distributed steady-state EA is shown to be the best approach, achieving the same success rate than the cellular EA in much lower time. Furthermore, it is shown that linear speedups are possible when using separate processors.Eje: Sistemas inteligentesRed de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI