Quick Combinatorial Artificial Bee Colony -qCABC- Optimization Algorithm for TSP

Combinatorial Artificial Bee Colony Algorithm (CABC) is a new version of Artificial Bee Colony (ABC) to solve combinatorial type optimization problems and quick Artificial Bee Colony (qABC) algorithm is an improved version of ABC in which the onlooker bees behavior is modeled in more detailed way. Studies showed that qABC algorithm improves the convergence performance of standard ABC on numerical optimization. In this paper, to see the performance of this new modeling way of onlookers' behavior on combinatorial optimization, we apply the qABC idea to CABC and name this new algorithm as quick CABC (qCABC). qCABC is tested on Traveling Salesman Problem and simulation results show that qCABC algorithm improves the convergence and final performance of CABC

Ant Colony Algorithms for the Resolution of Semantic Searches in P2P Networks

Tesis por compendio[EN] The long-lasting trend in the field of computation of stress and resource distribution has found its way into computer networks via the concept of peer-to-peer (P2P) connectivity. P2P is a symmetrical model, where each network node is enabled a comparable range of capacities and resources. It stands in a stark contrast to the classical, strongly asymmetrical client-server approach. P2P, originally considered only a complimentary, server-side structure to the straightforward client-server model, has been shown to have the substantial potential on its own, with multiple, widely known benefits: good fault tolerance and recovery, satisfactory scalability and intrinsic load distribution. However, contrary to client-server, P2P networks require sophisticated solutions on all levels, ranging from network organization, to resource location and managing. In this thesis we address one of the key issues of P2P networks: performing efficient resource searches of semantic nature under realistic, dynamic conditions. There have been numerous solutions to this matter, with evolutionary, stigmergy-based, and simple computational foci, but few attempt to resolve the full range of challenges this problem entails. To name a few: real-life P2P networks are rarely static, nodes disconnect, reconnect and change their content. In addition, a trivial incorporation of semantic searches into well-known algorithms causes significant decrease in search efficiency. In our research we build a solution incrementally, starting with the classic Ant Colony System (ACS) within the Ant Colony Optimization metaheuristic (ACO). ACO is an algorithmic framework used for solving combinatorial optimization problems that fits contractually the problem very well, albeit not providing an immediate solution to any of the aforementioned problems. First, we propose an efficient ACS variant in structured (hypercube structured) P2P networks, by enabling a path-post processing algorithm, which called Tabu Route Optimization (TRO). Next, we proceed to resolve the issue of network dynamism with an ACO-compatible information diffusion approach. Consequently, we attempt to incorporate the semantic component of the searches. This initial approximation to the problem was achieved by allowing ACS to differentiate between search types with the pheromone-per-concept idea. We called the outcome of this merger Routing Concept ACS (RC-ACS). RC-ACS is a robust, static multipheromone implementation of ACS. However, we were able to conclude from it that the pheromone-per-concept approach offers only limited scalability and cannot be considered a global solution. Thus, further progress was made in this respect when we introduced to RC-ACS our novel idea: dynamic pheromone creation, which replaces the static one-to-one assignment. We called the resulting algorithm Angry Ant Framework (AAF). In AAF new pheromone levels are created as needed and during the search, rather than prior to it. The final step was to enable AAF, not only to create pheromone levels, but to reassign them to optimize the pheromone usage. The resulting algorithm is called EntropicAAF and it has been evaluated as one of the top-performing algorithms for P2P semantic searches under all conditions.[ES] La popular tendencia de distribución de carga y recursos en el ámbito de la computación se ha transmitido a las redes computacionales a través del concepto de la conectividad peer-to-peer (P2P). P2P es un modelo simétrico, en el cual a cada nodo de la red se le otorga un rango comparable de capacidades y recursos. Se trata de un fuerte contraste con el clásico y fuertemente asimétrico enfoque cliente-servidor. P2P, originalmente considerado solo como una estructura del lado del servidor complementaria al sencillo modelo cliente-servidor, ha demostrado tener un potencial considerable por sí mismo, con múltiples beneficios ampliamente conocidos: buena tolerancia a fallos y recuperación, escalabilidad satisfactoria y distribución de carga intrínseca. Sin embargo, al contrario que el modelo cliente-servidor, las redes P2P requieren de soluciones sofisticadas a todos los niveles, desde la organización de la red hasta la gestión y localización de recursos. Esta tesis aborda uno de los problemas principales de las redes P2P: la búsqueda eficiente de recursos de naturaleza semántica bajo condiciones dinámicas y realistas. Ha habido numerosas soluciones a este problema basadas en enfoques evolucionarios, estigmérgicos y simples, pero pocas han tratado de resolver el abanico completo de desafíos. En primer lugar, las redes P2P reales son raramente estáticas: los nodos se desconectan, reconectan y cambian de contenido. Además, la incorporación trivial de búsquedas semánticas en algoritmos conocidos causa un decremento significativo de la eficiencia de la búsqueda. En esta investigación se ha construido una solución de manera incremental, comenzando por el clásico Ant Colony System (ACS) basado en la metaheurística de Ant Colony Optimization (ACO). ACO es un framework algorítmico usado para búsquedas en grafos que encaja perfectamente con las condiciones del problema, aunque no provee una solución inmediata a las cuestiones mencionadas anteriormente. En primer lugar, se propone una variante eficiente de ACS para redes P2P estructuradas (con estructura de hipercubo) permitiendo el postprocesamiento de las rutas, al que hemos denominado Tabu Route Optimization (TRO). A continuación, se ha tratado de resolver el problema del dinamismo de la red mediante la difusión de la información a través de una estrategia compatible con ACO. En consecuencia, se ha tratado de incorporar el componente semántico de las búsquedas. Esta aproximación inicial al problema ha sido lograda permitiendo al ACS diferenciar entre tipos de búsquedas através de la idea de pheromone-per-concept. El resultado de esta fusión se ha denominado Routing Concept ACS (RC-ACS). RC-ACS es una implementación multiferomona estática y robusta de ACS. Sin embargo, a partir de esta implementación se ha podido concluir que el enfoque pheromone-per-concept ofrece solo escalabilidad limitada y que no puede ser considerado una solución global. Por lo tanto, para lograr una mejora a este respecto, se ha introducido al RC-ACS una novedosa idea: la creación dinámica de feromonas, que reemplaza la asignación estática uno a uno. En el algoritmo resultante, al que hemos denominado Angry Ant Framework (AAF), los nuevos niveles de feromona se crean conforme se necesitan y durante la búsqueda, en lugar de crearse antes de la misma. La mejora final se ha obtenido al permitir al AAF no solo crear niveles de feromona, sino también reasignarlos para optimizar el uso de la misma. El algoritmo resultante se denomina EntropicAAF y ha sido evaluado como uno de los algoritmos más exitosos para las búsquedas semánticas P2P bajo todas las condiciones.[CA] La popular tendència de distribuir càrrega i recursos en el camp de la computació s'ha estès cap a les xarxes d'ordinadors a través del concepte de connexions d'igual a igual (de l'anglès, peer to peer o P2P). P2P és un model simètric on cada node de la xarxa disposa del mateix nombre de capacitats i recursos. P2P, considerat originàriament només una estructura situada al servidor complementària al model client-servidor simple, ha provat tindre el suficient potencial per ella mateixa, amb múltiples beneficis ben coneguts: una bona tolerància a errades i recuperació, una satisfactòria escalabilitat i una intrínseca distribució de càrrega. No obstant, contràriament al client-servidor, les xarxes P2P requereixen solucions sofisticades a tots els nivells, que varien des de l'organització de la xarxa a la localització de recursos i la seua gestió. En aquesta tesi s'adreça un dels problemes clau de les xarxes P2P: ser capaç de realitzar eficientment cerques de recursos de naturalesa semàntica sota condicions realistes i dinàmiques. Existeixen nombroses solucions a aquest tema basades en la computació simple, evolutiva i també basades en l'estimèrgia (de l'anglès, stigmergy), però pocs esforços s'han realitzat per intentar resoldre l'ampli conjunt de reptes existent. En primer lloc, les xarxes P2P reals són rarament estàtiques: els nodes es connecten, desconnecten i canvien els seus continguts. A més a més, la incorporació trivial de cerques semàntiques als algorismes existents causa una disminució significant de l'eficiència de la cerca. En aquesta recerca s'ha construït una solució incremental, començant pel sistema clàssic de colònia de formigues (de l'anglés, Ant Colony System o ACS) dins de la metaheurística d'optimització de colònies de formigues (de l'anglès, Ant Colony Optimization o ACO). ACO és un entorn algorísmic utilitzat per cercar en grafs i que aborda el problema de forma satisfactòria, tot i que no proveeix d'una solució immediata a cap dels problemes anteriorment mencionats. Primer, s'ha proposat una variant eficient d'ACS en xarxes P2P estructurades (en forma d'hipercub) a través d'un algorisme de processament post-camí el qual s'ha anomenat en anglès Tabu Route Optimization (TRO). A continuació, s'ha procedit a resoldre el problema del dinamisme de les xarxes amb un enfocament de difusió d'informació compatible amb ACO. Com a conseqüència, s'ha intentat incorporar la component semàntica de les cerques. Aquest enfocament inicial al problema s'ha realitzat permetent a ACS diferenciar entre tipus de cerques amb la idea de ''feromona per concepte'', i s'ha anomenat a aquest producte Routing Concept ACS o RC-ACS. RC-ACS és una implementació multi-feromona robusta i estàtica d'ACS. No obstant, s'ha pogut concloure que l'enfocament de feromona per concepte ofereix només una escalabilitat limitada i no pot ser considerada una solució global. En aquest respecte s'ha realitzat progrés posteriorment introduint una nova idea a RC-ACS: la creació dinàmica de feromones, la qual reemplaça a l'assignació un a un de les mateixes. A l'algorisme resultant se l'ha anomenat en anglès Angry Ant Framework (AAF). En AAF es creen nous nivells de feromones a mesura que es necessiten durant la cerca, i no abans d'aquesta. El progrés final s'ha aconseguit quan s'ha permès a AAF, no sols crear nivells de feromones, sinó reassignar-los per optimitzar la utilització de feromones. L'algorisme resultant s'ha anomenat EntropicAAF i ha sigut avaluat com un dels algorismes per a cerques semàntiques P2P amb millors prestacions.Krynicki, KK. (2016). Ant Colony Algorithms for the Resolution of Semantic Searches in P2P Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61293TESISPremios Extraordinarios de tesis doctoralesCompendi

New heuristic function in ant colony system for the travelling salesman problem

Ant Colony System (ACS) is one of the best algorithms to solve NP-hard problems.However, ACS suffers from pheromone stagnation problem when all ants converge quickly on one sub-optimal solution.ACS algorithm utilizes the value between nodes as heuristic values to calculate the probability of choosing the next node. However, one part of the algorithm, called heuristic function, is not updated at any time throughout the process to reflect the new information discovered by the ants.This paper proposes an Enhanced Ant Colony System algorithm for solving the Travelling Salesman Problem.The enhanced algorithm is able to generate shorter tours within reasonable times by using accumulated values from pheromones and heuristics.The proposed enhanced ACS algorithm integrates a new heuristic function that can reflect the new information discovered by the ants. Experiments conducted have used eight data sets from TSPLIB with different numbers of cities.The proposed algorithm shows promising results when compared to classical ACS in term of best, average, and standard deviation of the best tour length

Ant colony system with heuristic function for the travelling salesman problem

Ant colony system which is classified as a meta-heuristic algorithm is considered as one of the best optimization algorithm for solving different type of NP-Hard problem including the travelling salesman problem.A heuristic function in the Ant colony system uses pheromone and distance values to produce heuristic values in solving the travelling salesman problem.However, the heuristic values are not updated in the entire process to reflect the knowledge discovered by ants while moving from city to city. This paper presents the work on enhancing the heuristic function in ant colony system in order to reflect the new information discovered by the ants.Experimental results showed that enhanced algorithm provides better results than classical ant colony system in term of best, average and standard of the best tour length

Ant colony optimization algorithm for dynamic scheduling of jobs in computational grid

Computational grid is gaining more importance due to the needs for large-scale computing capacity. In computational grid, job scheduling is one of the main factors affecting grid computing performance. Job scheduling problem is classified as an NP-hard problem.Such a problem can be solved only by using approximate algorithms such as heuristic and meta-heuristic algorithms.Among different optimization algorithms for job scheduling, ant colony system algorithm is a popular meta-heuristic algorithm which has the ability to solve different types of NP-hard problems.However, ant colony system algorithm has a deficiency in its heuristic function which affects the algorithm behavior in terms of finding the shortest connection between edges.This research focuses on a new heuristic function where information about recent ants’ discoveries has been considered.The new heuristic function has been integrated into the classical ant colony system algorithm.Furthermore, the enhanced algorithm has been implemented to solve the travelling salesman problem as well as in scheduling of jobs in computational grid.A simulator with dynamic environment feature to mimic real life application has been development to validate the proposed enhanced ant colony system algorithm. Experimental results show that the proposed enhanced algorithm produced better output in term of utilization and makespan in both domains

New heuristic function in ant colony system for job scheduling in grid computing

Job scheduling is one of the main factors affecting grid computing performance. Job scheduling problem classified as an NP-hard problem.Such a problem can be solved only by using approximate algorithms such as heuristic and meta-heuristic algorithms.Ant colony system algorithm is a meta-heuristic algorithm which has the ability to solve different types of NP-hard problems.However, ant colony system algorithm has a deficiency in its heuristic function which affects the algorithm behavior in terms of finding the shortest connection between edges.This paper focuses on enhancing the heuristic function where information about recent ants’ discoveries will be taken into account.Experiments were conducted using a simulator with dynamic environment features to mimic the grid environment.Results show that the proposed enhanced algorithm produce better output in term of utilization and make span

Ant Colony Optimization

Ant Colony Optimization (ACO) is the best example of how studies aimed at understanding and modeling the behavior of ants and other social insects can provide inspiration for the development of computational algorithms for the solution of difficult mathematical problems. Introduced by Marco Dorigo in his PhD thesis (1992) and initially applied to the travelling salesman problem, the ACO field has experienced a tremendous growth, standing today as an important nature-inspired stochastic metaheuristic for hard optimization problems. This book presents state-of-the-art ACO methods and is divided into two parts: (I) Techniques, which includes parallel implementations, and (II) Applications, where recent contributions of ACO to diverse fields, such as traffic congestion and control, structural optimization, manufacturing, and genomics are presented

Hybrid Meta-heuristic Algorithms for Static and Dynamic Job Scheduling in Grid Computing

The term ’grid computing’ is used to describe an infrastructure that connects geographically distributed computers and heterogeneous platforms owned by multiple organizations allowing their computational power, storage capabilities and other resources to be selected and shared. Allocating jobs to computational grid resources in an efficient manner is one of the main challenges facing any grid computing system; this allocation is called job scheduling in grid computing. This thesis studies the application of hybrid meta-heuristics to the job scheduling problem in grid computing, which is recognized as being one of the most important and challenging issues in grid computing environments. Similar to job scheduling in traditional computing systems, this allocation is known to be an NPhard problem. Meta-heuristic approaches such as the Genetic Algorithm (GA), Variable Neighbourhood Search (VNS) and Ant Colony Optimisation (ACO) have all proven their effectiveness in solving different scheduling problems. However, hybridising two or more meta-heuristics shows better performance than applying a stand-alone approach. The new high level meta-heuristic will inherit the best features of the hybridised algorithms, increasing the chances of skipping away from local minima, and hence enhancing the overall performance. In this thesis, the application of VNS for the job scheduling problem in grid computing is introduced. Four new neighbourhood structures, together with a modified local search, are proposed. The proposed VNS is hybridised using two meta-heuristic methods, namely GA and ACO, in loosely and strongly coupled fashions, yielding four new sequential hybrid meta-heuristic algorithms for the problem of static and dynamic single-objective independent batch job scheduling in grid computing. For the static version of the problem, several experiments were carried out to analyse the performance of the proposed schedulers in terms of minimising the makespan using well known benchmarks. The experiments show that the proposed schedulers achieved impressive results compared to other traditional, heuristic and meta-heuristic approaches selected from the bibliography. To model the dynamic version of the problem, a simple simulator, which uses the rescheduling technique, is designed and new problem instances are generated, by using a well-known methodology, to evaluate the performance of the proposed hybrid schedulers. The experimental results show that the use of rescheduling provides significant improvements in terms of the makespan compared to other non-rescheduling approaches

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

Advances in Evolutionary Algorithms

With the recent trends towards massive data sets and significant computational power, combined with evolutionary algorithmic advances evolutionary computation is becoming much more relevant to practice. Aim of the book is to present recent improvements, innovative ideas and concepts in a part of a huge EA field