Intuitionistic Fuzzy Rule-Base Model for the Time Dependent Traveling Salesman Problem

The Traveling Salesman Problem is a well-known combinatorial optimization problem. There are many different extensions and modifications of the original problem, such as The Time Dependent Traveling Salesman Problem, this specific extension of the original Traveling Salesman Problem towards more realistic traffic conditions assessment. In the Time Dependent Traveling Salesman Problem the “distances” (costs) between nodes vary in time, they are considered longer during the rush hour period or in the traffic jam region, e.g. the city centre. In this article we introduce an even more realistic approach, the Intuitionistic Fuzzy Time Dependent Traveling Salesman Problem. It is an extension of the Time Dependent Traveling Salesman Problem with the additional notion of intuitionistic fuzzy sets (which is a generalization of the original fuzzy sets). Our goal is to give a useful extended, alternative model instead of the original abstract problem. By demonstrating that the addition of intuitionistic fuzzy elements to quantify the intangible jam factors creates an inference system that approximates the tour cost in a more practical way. Hence, we are one step closer to offering a more realistic solution for the generalized Traveling Salesman Problem. The results of two simple toy examples showed the general effectiveness of the model

Comprehensive Taxonomies of Nature- and Bio-inspired Optimization: Inspiration versus Algorithmic Behavior, Critical Analysis and Recommendations

In recent years, a great variety of nature- and bio-inspired algorithms has been reported in the literature. This algorithmic family simulates different biological processes observed in Nature in order to efficiently address complex optimization problems. In the last years the number of bio-inspired optimization approaches in literature has grown considerably, reaching unprecedented levels that dark the future prospects of this field of research. This paper addresses this problem by proposing two comprehensive, principle-based taxonomies that allow researchers to organize existing and future algorithmic developments into well-defined categories, considering two different criteria: the source of inspiration and the behavior of each algorithm. Using these taxonomies we review more than three hundred publications dealing with nature-inspired and bio-inspired algorithms, and proposals falling within each of these categories are examined, leading to a critical summary of design trends and similarities between them, and the identification of the most similar classical algorithm for each reviewed paper. From our analysis we conclude that a poor relationship is often found between the natural inspiration of an algorithm and its behavior. Furthermore, similarities in terms of behavior between different algorithms are greater than what is claimed in their public disclosure: specifically, we show that more than one-third of the reviewed bio-inspired solvers are versions of classical algorithms. Grounded on the conclusions of our critical analysis, we give several recommendations and points of improvement for better methodological practices in this active and growing research field.Comment: 76 pages, 6 figure

Optimización de algoritmos bioinspirados en sistemas heterogéneos CPU-GPU.

Los retos científicos del siglo XXI precisan del tratamiento y análisis de una ingente cantidad de información en la conocida como la era del Big Data. Los futuros avances en distintos sectores de la sociedad como la medicina, la ingeniería o la producción eficiente de energía, por mencionar sólo unos ejemplos, están supeditados al crecimiento continuo en la potencia computacional de los computadores modernos. Sin embargo, la estela de este crecimiento computacional, guiado tradicionalmente por la conocida “Ley de Moore”, se ha visto comprometido en las últimas décadas debido, principalmente, a las limitaciones físicas del silicio. Los arquitectos de computadores han desarrollado numerosas contribuciones multicore, manycore, heterogeneidad, dark silicon, etc, para tratar de paliar esta ralentización computacional, dejando en segundo plano otros factores fundamentales en la resolución de problemas como la programabilidad, la fiabilidad, la precisión, etc. El desarrollo de software, sin embargo, ha seguido un camino totalmente opuesto, donde la facilidad de programación a través de modelos de abstracción, la depuración automática de código para evitar efectos no deseados y la puesta en producción son claves para una viabilidad económica y eficiencia del sector empresarial digital. Esta vía compromete, en muchas ocasiones, el rendimiento de las propias aplicaciones; consecuencia totalmente inadmisible en el contexto científico. En esta tesis doctoral tiene como hipótesis de partida reducir las distancias entre los campos hardware y software para contribuir a solucionar los retos científicos del siglo XXI. El desarrollo de hardware está marcado por la consolidación de los procesadores orientados al paralelismo masivo de datos, principalmente GPUs Graphic Processing Unit y procesadores vectoriales, que se combinan entre sí para construir procesadores o computadores heterogéneos HSA. En concreto, nos centramos en la utilización de GPUs para acelerar aplicaciones científicas. Las GPUs se han situado como una de las plataformas con mayor proyección para la implementación de algoritmos que simulan problemas científicos complejos. Desde su nacimiento, la trayectoria y la historia de las tarjetas gráficas ha estado marcada por el mundo de los videojuegos, alcanzando altísimas cotas de popularidad según se conseguía más realismo en este área. Un hito importante ocurrió en 2006, cuando NVIDIA (empresa líder en la fabricación de tarjetas gráficas) lograba hacerse con un hueco en el mundo de la computación de altas prestaciones y en el mundo de la investigación con el desarrollo de CUDA “Compute Unified Device Arquitecture. Esta arquitectura posibilita el uso de la GPU para el desarrollo de aplicaciones científicas de manera versátil. A pesar de la importancia de la GPU, es interesante la mejora que se puede producir mediante su utilización conjunta con la CPU, lo que nos lleva a introducir los sistemas heterogéneos tal y como detalla el título de este trabajo. Es en entornos heterogéneos CPU-GPU donde estos rendimientos alcanzan sus cotas máximas, ya que no sólo las GPUs soportan el cómputo científico de los investigadores, sino que es en un sistema heterogéneo combinando diferentes tipos de procesadores donde podemos alcanzar mayor rendimiento. En este entorno no se pretende competir entre procesadores, sino al contrario, cada arquitectura se especializa en aquella parte donde puede explotar mejor sus capacidades. Donde mayor rendimiento se alcanza es en estos clústeres heterogéneos, donde múltiples nodos son interconectados entre sí, pudiendo dichos nodos diferenciarse no sólo entre arquitecturas CPU-GPU, sino también en las capacidades computacionales dentro de estas arquitecturas. Con este tipo de escenarios en mente, se presentan nuevos retos en los que lograr que el software que hemos elegido como candidato se ejecuten de la manera más eficiente y obteniendo los mejores resultados posibles. Estas nuevas plataformas hacen necesario un rediseño del software para aprovechar al máximo los recursos computacionales disponibles. Se debe por tanto rediseñar y optimizar los algoritmos existentes para conseguir que las aportaciones en este campo sean relevantes, y encontrar algoritmos que, por su propia naturaleza sean candidatos para que su ejecución en dichas plataformas de alto rendimiento sea óptima. Encontramos en este punto una familia de algoritmos denominados bioinspirados, que utilizan la inteligencia colectiva como núcleo para la resolución de problemas. Precisamente esta inteligencia colectiva es la que les hace candidatos perfectos para su implementación en estas plataformas bajo el nuevo paradigma de computación paralela, puesto que las soluciones pueden ser construidas en base a individuos que mediante alguna forma de comunicación son capaces de construir conjuntamente una solución común. Esta tesis se centrará especialmente en uno de estos algoritmos bioinspirados que se engloba dentro del término metaheurísticas bajo el paradigma del Soft Computing, el Ant Colony Optimization “ACO”. Se realizará una contextualización, estudio y análisis del algoritmo. Se detectarán las partes más críticas y serán rediseñadas buscando su optimización y paralelización, manteniendo o mejorando la calidad de sus soluciones. Posteriormente se pasará a implementar y testear las posibles alternativas sobre diversas plataformas de alto rendimiento. Se utilizará el conocimiento adquirido en el estudio teórico-práctico anterior para su aplicación a casos reales, más en concreto se mostrará su aplicación sobre el plegado de proteínas. Todo este análisis es trasladado a su aplicación a un caso concreto. En este trabajo, aunamos las nuevas plataformas hardware de alto rendimiento junto al rediseño e implementación software de un algoritmo bioinspirado aplicado a un problema científico de gran complejidad como es el caso del plegado de proteínas. Es necesario cuando se implementa una solución a un problema real, realizar un estudio previo que permita la comprensión del problema en profundidad, ya que se encontrará nueva terminología y problemática para cualquier neófito en la materia, en este caso, se hablará de aminoácidos, moléculas o modelos de simulación que son desconocidos para los individuos que no sean de un perfil biomédico.Ingeniería, Industria y Construcció

Applications of Genetic Algorithm and Its Variants in Rail Vehicle Systems: A Bibliometric Analysis and Comprehensive Review

Railway systems are time-varying and complex systems with nonlinear behaviors that require effective optimization techniques to achieve optimal performance. Evolutionary algorithms methods have emerged as a popular optimization technique in recent years due to their ability to handle complex, multi-objective issues of such systems. In this context, genetic algorithm (GA) as one of the powerful optimization techniques has been extensively used in the railway sector, and applied to various problems such as scheduling, routing, forecasting, design, maintenance, and allocation. This paper presents a review of the applications of GAs and their variants in the railway domain together with bibliometric analysis. The paper covers highly cited and recent studies that have employed GAs in the railway sector and discuss the challenges and opportunities of using GAs in railway optimization problems. Meanwhile, the most popular hybrid GAs as the combination of GA and other evolutionary algorithms methods such as particle swarm optimization (PSO), ant colony optimization (ACO), neural network (NN), fuzzy-logic control, etc with their dedicated application in the railway domain are discussed too. More than 250 publications are listed and classified to provide a comprehensive analysis and road map for experts and researchers in the field helping them to identify research gaps and opportunities

Automated design of population-based algorithms: a case study in vehicle routing

Metaheuristics have been extensively studied to solve constraint combinatorial optimisation problems such as vehicle routing problems. Most existing algorithms require considerable human effort and different kinds of expertise in algorithm design. These manually designed algorithms are discarded after solving the specific instances. It is highly desirable to automate the design of search algorithms, thus to solve problem instances effectively with less human intervention. This thesis develops a novel general search framework to formulate in a unified way a range of population-based algorithms. Within this framework, generic algorithmic components such as selection heuristics on the population and evolution operators are defined, and can be composed using machine learning to generate effective search algorithms automatically. This unified framework aims to serve as the basis to analyse algorithmic components, generating effective search algorithms for complex combinatorial optimisation problems. Three key research issues within the general search framework are identified: automated design of evolution operators, of selection heuristics, and of both. To accurately describe the search space of algorithm design as a new task for machine learning, this thesis identifies new key features, namely search-dependent and instance-dependent features. These features are identified to assist effective algorithm design. With these features, a set of state-of-the-art reinforcement learning techniques, such as deep Q-network based and proximal policy optimisation based models and maximum entropy mechanisms have been developed to intelligently select and combine appropriate evolution operators and selection heuristics during different stages of the optimisation process. The effectiveness and generality of these algorithms automatically designed within the proposed general search framework are validated comprehensively across different capacitated vehicle routing problem with time windows benchmark instances. This thesis contributes to making a key step towards automated algorithm design with a general framework supporting fundamental analysis by effective machine learning

A Survey on Environmentally Friendly Vehicle Routing Problem and a Proposal of Its Classification

The growth of environmental awareness and more robust enforcement of numerous regulations to reduce greenhouse gas (GHG) emissions have directed efforts towards addressing current environmental challenges. Considering the Vehicle Routing Problem (VRP), one of the effective strategies to control greenhouse gas emissions is to convert the fossil fuel-powered fleet into Environmentally Friendly Vehicles (EFVs). Given the multitude of constraints and assumptions defined for different types of VRPs, as well as assumptions and operational constraints specific to each type of EFV, many variants of environmentally friendly VRPs (EF-VRP) have been introduced. In this paper, studies conducted on the subject of EF-VRP are reviewed, considering all the road transport EFV types and problem variants, and classifying and discussing with a single holistic vision. The aim of this paper is twofold. First, it determines a classification of EF-VRP studies based on different types of EFVs, i.e., Alternative-Fuel Vehicles (AFVs), Electric Vehicles (EVs) and Hybrid Vehicles (HVs). Second, it presents a comprehensive survey by considering each variant of the classification, technical constraints and solution methods arising in the literature. The results of this paper show that studies on EF-VRP are relatively novel and there is still room for large improvements in several areas. So, to determine future insights, for each classification of EF-VRP studies, the paper provides the literature gaps and future research needs