Exact methods for Bayesian network structure learning and cost function networks

Les modèles graphiques discrets représentent des fonctions jointes sur de grands ensembles de variables en tant qu'une combinaison de fonctions plus petites. Il existe plusieurs instanciations de modèles graphiques, notamment des modèles probabilistes et dirigés comme les réseaux Bayésiens, ou des modèles déterministes et non-dirigés comme les réseaux de fonctions de coûts. Des requêtes comme trouver l'explication la plus probable (MPE) sur un réseau Bayésiens, et son équivalent, trouver une solution de coût minimum sur un réseau de fonctions de coût, sont toutes les deux des tâches d’optimisation combinatoire NP-difficiles. Il existe cependant des techniques de résolution robustes qui ont une large gamme de domaines d'applications, notamment les réseaux de régulation de gènes, l'analyse de risques et le traitement des images. Dans ce travail, nous contribuons à l'état de l'art de l'apprentissage de la structure des réseaux Bayésiens (BNSL), et répondons à des requêtes de MPE et de minimisation des coûts sur les réseaux Bayésiens et les réseaux de fonctions de coûts. Pour le BNSL, nous découvrons un nouveau point dans l'espace de conception des algorithmes de recherche qui atteint un compromis différent entre la qualité et la vitesse de l'inférence. Les algorithmes existants optent soit pour la qualité maximale de l'inférence en utilisant la programmation linéaire en nombres entiers (PLNE) et la séparation et évaluation, soit pour la vitesse de l'inférence en utilisant la programmation par contraintes (PPC). Nous définissons des propriétés d'une classe spéciale d'inégalités, qui sont appelées "les inégalités de cluster" et qui mènent à un algorithme avec une qualité d'inférence beaucoup plus puissante que celle basée sur la PPC, et beaucoup plus rapide que celle basée sur la PLNE. Nous combinons cet algorithme avec des idées originales pour une propagation renforcée ainsi qu'une représentation de domaines plus compacte, afin d'obtenir des performances dépassant l'état de l'art dans le solveur open source ELSA (Exact Learning of bayesian network Structure using Acyclicity reasoning). Pour les réseaux de fonctions de coûts, nous identifions une faiblesse dans l'utilisation de la relaxation continue dans une classe spécifique de solveurs, y compris le solveur primé "ToulBar2". Nous prouvons que cette faiblesse peut entraîner des décisions de branchement sous-optimales et montrons comment détecter un ensemble maximal de telles décisions qui peuvent ensuite être évitées par le solveur. Cela permet à ToulBar2 de résoudre des problèmes qui étaient auparavant solvables uniquement par des algorithmes hybrides.Discrete Graphical Models (GMs) represent joint functions over large sets of discrete variables as a combination of smaller functions. There exist several instantiations of GMs, including directed probabilistic GMs like Bayesian Networks (BNs) and undirected deterministic models like Cost Function Networks (CFNs). Queries like Most Probable Explanation (MPE) on BNs and its equivalent on CFNs, which is cost minimisation, are NP-hard, but there exist robust solving techniques which have found a wide range of applications in fields such as bioinformatics, image processing, and risk analysis. In this thesis, we make contributions to the state of the art in learning the structure of BNs, namely the Bayesian Network Structure Learning problem (BNSL), and answering MPE and minimisation queries on BNs and CFNs. For BNSL, we discover a new point in the design space of search algorithms, which achieves a different trade-off between inference strength and speed of inference. Existing algorithms for it opt for either maximal strength of inference, like the algorithms based on Integer Programming (IP) and branch-and-cut, or maximal speed of inference, like the algorithms based on Constraint Programming (CP). We specify properties of a specific class of inequalities, called cluster inequalities, which lead to an algorithm that performs much stronger inference than that based on CP, much faster than that based on IP. We combine this with novel ideas for stronger propagation and more compact domain representations to achieve state-of-the-art performance in the open-source solver ELSA (Exact Learning of bayesian network Structure using Acyclicity reasoning). For CFNs, we identify a weakness in the use of linear programming relaxations by a specific class of solvers, which includes the award-winning open-source ToulBar2 solver. We prove that this weakness can lead to suboptimal branching decisions and show how to detect maximal sets of such decisions, which can then be avoided by the solver. This allows ToulBar2 to tackle problems previously solvable only by hybrid algorithms

Solutions globales d'optimisation robuste pour la gestion dynamique de terminaux à conteneurs

This thesis deals with the case of a maritime port in which container terminals are cooperating to provide better global service. In order to coordinate operations between the terminals, a model and several solving methods are proposed. The objective is to minimize turnaround times of mother and feeder vessels, barges and trains. A solution to the model provides an assignment of container-transport vehicles to the terminals, including trucks, as well as an allocation of resources and time intervals to handle them and their containers. To obtain solutions to the model, a mixed-integer programming formulation is provided, as well as several mathematical programming based heuristics. A rolling horizon framework is introduced for dynamic management under uncertainty. Numerical experiments are conducted on thousands of various realistic instances. Results indicate the viability of our approach and demonstrate that allowing cooperation between terminals significantly increases the performance of the system.Cette thèse s’intéresse au cas d’un port maritime dans lequel des terminaux à conteneurs coopèrent afin de fournir un meilleur service global. Pour coordonner les opérations entre les terminaux, un modèle et plusieurs méthodes de résolution sont proposés. L’objectif est de minimiser les temps de rotation des navires aux longs cours, des navires caboteurs, des barges fluviales et des trains. Une solution au modèle fournit une affectation des véhicules de transport de conteneurs aux terminaux, ce qui inclue les camions, ainsi qu’une allocation de ressources et des intervalles temporels pour leurs prises en charge et pour celles de leurs conteneurs. Pour obtenir des solutions au modèle, une formulation du problème comme un programme linéaire en variables mixtes est proposée, ainsi que plusieurs heuristiques basées sur la programmation mathématique. Une méthode de planification en horizon glissant est introduite pour la gestion dynamique avec prise en compte des incertitudes. Des expériences numériques sont conduites avec des milliers d’instances réalistes variées, dont les résultats indiquent la viabilité de notre approche. Des résultats démontrent qu’autoriser la coopération entre terminaux augmente significativement la performance du système

Construction de facettes pour le polytope du sac-à-dos quadratique en 0-1

International audienceNous construisons des familles de facettes du polytope du sac-à-dos quadratique en 0-1 selon les deux approches suivantes. Le Boolean quadric polytope (introduit dans le cas sans contraintes par Padberg [12]) contenant le polytope du sac-à-dos quadratique, une première approche consiste à se demander sous quelles conditions une facette du premier est aussi une facette du second et quand ces conditions ne sont pas remplies quels liftings permettent d'en faire une facette. Des réponses à ces questions sont données dans le cas de l'inégalité "coupe" introduite par Padberg. Dans une seconde approche, suivant la méthode de linéarisation d'Adams et Sherali [1], nous multiplions par une variable directe ou complémentée une facette du polytope du sac-à-dos linéaire. Nous montrons que cette approche permet d'obtenir des facettes du polytope du sac-à-dos quadratique et nous l'étendons par la suite à la multiplication de facettes du sac-à-dos quadratique lui-même. Des résultats numériques illustrent la mise en oeuvre dans un algorithme de coupes, d'inégalités ainsi obtenues