Solving the Uncapacitated Single Allocation p-Hub Median Problem on GPU

A parallel genetic algorithm (GA) implemented on GPU clusters is proposed to solve the Uncapacitated Single Allocation p-Hub Median problem. The GA uses binary and integer encoding and genetic operators adapted to this problem. Our GA is improved by generated initial solution with hubs located at middle nodes. The obtained experimental results are compared with the best known solutions on all benchmarks on instances up to 1000 nodes. Furthermore, we solve our own randomly generated instances up to 6000 nodes. Our approach outperforms most well-known heuristics in terms of solution quality and time execution and it allows hitherto unsolved problems to be solved

Synchronizing inventory and transport within supply chain management

The problem considers synchronized optimization of inventory and transport, and focuses on producer-distributor relations. Particular attention is paid to developing a mathematical model and an optimization problem that can be used to minimize the overall distribution cost by an appropriate placement of warehouses and cross-docking points. Solutions to this problem are explored using genetic algorithms and ideas from graph/network theory. Note: there are three separate reports contained within the uploaded .pdf file

An Efficient Genetic Algorithm for Solving the Multi-Level Uncapacitated Facility Location Problem

In this paper a new evolutionary approach for solving the multi-level uncapacitated facility location problem (MLUFLP) is presented. Binary encoding scheme is used with appropriate objective function containing dynamic programming approach for finding sequence of located facilities on each level to satisfy clients' demands. The experiments were carried out on the modified standard single level facility location problem instances. Genetic algorithm (GA) reaches all known optimal solutions for smaller dimension instances, obtained by total enumeration and CPLEX solver. Moreover, all optimal/best known solutions were reached by genetic algorithm for a single-level variant of the problem

Solving the Maximally Balanced Connected Partition Problem in Graphs by Using Genetic Algorithm

This paper exposes a research of the NP-hard Maximally Balanced Connected Partition problem (MBCP). The proposed solution comprises of a genetic algorithm (GA) that uses: binary representation, fine-grained tournament selection, one-point crossover, simple mutation with frozen genes and caching technique. In cases of unconnected partitions, penalty functions are successfully applied in order to obtain the feasible individuals. The effectiveness of presented approach is demonstrated on the grid graph instances and on random instances with up to 300 vertices and 2 000 edges

Solving the Generalized Vertex Cover Problem by Genetic Algorithm

In this paper an evolutionary approach to solving the generalized vertex cover problem (GVCP) is presented. Binary representation and standard genetic operators are used along with the appropriate objective function. The experiments were carried out on randomly generated instances with up to 500 vertices and 100000 edges. Performance of the genetic algorithm (GA) is compared with CPLEX solver and 2-approximation algorithm based on LP relaxation. The genetic algorithm outperformed both CPLEX solver and 2-approximation heuristic

Multi-level Facility Location Problems

We conduct a comprehensive review on multi-level facility location problems which extend several classical facility location problems and can be regarded as a subclass within the well-established field of hierarchical facility location. We first present the main characteristics of these problems and discuss some similarities and differences with related areas. Based on the types of decisions involved in the optimization process, we identify three different categories of multi-level facility location problems. We present overviews of formulations, algorithms and applications, and we trace the historical development of the field

Genetic Algorithm Approach for Solving the Machine-Job Assignment with Controllable Processing Times

This paper considers a genetic algorithm (GA) for a machine-job assignment with controllable processing times (MJACPT). Integer representation with standard genetic operators is used. In an objective function, a job assignment is obtained from genetic code and for this, fixed assignment processing times are calculated by solving a constrained nonlinear convex optimization problem. Additionally, the job assignment of each individual is improved by local search. Computational results are presented for the instances from literature and modified large-scale instances for the generalized assignment problem (GAP). It can be seen that the proposed GA approach reaches almost all optimal solutions, which are known in advance, except in one case. For large-scale instances, GA obtained reasonably good solutions in relatively short computational time

A heuristic approach for multi-product capacitated single-allocation hub location problems

Tese de mestrado, Estatística e Investigação Operacional, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015Em redes onde o fluxo entre nodos é muito elevado (como pode ser o caso do transporte de pessoas e mercadorias ou até mesmo fluxo de dados numa rede), torna-se menos dispendioso criar pontos onde se concentram os fluxos provenientes das diferentes origens para depois serem consolidados e redistribuídos até aos destinos. A esses pontos dá-se o nome de hubs. O problema de localização de hubs consiste na localização de hubs numa rede e na alocação de todos os nodos da rede a esses hubs, de modo a que se possa encaminhar os fluxos entre os pares origem-destino a menos que sejam hubs. A rede constituída pelos hubs é normalmente definida como completa e não se permitem ligações diretas entre os pares origem-destino. Para além disso, assume-se que existe um factor de desconto para o fluxo que circula entre hubs. Neste tipo de redes (hub-and-spoke networks) podem aparecer duas variantes, no que diz respeito à alocação dos nodos aos hubs: single-allocation e multiple-allocation. No primeiro caso, permite-se apenas uma ligação de cada nodo não hub a um hub de modo a que todo o fluxo com origem e destino a cada nodo saia e chegue a esse nodo através de apenas um hub. No caso em que se tem multiple-allocation, cada nodo poderá ser afecto a mais do que um hub e o fluxo que chega e sai desse nodo poderá usar mais do que um hub. Algumas variantes que se poderão considerar para este problema incluem restrições de capacidade nos hubs (restrições que limitam a capacidade de um hub processar uma certa quantidade de fluxo de origem, limitações na capacidade total, limitações no processamento de fluxo que sai do hub, etc.), restrições de capacidade nos arcos, problemas multi-periódicos, presença de incerteza, o número de hubs ser fixo, o tipo de objectivo (minimizar custos, minimizar distâncias entre hubs, etc.) entre outras. A necessidade de aproximar este tipo de problemas aos casos que se observam no mundo real leva à inclusão de cada vez mais restrições dando origem a mais variantes do problema. Neste trabalho, será abordado o problema de localização de hubs na variante single-Allocation, com restrições de capacidade em relação ao fluxo que cada hub é capaz de processar. Para além disso, considera-se fluxos relativos a mais do que um tipo de produto. Este problema é designado por Problema Multi-produto de Localização de Hubs com Capacidade1. Cada hub poderá ser dedicado a processar apenas um tipo de produto, poderá processar mais do que um, ou mesmo todos. A rede de hubs é completa para cada produto mas, no entanto, se se considerar a rede de hubs para todos os produtos, esta poderá não ser completa. Como constatado em Correia et al. [17], no caso em que cada hub processa todos os tipos de produto, resolver o problema multi-produto ao invés de se resolver vários problemas, um para cada produto em separado, dá origem a melhores resultados. A complexidade inerente a este tipo de problemas leva a que sejam classificados como problemas NP-Hard pois não existem algoritmos que sejam capazes de os resolver em tempo polinomial. Por esta razão faz sentido desenvolver algoritmos heurísticos de modo a se conseguir obter, em tempo útil, soluções para instâncias maiores do problema . Como referido em Meyer et al. [51], em problemas de localização de hubs, duas soluções com valores objectivo muito semelhantes poderão ser estruturalmente muito diferentes, e portanto, através um mecanismo de pesquisa local poderá ser muito difícil a passagem de uma boa solução para outra melhor. Por esta razão, neste trabalho opta-se por uma heurística que se baseia num método em que se constroem soluções repetidamente. Para a construção das soluções, considerando que um processo de construção do tipo Greedy poderia dar origem a um número limitado de soluções e que as componentes da solução que são escolhidas por último são as piores, optou-se pelo desenvolvimento de um algoritmo de Ant Colony Optimization (ACO). Esta meta-heurística baseia-se no comportamento apresentado pelas formigas quando estas procuram alimento. Quando uma formiga deixa a colónia em busca de alimento, no seu trajeto, deposita um químico (feromona) que pode ser detectado por outras formigas. Quanto maior a concentração de feromona, maior a atração de cada formiga por esse trajeto e, portanto, os trajetos com maiores concentrações de feromonas serão percorridos por mais formigas. Por outro lado, se o caminho de ida e volta até ao alimento for mais curto, mais vezes será percorrido e maior será a concentração de feromona nesse caminho. O resultado destes dois tipos de reforço positivo nas concentrações de feromona nos trajetos percorridos pelas formigas, aliados ao facto de que existe evaporação do químico (a concentração de feromona diminui nos caminhos menos percorridos ao longo do tempo) dá origem aos \carreirinhos" de formigas que se podem observar na natureza e que normalmente representam o caminho mais curto entre o alimento e a Colónia de formigas. Considere-se o problema em questão em que se tem n nodos e p produtos. Para a representação das soluções, em vez de se considerar uma matriz binária n χ n χ p, onde o valor 1 representa uma afetação, considerou-se uma matriz n χ p, em que cada entrada representa, para cada produto, o hub ao qual o nodo foi afecto. O caso em que um nodo é afecto a si mesmo indica que esse nodo é hub para o produto correspondente. Este tipo de representação permite reduzir o tamanho da matriz e diminuir o uso da memória computacional. Antes da construção de uma solução, é aplicado um pré-processamento que vai evitar, com base nas restrições do problema, que certas componentes da solução sejam consideradas durante o processo de construção da solução. Deste modo, reduz-se o espaço de procura de soluções e algum esforço computacional. Para a construção de uma solução, escolhe-se o tamanho da colonia (o número de formigas que pertencem à colónia) e cada formiga vai escolhendo, sucessivamente, componentes da solução através de uma regra pseudo-aleatória onde algumas componentes da solução são escolhidas de um modo greedy e outras são escolhidas através de roulette wheel selection. A cada componente da solução é atribuído um valor inicial de feromona e, à medida que cada formiga vai adicionando componentes à solução, o valor da feromona associado à componente adicionada vai decrescendo, o que resulta na diminuição da probabilidade de que essa componente seja escolhida pela próxima formiga, dando origem à diversificação do conjunto de soluções construído por cada colónia. No fim, depois de todas as formigas terem construído uma solução, escolhe-se a melhor solução e reforça-se a concentração de feromona na melhor solução construída pela colónia. Se, por acaso, uma formiga der origem a uma solução não admissível, a solução construída por essa formiga não é considerada. Para mais detalhe em relação a este processo consultar Dorigo et al. [20]. Este tipo de algoritmo permite a inclusão de métodos de pesquisa local de modo a que a solução obtida por cada colónia seja melhorada. Com o objectivo de obter um algoritmo mais eficiente, escolheu-se incluir esta possibilidade e procedeu-se ao reforço da concentração de feromona após feita uma pesquisa local. Na pesquisa local efectuada, usaram-se três tipos de vizinhança. Um deles fecha os hubs dedicados que só servem a si próprios e realoca-os a outros já abertos para esse mesmo produto. Outro, escolhe aleatoriamente um nodo alocado a um hub dedicado para um dado produto e realoca-o a outro hub dedicado ao mesmo produto. Um terceiro, escolhe um hub aleatoriamente e transforma-o num nodo, realocando-o a outro hub dedicado ao mesmo tipo de produto. De modo a obter soluções iniciais melhores, explora-se a possibilidade de atribuir valores iniciais de feromona mais altos às componentes de solução pertencentes à solução da relaxação linear, na proporção do valor correspondente no caso das variáveis 0-1. Uma outra variação explorada consiste em fazer o reforço do valor de feromona às componentes da solução, apenas quando esta é a melhor de todas encontrada até ao momento, permitindo que haja evaporação de certas componentes de solução que poderão estar a ser escolhidas consecutivamente e permitindo que se escape mais facilmente de óptimos locais. Após implementação do algoritmo procede-se à fase dos testes computacionais em instâncias do problema com 10, 20, 25 e 40 nodos, 1, 2 e 3 produtos e hubs que processam 1, 2 e 3 produtos. As instâncias usadas nos testes computacionais pertencem ao Australian Post data set e foram adaptados por Correia et al. [17] de modo a que se tivesse dados para mais do que um tipo de produto.In this thesis, an heuristic procedure is proposed for the the multi-product capacitated single-allocation hub location problem. When addressing a problem in which it is necessary to determine the transportation of large commodity flows between many origin-destination (O-D) pairs, instead of using direct links, it becomes more efficient to design the networks in such a way that some of the nodes become consolidation centers or hubs. The Multi-Product Capacitated Single-Allocation Hub Location Problem (MP-CSAHLP according to Correia et al. [17]), is a NP-Hard problem in which several types of ow are considered, making it possible to consider the case when multiple types of products are to be shipped between each O-D pair. It can be seen as an extension of the classical Capacitated Single-Allocation Hub Location Problem. In the problem investigated in this work, no more than one hub can be located in each node and the hubs can be either dedicated (each hub can only handle one type of product) or non-dedicated (one hub can handle more than one type product). The hubs have capacity limitations regarding the incoming flow. Furthermore, the hub network is complete for each product but, when considering the hub network as a whole, it does not necessarily have to be complete. The goal is to locate the hubs in the network, allocate the non-hub nodes to the opened hubs and route the flow between each O-D pair. The objective is to minimize the total ow routing cost plus the setup costs of the hubs and costs of preparing the hubs to handle the different types of products. In order to obtain feasible solutions to the above problem, an Ant Colony Optimization procedure is proposed, which is a constructive, population-based meta-heuristic based in the foraging behavior of ants. Indirect communication between the ants through pheromones reflects the colony search experience. High-quality solutions are found as an outcome of the global cooperation among all the ants of the colony. A preprocessing procedure is also proposed in which some solution components are forbidden based on the problems restrictions. Such preprocessing reduces the search space and thus may reduce the computational effort. The proposed heuristic uses a single ant colony, which simultaneously chooses the hubs and allocates the nodes to the hubs. Once these solutions are found, the routing of the flow is computed in a short amount of time, using the optimization models for the MP-CSAHLP in which some variables (location and allocation) are fixed. The results show that the proposed heuristic has the potential to find good quality solutions for the MP-CSAHLP and that its performance can be improved with finer parameter tuning, longer runs and more intense local search

A multi-start biased-randomized algorithm for the capacitated dispersion problem

The capacitated dispersion problem is a variant of the maximum diversity problem in which a set of elements in a network must be determined. These elements might represent, for instance, facilities in a logistics network or transmission devices in a telecommunication network. Usually, it is considered that each element is limited in its servicing capacity. Hence, given a set of possible locations, the capacitated dispersion problem consists of selecting a subset that maximizes the minimum distance between any pair of elements while reaching an aggregated servicing capacity. Since this servicing capacity is a highly usual constraint in real-world problems, the capacitated dispersion problem is often a more realistic approach than is the traditional maximum diversity problem. Given that the capacitated dispersion problem is an NP-hard problem, whenever large-sized instances are considered, we need to use heuristic-based algorithms to obtain high-quality solutions in reasonable computational times. Accordingly, this work proposes a multi-start biased-randomized algorithm to efficiently solve the capacitated dispersion problem. A series of computational experiments is conducted employing small-, medium-, and large-sized instances. Our results are compared with the best-known solutions reported in the literature, some of which have been proven to be optimal. Our proposed approach is proven to be highly competitive, as it achieves either optimal or near-optimal solutions and outperforms the non-optimal best-known solutions in many cases. Finally, a sensitive analysis considering different levels of the minimum aggregate capacity is performed as well to complete our study.Peer ReviewedPostprint (published version

Bi-objective p-hub Location Problems

In this thesis, we introduce, model, and solve bi-objective hub location problems. The two well-known hub location problems from the literature, the p-hub median and p-hub center problems, are uni ed under a bi-objective setting considering the single, multiple, and r-allocation strategies. We developed a 3-index and a 4-index mixed-integer programming formulation for each of the allocation strategies. All the formulations are tested on the CAB dataset from the literature using a commercial optimization software. We observe the effect of different priorities given to the objectives on the locations of hub nodes, allocations, and the CPU time requirements with different allocation strategies under different values of problem parameters