An Algorithm for Projecting a Reference Direction onto the Nondominated Set of Given Points

In this paper, we consider the problem of searching nondominated alternatives in a discrete multiple criteria problem. The search procedure is based on the use of a reference direction. A reference direction reflects the desire of the decision maker (DM) to specify a search direction. To find a set of given alternatives related somehow to the reference direction specified by the DM, the reference direction has to be projected onto the set of nondominated alternatives. Our purpose is to develop an efficient algorithm for making this projection. The projection of each given reference direction determines a nondominated ordered subset. The set is provided to a decision maker for evaluation. The decision maker will choose the most preferred alternative from this subset and continues the search from this alternative with a new reference direction. The search will end when no direction of of improvement is found. A critical point in the procedure is the efficiency of the projection operation. This efficiency of our algorithm is considered theoretically and numerically. The projection is made by parametrizing an achievement scalarizing function originally proposed by Wierzbicki (1980) to project any single point onto the nondominated set

An interactive fuzzy physical programming for solving multiobjective skip entry problem

The multi-criteria trajectory planning for Space Manoeuvre Vehicle (SMV) is recognised as a challenging problem. Because of the nonlinearity and uncertainty in the dynamic model and even the objectives, it is hard for decision makers to balance all of the preference indices without violating strict path and box constraints. In this paper, to provide the designer an effective method and solve the trajectory hopping problem, an Interactive Fuzzy Physical Programming (IFPP) algorithm is introduced. A new multi-objective SMV optimal control problem is formulated and parameterized using an adaptive technique. By using the density function, the oscillations of the trajectory can be captured effectively. In addition, an interactive decision-making strategy is applied to modify the current designer’s preferences during optimization process. Two realistic decision-making scenarios are conducted by using the proposed algorithm; Simulation results indicated that without driving objective functions out of the tolerable region, the proposed approach can have better performance in terms of the satisfactory degree compared with other approaches like traditional weighted-sum method, Goal Programming (GP) and fuzzy goal programming (FGP). Also, the results can satisfy the current preferences given by the decision makers. Therefore, The method is potentially feasible for solving multi-criteria SMV trajectory planning problems

On the Relationship Between the Value Function and the Efficient Frontier of a Mixed Integer Linear Optimization Problem

In this paper, we investigate the connection between the efficient frontier (EF) of a general multiobjective mixed integer linear optimization problem (MILP) and the so-called restricted value function (RVF) of a closely related single-objective MILP. We demonstrate that the EF of the multiobjective MILP is comprised of points on the boundary of the epigraph of the RVF so that any description of the EF suffices to describe the RVF and vice versa. In the first part of the paper, we describe the mathematical structure of the RVF, including characterizing the set of points at which it is differentiable, the gradients at such points, and the subdifferential at all nondifferentiable points. Because of the close relationship of the RVF to the EF, we observe that methods for constructing so-called value functions and methods for constructing the EF of a multiobjective optimization problem, each of which have been developed in separate communities, are effectively interchangeable. By exploiting this relationship, we propose a generalized cutting plane algorithm for constructing the EF of a multiobjective MILP based on a generalization of an existing algorithm for constructing the classical value function. We prove that the algorithm is finite under a standard boundedness assumption and comes with a performance guarantee if terminated early

New Insights to Approximate the Pareto Optimal Front in Evolutionary Multiobjective Optimization. An Application to Students’ Satisfaction

Los resultados de la segunda parte demuestran el buen comportamiento de la combinación de técnicas econométricas y multiobjetivo, especialmente cuando utilizamos algoritmos evolutivos, para la resolución de problemas socio-económicos con la finalidad de encontrar la compensación (trade-offs) entre los objetivos estudiados y así poder sugerir mejoras, en este caso, en economía de la educación.La tesis presentada se basa en el desarrollo de nuevos algoritmos evolutivos para resolver problemas de optimización multiobjetivo, especialmente problemas con más de tres funciones objetivos, y en la modelización y resolución de un problema de economía de la educación. Dicha tesis está realizada en la modalidad de compendio de artículos y se compone de tres de los mismos. Los dos primeros relacionados con el desarrollo de un nuevo algoritmo evolutivo. En ellos, partiendo del algoritmo Global Weighting Achievement Scalarizing Fucntion Genetic Algorithm (GWASF-GA) (Saborido, Ruiz, and Luque, 2017), se plantea y desarrolla un nuevo algoritmo centrado en la adaptación de los vectores de pesos durante el proceso de ejecución, que ofrece muy buenos resultados en comparación con algoritmos muy conocidos y muy contrastados dentro del campo de los algoritmos evolutivos. El tercer artículo se centra en la modelización y resolución de un problema multiobjetivo obtenido a partir del análisis econométrico de datos referidos al rendimiento académico y satisfacción de los estudiantes andaluces con diferentes aspectos del proceso enseñanza-aprendizaje en los colegios de secundaria. Con los resultados obtenidos y teniendo en cuenta los algoritmos considerados, aunque los frentes óptimos de Pareto aproximados por A-GWASF-GA no sean los mejores en todos los casos (especialmente para los problemas con tres funciones objetivo), podemos asegurar que el nuevo algoritmo algoritmo evolutivo aquí propuesto (A-GWASF-GA) muestra resultados muy prometedores en problemas con más de tres funciones objetivo. De esta forma, A-GWASF-GA se autodefine como un algoritmo para trabajar con problemas manyobjective (con más de tres objetivos)

Solving the waste collection problem from a multiobjective perspective: New methodologies and case studies

Fecha de lectura Tesis Doctoral: 19 de marzo de 2018.Economía Aplicada ( Matemáticas) Resumen tesis: El tratamiento de residuos es un tema de estudio por parte de las administraciones locales a nivel mundial. Distintos factores han de tenerse en cuenta para realizar un servicio eficiente. En este trabajo se desarrolla una herramienta para analizar y resolver el problema de la recogida de residuos sólidos en Málaga. Tras un análisis exhaustivo de los datos, se aborda el problema real como un problema de rutas multiobjetivo con capacidad limitada. Para los problemas multiobjetivo, no suele existir una única solución óptima, sino un conjunto de soluciones eficientes de Pareto. Las características del problema hacen inviable su resolución de forma exacta, por lo que se aplican distintas estrategias metaheurísticas para obtener una buena aproximación. En particular, se combinan las técnicas de GRASP, Path Relinking y Variable Neighborhood Search, que son adaptadas a la perspectiva multicriterio. Se trata de una aproximación en dos fases: una primera aproximación de la frontera eficiente se genera mediante un GRASP multiobjetivo. Tres son los métodos propuestos para la primera aproximación, dos de ellos derivados de la publicación de Martí et al. (2015) y el último se apoya en la función escalarizada de logro de Wierzbicki (Wierzbicki, 1980) para distintas combinaciones de pesos. A continuación, esta aproximación es mejorada con una versión de Path Relinking o Variable Neighborhood Search, con un punto de referencia diseñado para problemas multiobjetivo. Una vez generada la aproximación de la frontera eficiente, el proceso de obtención de la solución que más se adecúa a las preferencias de los gestores se basa en el desarrollo de un método interactivo sin trade – off, derivado de la filosofía NAUTILUS (Miettinen et al. 2010). Para evitar gastos de cómputo extensos, esta metodología se apoya en una pre - computación de los elementos de la frontera eficiente

Domination and Decomposition in Multiobjective Programming

During the last few decades, multiobjective programming has received much attention for both its numerous theoretical advances as well as its continued success in modeling and solving real-life decision problems in business and engineering. In extension of the traditionally adopted concept of Pareto optimality, this research investigates the more general notion of domination and establishes various theoretical results that lead to new optimization methods and support decision making. After a preparatory discussion of some preliminaries and a review of the relevant literature, several new findings are presented that characterize the nondominated set of a general vector optimization problem for which the underlying domination structure is defined in terms of different cones. Using concepts from linear algebra and convex analysis, a well known result relating nondominated points for polyhedral cones with Pareto solutions is generalized to nonpolyhedral cones that are induced by positively homogeneous functions, and to translated polyhedral cones that are used to describe a notion of approximate nondominance. Pareto-oriented scalarization methods are modified and several new solution approaches are proposed for these two classes of cones. In addition, necessary and sufficient conditions for nondominance with respect to a variable domination cone are developed, and some more specific results for the case of Bishop-Phelps cones are derived. Based on the above findings, a decomposition framework is proposed for the solution of multi-scenario and large-scale multiobjective programs and analyzed in terms of the efficiency relationships between the original and the decomposed subproblems. Using the concept of approximate nondominance, an interactive decision making procedure is formulated to coordinate tradeoffs between these subproblems and applied to selected problems from portfolio optimization and engineering design. Some introductory remarks and concluding comments together with ideas and research directions for possible future work complete this dissertation

Decomposition methods for mixed-integer nonlinear programming

En esta tesis se pueden distinguir dos líneas principales de investigación. La primera se ocupa de los métodos de Aproximación Externa (Outer Approximation), mientras que la segunda estudia un solución basada en el método de Generación de Columnas (Column Generation). En esta tesis investigamos y analizamos aspectos teóricos y prácticos de ambas ideas dentro del marco de la descomposición. El objetivo principal de este estudio es desarrollar métodos sistemáticos basados en la descomposición para resolver problemas de gran escala utilizando los métodos de Aproximación Externa y Generación de Columnas. En el capítulo 1 se introduce un concepto importante necesario para la descomposición. Este concepto consiste en una reformulación separable en bloques del problema de programación no lineal de enteros mixtos. En el capítulo 1 también se hace una descripción de los métodos mencionados anteriormente, incluyendo los de Ramificación y Acotación, además de otros conceptos clave que son necesarios para esta tesis, como por ejemplo los de Aproximación Interior, etc. Los capítulos 2, 3 y 4 investigan el uso del concepto de Aproximación Externa. Específicamente, en el capítulo 2 se presenta un algoritmo de Aproximación Externa basado en descomposición para resolver problemas de programación no-lineales convexos enteros-mixtos, basados en la construcción de hiperplanos soporte para un conjunto factible. El capítulo 3 amplia el marco de aplicación de un algoritmo de Aproximación Externa basado en descomposición, a problemas de programación no lineales no convexos enteros mixtos, introduciendo una Aproximación Externa convexa por partes de un conjunto factible no convexo. Otra perspectiva de la definición de Aproximación Externa para problemas no convexos se considera en el capítulo 4, que presenta un algoritmo de Refinamiento Interno y Externo basado en descomposición, que construye una Aproximación Externa al mismo tiempo que calcula la Aproximación Interna usando Generación de Columnas. La Aproximación Externa usada en el algoritmo de Refinamiento Interno y Externo se basa en la visión multiobjetivo de la denominada versión recursos restringidos del problema original. Dos capítulos están dedicados a la Generación de Columnas. En el capítulo 4 se presenta un algoritmo de Generación de Columnas para calcular una Aproximación Interna del problema original. Además se describe un algoritmo heurístico basado en particiones que usa un refinamiento de la Aproximación Interna. El capítulo 5 analiza varias técnicas de aceleración para la Generación de Columnas, donde se describe un algoritmo heurístico general basado en la Generación de Columnas, que puede generar varias soluciones candidatas de alta calidad. El capítulo 6 contiene una breve descripción de la implementación en Python de DECOGO (software de programación no lineal de enteros mixtos).La programación no lineal de enteros mixtos es un campo de optimización importante y desafiante. Este tipo de problemas pueden contener variables continuas e enteras, así como restricciones lineales y no lineales. Esta clase de problemas tiene un papel fundamental en la ciencia y la industria, ya que proporcionan una forma precisa de describir fenómenos en diferentes áreas como ingeniería química y mecánica, cadena de suministro, gestión, etc. La mayoría de los algoritmos de última generación para resolver los problemas de programación no lineal de enteros mixtos no convexos están basados en los métodos de ramificación y acotación. El principal inconveniente de este enfoque es que el árbol de búsqueda puede crecer muy rápido impidiendo que el algoritmo encuentre una solución de alta calidad en un tiempo razonable. Una posible alternativa que evite la generación de grandes árboles consiste en hacer uso del concepto de descomposición para hacer que el procedimiento sea más manejable. La descomposición proporciona un marco general en el que el problema original se divide en pequeños subproblemas y sus resultados se combinan en un problema maestro más sencillo. Esta tesis analiza los métodos de descomposición para la programación no lineal de enteros mixtos. El principal objetivo de esta tesis es desarrollar métodos alternativos al de ramificación y acotación, basados en el concepto de descomposición. Para la industria y la ciencia, es importante calcular una solución óptima, o al menos, mejorar la mejor solución disponible hasta ahora. Además, esto debe hacerse en un plazo de tiempo razonable. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis es diseñar algoritmos eficientes que permitan resolver problemas de gran escala que tienen una aplicación práctica directa. En particular, nos centraremos en modelos que pueden ser aplicados en la planificación y operación de sistemas energéticos

Repurposing existing skeletal spatial structure (SkS) system designs using the Field Information Modeling (FIM) framework for generative decision-support in future construction projects

Skeletal spatial structure (SkS) systems are modular systems which have shown promise to support mass customization, and sustainability in construction. SkS have been used extensively in the reconstruction efforts since World War II, particularly to build geometrically flexible and free-form structures. By employing advanced digital engineering and construction practices, the existing SkS designs may be repurposed to generate new optimal designs that satisfy current construction demands of contemporary societies. To this end, this study investigated the application of point cloud processing using the Field Information Modeling (FIM) framework for the digital documentation and generative redesign of existing SkS systems. Three new algorithms were proposed to (i) expand FIM to include generative decision-support; (ii) generate as-built building information modeling (BIM) for SkS; and (iii) modularize SkS designs with repeating patterns for optimal production and supply chain management. These algorithms incorporated a host of new AI-inspired methods, including support vector machine (SVM) for decision support; Bayesian optimization for neighborhood definition; Bayesian Gaussian mixture clustering for modularization; and Monte Carlo stochastic multi-criteria decision making (MCDM) for selection of the top Pareto front solutions obtained by the non-dominant sorting Genetic Algorithm (NSGA II). The algorithms were tested and validated on four real-world point cloud datasets to solve two generative modeling problems, namely, engineering design optimization and facility location optimization. It was observed that the proposed Bayesian neighborhood definition outperformed particle swarm and uniform sampling by 34% and 27%, respectively. The proposed SVM-based linear feature detection outperformed k-means and spectral clustering by 56% and 9%, respectively. Finally, the NSGA II algorithm combined with the stochastic MCDM produced diverse “top four” solutions based on project-specific criteria. The results indicate promise for future utilization of the framework to produce training datasets for generative adversarial networks that generate new designs based only on stakeholder requirements