Approximate Submodularity and Its Implications in Discrete Optimization

Submodularity, a discrete analog of convexity, is a key property in discrete optimization that features in the construction of valid inequalities and analysis of the greedy algorithm. In this paper, we broaden the approximate submodularity literature, which so far has largely focused on variants of greedy algorithms and iterative approaches. We define metrics that quantify approximate submodularity and use these metrics to derive properties about approximate submodularity preservation and extensions of set functions. We show that previous analyses of mixed-integer sets, such as the submodular knapsack polytope, can be extended to the approximate submodularity setting. In addition, we demonstrate that greedy algorithm bounds based on our notions of approximate submodularity are competitive with those in the literature, which we illustrate using a generalization of the uncapacitated facility location problem

On the use of biased-randomized algorithms for solving non-smooth optimization problems

Soft constraints are quite common in real-life applications. For example, in freight transportation, the fleet size can be enlarged by outsourcing part of the distribution service and some deliveries to customers can be postponed as well; in inventory management, it is possible to consider stock-outs generated by unexpected demands; and in manufacturing processes and project management, it is frequent that some deadlines cannot be met due to delays in critical steps of the supply chain. However, capacity-, size-, and time-related limitations are included in many optimization problems as hard constraints, while it would be usually more realistic to consider them as soft ones, i.e., they can be violated to some extent by incurring a penalty cost. Most of the times, this penalty cost will be nonlinear and even noncontinuous, which might transform the objective function into a non-smooth one. Despite its many practical applications, non-smooth optimization problems are quite challenging, especially when the underlying optimization problem is NP-hard in nature. In this paper, we propose the use of biased-randomized algorithms as an effective methodology to cope with NP-hard and non-smooth optimization problems in many practical applications. Biased-randomized algorithms extend constructive heuristics by introducing a nonuniform randomization pattern into them. Hence, they can be used to explore promising areas of the solution space without the limitations of gradient-based approaches, which assume the existence of smooth objective functions. Moreover, biased-randomized algorithms can be easily parallelized, thus employing short computing times while exploring a large number of promising regions. This paper discusses these concepts in detail, reviews existing work in different application areas, and highlights current trends and open research lines

Solution Methods for the \u3cem\u3ep\u3c/em\u3e-Median Problem: An Annotated Bibliography

The p-median problem is a graph theory problem that was originally designed for, and has been extensively applied to, facility location. In this bibliography, we summarize the literature on solution methods for the uncapacitated and capacitated p-median problem on a graph or network

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

On some cost allocation problems in communication networks

New technologies prompted an explosion in the development of communication networks. Modern network optimization techniques usually lead to a design of the most profitable, or the least cost network that will provide some service to customers. There are various costs and gains associated with building and using a communication network. Moreover, the involved multiple network users and/or owners possibly have conflicting objectives. However, they might cooperate in order to decrease their joint cost or increase their joint profit. Clearly, these individuals or organizations will support a globally \u27attractive\u27 solution(s) only if their expectations for a \u27fair share\u27 of the cost or profit are met. Consequently, providing network developers, users and owners with efficiently computable \u27fair\u27 cost allocation solution procedures is of great importance for strategic management. This work is an overview of some recent results (some already published as well as some new) in the development of cooperative game theory based mechanisms to efficiently compute \u27attractive\u27 cost allocation solutions for several important classes of communication networks

Facility Location Problems: Models, Techniques, and Applications in Waste Management

This paper presents a brief description of some existing models of facility location problems (FLPs) in solid waste management. The study provides salient information on commonly used distance functions in location models along with their corresponding mathematical formulation. Some of the optimization techniques that have been applied to location problems are also presented along with an appropriate pseudocode algorithm for their implementation. Concerning the models and solution techniques, the survey concludes by summarizing some recent studies on the applications of FLPs to waste collection and disposal. It is expected that this paper will contribute in no small measure to an integrated solid waste management system with specific emphasis on issues associated with waste collection, thereby boosting the drive for e�ective and e�cient waste collection systems. The content will also provide early career researchers with some necessary starting information required to formulate and solve problems relating to FLP