Algoritmos de aproximação para problemas de localização e alocação de terminais

Orientador: Lehilton Lelis Chaves PedrosaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: No Problema de Localização e Alocação de Terminais, a entrada é um espaço métrico composto por clientes, localidades e um conjunto de pares de clientes; uma solução é um subconjunto das localidades, onde serão abertos terminais, e uma atribuição de cada par de clientes a uma rota, que começa no primeiro cliente, passando em um ou dois terminais, e terminando no segundo cliente. O objetivo é encontrar uma solução que minimize o tamanho de todas as rotas somado com o custo de abertura de terminais. Os algoritmos de aproximação da literatura consideram apenas o caso em que o conjunto de terminais abertos é dado como parte da entrada, e o problema se torna atribuir clientes aos terminais; ou então quando o espaço é definido em classes especiais de grafos. Neste trabalho, apresentamos o primeiro algoritmo de aproximação com fator constante para o problema de, simultaneamente, escolher localidades para abrir terminais e atribuir clientes a estes. A primeira parte desta dissertação cria algoritmos de aproximação para diversas variantes do problema. A estratégia principal é reduzir os problemas de localização e alocação de terminais aos problemas clássicos de localidades, como o problema de localização de instalações e o problema das k-medianas. A redução transforma uma instância de localização e alocação de terminais em uma instância de um destes problemas, que então é resolvida usando algoritmos de aproximação já existentes na literatura. A saída do algoritmo induz uma solução para o problema original, com uma perda constante no fator de aproximação. Na segunda parte, o foco é o Problema de Localização e Alocação Única de Terminais (SAHLP), que é uma variação em que cada cliente deve estar conectado a apenas um terminal, além de não haver limite na quantidade de terminais abertos. A principal contribuição é um algoritmo 2.48-aproximado para o SAHLP, baseado em arredondamento de uma nova formulação de programa linear para o problema. O algoritmo é composto por duas fases: na primeira, a solução fracionária é escalada e um subconjunto de terminais é aberto, e na segunda, atribuímos clientes aos terminais abertos. A primeira fase segue o formato padrão de filtering para problemas de localidades. A segunda, no entanto, exigiu o desenvolvimento de novas ideias e é baseada em múltiplos critérios para realizar a atribuição. A principal técnica atribui cada cliente ao terminal aberto mais próximo, se este estiver em sua vizinhança; caso contrário, o cliente se conecta ao terminal que melhor balanceia múltiplos custos, relacionados à distância entre elesAbstract: In the Hub Location Problem (HLP), the input is a metric space composed of clients, locations and a set of pairs of clients; a solution is a subset of locations to open hubs and an assignment for each pair of clients to a route starting in the first client, passing through one or two hubs and ending in the second client. The objective is to find a solution that minimizes the length of all routes plus the cost of opening hubs. The currently known approximation algorithms consider only the case in which the set of hubs is given as part of the input and the problem is assigning clients to hubs; or when the space is defined on special classes of graphs. In this work, we present the first constant-factor approximation algorithms for the problem of, simultaneously, selecting hubs and allocating clients. The first part of the thesis derives approximation algorithms for several variants of the problem. The main strategy is to reduce the hub location problems to classical location problems, such as Facility Location and k-Median. The reduction transforms an instance of hub location into an instance of a corresponding location problem, which is then solved by known approximation algorithm. The algorithm¿s output induces a solution of the original problem within a constant loss in the approximation ratio. In the second part, we focus on the Single Allocation Hub Location Problem (SAHLP), that is the variant in which a client must be connected to only one hub and there is no limit on the number of open hubs. Our main contribution is a 2.48-approximation algorithm for the SAHLP, based on the rounding of a new linear programming formulation. The algorithm is composed of two phases: in the first one, we scale the fractional solution and open a subset of hub locations, and in the second one, we assign clients to open hubs. The first phase follows the standard filtering framework for location problems. The latter, however, demanded the development of new ideas and is based on a multiple criteria assignment. The main technique is assigning a client to a closest open hub only if there are near open hubs, and otherwise selecting the hub which balances multiple costsMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computação2016/12006-1CAPESFAPES