Edge/Fog Computing Technologies for IoT Infrastructure

The prevalence of smart devices and cloud computing has led to an explosion in the amount of data generated by IoT devices. Moreover, emerging IoT applications, such as augmented and virtual reality (AR/VR), intelligent transportation systems, and smart factories require ultra-low latency for data communication and processing. Fog/edge computing is a new computing paradigm where fully distributed fog/edge nodes located nearby end devices provide computing resources. By analyzing, filtering, and processing at local fog/edge resources instead of transferring tremendous data to the centralized cloud servers, fog/edge computing can reduce the processing delay and network traffic significantly. With these advantages, fog/edge computing is expected to be one of the key enabling technologies for building the IoT infrastructure. Aiming to explore the recent research and development on fog/edge computing technologies for building an IoT infrastructure, this book collected 10 articles. The selected articles cover diverse topics such as resource management, service provisioning, task offloading and scheduling, container orchestration, and security on edge/fog computing infrastructure, which can help to grasp recent trends, as well as state-of-the-art algorithms of fog/edge computing technologies

免疫学的および進化的アルゴリズムに基づく改良された群知能最適化に関する研究

富山大学・富理工博甲第175号・楊玉・2020/3/24富山大学202

Proceedings of the XIII Global Optimization Workshop: GOW'16

[Excerpt] Preface: Past Global Optimization Workshop shave been held in Sopron (1985 and 1990), Szeged (WGO, 1995), Florence (GO’99, 1999), Hanmer Springs (Let’s GO, 2001), Santorini (Frontiers in GO, 2003), San José (Go’05, 2005), Mykonos (AGO’07, 2007), Skukuza (SAGO’08, 2008), Toulouse (TOGO’10, 2010), Natal (NAGO’12, 2012) and Málaga (MAGO’14, 2014) with the aim of stimulating discussion between senior and junior researchers on the topic of Global Optimization. In 2016, the XIII Global Optimization Workshop (GOW’16) takes place in Braga and is organized by three researchers from the University of Minho. Two of them belong to the Systems Engineering and Operational Research Group from the Algoritmi Research Centre and the other to the Statistics, Applied Probability and Operational Research Group from the Centre of Mathematics. The event received more than 50 submissions from 15 countries from Europe, South America and North America. We want to express our gratitude to the invited speaker Panos Pardalos for accepting the invitation and sharing his expertise, helping us to meet the workshop objectives. GOW’16 would not have been possible without the valuable contribution from the authors and the International Scientific Committee members. We thank you all. This proceedings book intends to present an overview of the topics that will be addressed in the workshop with the goal of contributing to interesting and fruitful discussions between the authors and participants. After the event, high quality papers can be submitted to a special issue of the Journal of Global Optimization dedicated to the workshop. [...

Softwarization of Large-Scale IoT-based Disasters Management Systems

The Internet of Things (IoT) enables objects to interact and cooperate with each other for reaching common objectives. It is very useful in large-scale disaster management systems where humans are likely to fail when they attempt to perform search and rescue operations in high-risk sites. IoT can indeed play a critical role in all phases of large-scale disasters (i.e. preparedness, relief, and recovery). Network softwarization aims at designing, architecting, deploying, and managing network components primarily based on software programmability properties. It relies on key technologies, such as cloud computing, Network Functions Virtualization (NFV), and Software Defined Networking (SDN). The key benefits are agility and cost efficiency. This thesis proposes softwarization approaches to tackle the key challenges related to large-scale IoT based disaster management systems. A first challenge faced by large-scale IoT disaster management systems is the dynamic formation of an optimal coalition of IoT devices for the tasks at hand. Meeting this challenge is critical for cost efficiency. A second challenge is an interoperability. IoT environments remain highly heterogeneous. However, the IoT devices need to interact. Yet another challenge is Quality of Service (QoS). Disaster management applications are known to be very QoS sensitive, especially when it comes to delay. To tackle the first challenge, we propose a cloud-based architecture that enables the formation of efficient coalitions of IoT devices for search and rescue tasks. The proposed architecture enables the publication and discovery of IoT devices belonging to different cloud providers. It also comes with a coalition formation algorithm. For the second challenge, we propose an NFV and SDN based - architecture for on-the-fly IoT gateway provisioning. The gateway functions are provisioned as Virtual Network Functions (VNFs) that are chained on-the-fly in the IoT domain using SDN. When it comes to the third challenge, we rely on fog computing to meet the QoS and propose algorithms that provision IoT applications components in hybrid NFV based - cloud/fogs. Both stationary and mobile fog nodes are considered. In the case of mobile fog nodes, a Tabu Search-based heuristic is proposed. It finds a near-optimal solution and we numerically show that it is faster than the Integer Linear Programming (ILP) solution by several orders of magnitude

Técnicas de optimización paralelas : esquema híbrido basado en hiperheurísticas y computación evolutiva

Optimisation is the process of selecting the best element fr om a set of available alternatives. Solutions are termed good or bad depending on its performance for a set of objectives. Several algorithms to deal with such kind of problems have been defined in the literature. Metaheuristics are one of the most prominent techniques. They are a class of modern heuristics whose main goal is to com bine heuristics in a problem independent way with the aim of improving their per formance. Meta- heuristics have reported high-quality solutions in severa l fields. One of the reasons of the good behaviour of metaheuristics is that they are defin ed in general terms. Therefore, metaheuristic algorithms can be adapted to fit th e needs of most real-life optimisation. However, such an adaptation is a hard task, and it requires a high computational and user effort. There are two main ways of reducing the effort associated to th e usage of meta- heuristics. First, the application of hyperheuristics and parameter setting strategies facilitates the process of tackling novel optimisation pro blems and instances. A hyperheuristic can be viewed as a heuristic that iterativel y chooses between a set of given low-level metaheuristics in order to solve an optim isation problem. By using hyperheuristics, metaheuristic practitioners do no t need to manually test a large number of metaheuristics and parameterisations for d iscovering the proper algorithms to use. Instead, they can define the set of configur ations which must be tested, and the model tries to automatically detect the be st-behaved ones, in order to grant more resources to them. Second, the usage of pa rallel environments might speedup the process of automatic testing, so high qual ity solutions might be achieved in less time. This research focuses on the design of novel hyperheuristic s and defines a set of models to allow their usage in parallel environments. Differ ent hyperheuristics for controlling mono-objective and multi-objective multi-po int optimisation strategies have been defined. Moreover, a set of novel multiobjectivisa tion techniques has been proposed. In addition, with the aim of facilitating the usage of multiobjectivi- sation, the performance of models that combine the usage of m ultiobjectivisation and hyperheuristics has been studied. The proper performance of the proposed techniques has been v alidated with a set of well-known benchmark optimisation problems. In addi tion, several practical and complex optimisation problems have been addressed. Som e of the analysed problems arise in the communication field. In addition, a pac king problem proposed in a competition has been faced up. The proposals for such pro blems have not been limited to use the problem-independent schemes. Inste ad, new metaheuristics, operators and local search strategies have been defined. Suc h schemes have been integrated with the designed parallel hyperheuristics wit h the aim of accelerating the achievement of high quality solutions, and with the aim of fa cilitating their usage. In several complex optimisation problems, the current best -known solutions have been found with the methods defined in this dissertation.Los problemas de optimización son aquellos en los que hay que elegir cuál es la solución más adecuada entre un conjunto de alternativas. Actualmente existe una gran cantidad de algoritmos que permiten abordar este tipo de problemas. Entre ellos, las metaheurísticas son una de las técnicas más usadas. El uso de metaheurísticas ha posibilitado la resolución de una gran cantidad de problemas en diferentes campos. Esto se debe a que las metaheurísticas son técnicas generales, con lo que disponen de una gran cantidad de elementos o parámetros que pueden ser adaptados a la hora de afrontar diferentes problemas de optimización. Sin embargo, la elección de dichos parámetros no es sencilla, por lo que generalmente se requiere un gran esfuerzo computacional, y un gran esfuerzo por parte del usuario de estas técnicas. Existen diversas técnicas que atenúan este inconveniente. Por un lado, existen varios mecanismos que permiten seleccionar los valores de dichos parámetros de forma automática. Las técnicas más simples utilizan valores fijos durante toda la ejecución, mientras que las técnicas más avanzadas, como las hiperheurísticas, adaptan los valores usados a las necesidades de cada fase de optimización. Además, estas técnicas permiten usar varias metaheurísticas de forma simultánea. Por otro lado, el uso de técnicas paralelas permite acelerar el proceso de testeo automático, reduciendo el tiempo necesario para obtener soluciones de alta calidad. El objetivo principal de esta tesis ha sido diseñar nuevas hiperheurísticas e integrarlas en el modelo paralelo basado en islas. Estas técnicas se han usado para controlar los parámetros de varias metaheurísticas evolutivas. Se han definido diversas hiperheurísticas que han permitido abordar tanto problemas mono-objetivo como problemas multi-objetivo. Además, se han definido un conjunto de multiobjetivizaciones, que a su vez se han beneficiado de las hiperheurísticas propuestas. Las técnicas diseñadas se han validado con algunos de los problemas de test más ampliamente utilizados. Además, se han abordado un conjunto de problemas de optimización prácticos. Concretamente, se han tratado tres problemas que surgen en el ámbito de las telecomunicaciones, y un problema de empaquetado. En dichos problemas, además de usar las hiperheurísticas y multiobjetivizaciones, se han definido nuevos algoritmos, operadores, y estrategias de búsqueda local. En varios de los problemas, el uso combinado de todas estas técnicas ha posibilitado obtener las mejores soluciones encontradas hasta el momento

Advanced meta-heuristic approaches and their application to operational optimization in forest wildfire management

La última década ha sido testigo de un aumento vertiginoso de la cantidad y frecuencia de desastres a gran escala, principalmente debido a los fenómenos devastadores derivados de paradigmas climatológicos y ambientales a gran escala como el calentamiento global. De entre ellos son las inundaciones, huracanes y terremotos los desastres de mayor frecuencia de aparición y fatales consecuencias durante este período, tal como certifican los más de 20.000 muertos a consecuencia de un terremoto en la región de Gujarat (India) en 2001, o las 230.000 y 316.000 pérdidas humanas de los terremotos de Indonesia y Haití en 2004 y 2010, respectivamente. En este contexto, el enfoque de esta tesis se centra en una casuística concreta de desastre a media-gran escala cuya frecuencia y severidad han crecido de manera igualmente preocupante en los últimos tiempos: los incendios, definidos como un fuego de grandes dimensiones no voluntariamente iniciado por el ser humano, y que afecta a aquello que no está destinado a quemarse. Pese a la diversidad de iniciativas, campañas y procedimientos orientados a la minimización del impacto y las consecuencias de los incendios, varios sucesos fatales acontecidos en los últimos años han puesto en duda la efectividad de las políticas actuales de gestión de recursos contra incendios como aeronaves, vehículos terrestres, equipamiento de comunicaciones radio, logística de abastecimiento y las brigadas desplegadas en el área afectada. Un ejemplo manifiesto de esta falta de eficacia es la muerte de once bomberos ocurrida en un incendio de 130 kilómetros cuadrados en la zona de Guadalajara (España) en 2005, oficialmente atribuida a una deficiente coordinación entre el puesto de mando y los equipos de extinción debida, fundamentalmente, a problemas de cobertura en los sistemas de radiocomunicación. Aunque la causa de esta falta de coordinación ha sido cuestionada por las autoridades y los agentes involucrados desde entonces, lo cierto es que este suceso supone un ejemplo evidente de la necesidad de estudiar y desarrollar herramientas algorítmicas que ayuden al personal de comandancia a ejecutar óptimamente sus tareas de coordinación y control. Desafortunadamente la coyuntura de crisis económica mundial que azota con especial fuerza los países del Sur de Europa ha mermado dramáticamente las partidas presupuestarias para la prevención y extinción de incendios en beneficio de programas nacionales de reducción de déficit. A consecuencia de estos recortes, el coste ha irrumpido con fuerza como un criterio de extrema relevancia en la planificación operativa de este tipo de desastres: desde la perspectiva de un problema de optimización, los recursos contra incendios son actualmente gestionados con el objetivo fundamental de maximizar su efectividad contra incendios, sujeto a la restricción de que el coste agregado asociado a las decisiones tomadas no supere un determinado umbral presupuestario. Pese a que estas restricciones de coste están bien acotadas, en la práctica la mayoría de los procedimientos de gestión de recursos contra incendios están fuertemente determinados por la capacidad limitada del ser humano para tomar decisiones ágiles en escenarios de elevada complejidad y heterogeneidad. Por los motivos anteriormente expuestos, la presente Tesis doctoral propone la adopción de algoritmos meta-heurísticos para solventar eficientemente problemas de optimización que modelan procesos de gestión de recursos contra incendios. Esta familia de algoritmos de optimización es capaz de explorar el espacio solución de un problema dado merced a la aplicación iterativa de mecanismos inteligentes de búsqueda explorativa y explotativa, produciendo soluciones que sacrifican calidad por una complejidad computacional menor en comparación con la resultante de procesos determinísticos de búsqueda exhaustiva. En particular la Tesis plantea la búsqueda por harmonía (del inglés Harmony Search) como la técnica meta-heurística de optimización común a las herramientas diseñadas para la gestión de recursos en dos escenarios diferentes: ? El primer escenario analizado contempla el despliegue óptimo de redes de comunicación inalámbrica para la coordinación de equipos de extinción en incendios forestales de gran escala. Desde el punto de vista formal, el problema del despliegue dinámico de retransmisores que caracteriza matemáticamente este escenario consiste en estimar el número y localización de los retransmisores radio que deben ser desplegados en el área afectada por el incendio, de tal modo que el número de nodos móviles (i.e. recursos) con cobertura radio es maximizado a un coste del despliegue mínimo. A fin de reflejar la diversidad de equipamiento de retransmisión radio existente en la realidad, este problema es reformulado para considerar modelos de retransmisor con diferentes características de cobertura y coste. El problema resultante es resuelto de manera eficiente mediante sendos algoritmos mono- y bi-objetivo que conjugan 1) la Búsqueda por Harmonía como método de búsqueda global; y 2) una versión modificada del algoritmo de agrupación K-means como técnica de búsqueda local. El desempeño de los métodos propuestos es evaluado mediante experimentos numéricos basados en datos estadísticos reales de la Comunidad de Castilla la Mancha (España), merced a cuyos resultados queda certificada su practicidad a la hora de desplegar infraestructura de comunicación en este tipo de desastres. ? El segundo escenario bajo estudio se concentra en el despliegue y planificación óptima de vehículos aéreos de extinción de incendios basados en estimaciones predictivas del riesgo de incendio de una cierta área geográfica. De manera enunciativa, el problema subyacente busca la asignación de recursos a aeródromos y aeropuertos con restricciones de capacidad que maximice la utilidad de dichos recursos en relación al riesgo de incendio y minimice, a su vez, el coste de ejecutar dicha asignación. La formulación de este problema también considera, dentro de la definición de dicha función de utilidad, la distancia relativa entre aeropuerto, punto de potencial riesgo de incendio y el recurso acuífero (lago, río o mar) más cercano. Para su resolución eficiente se propone el uso de algoritmos de optimización basados, de nuevo, en la Búsqueda por Harmonía, incorporando además métodos voraces de reparación capacitiva. La aplicabilidad práctica de estos métodos es validada mediante experimentos numéricos en escenarios sintéticos y un caso práctico que incluye valores reales del riesgo de incendio, posiciones de recursos acuíferos e instalaciones aeroportuarias. En resumen, esta Tesis evidencia, desde un punto de vista práctico, que la meta-heurística moderna supone una solución algorítmica computacionalmente eficiente para tratar problemas de gestión de recursos contra incendios sujetos a restricciones de coste

Advanced meta-heuristic approaches and their application to operational optimization in forest wildfire management

La última década ha sido testigo de un aumento vertiginoso de la cantidad y frecuencia de desastres a gran escala, principalmente debido a los fenómenos devastadores derivados de paradigmas climatológicos y ambientales a gran escala como el calentamiento global. De entre ellos son las inundaciones, huracanes y terremotos los desastres de mayor frecuencia de aparición y fatales consecuencias durante este período, tal como certifican los más de 20.000 muertos a consecuencia de un terremoto en la región de Gujarat (India) en 2001, o las 230.000 y 316.000 pérdidas humanas de los terremotos de Indonesia y Haití en 2004 y 2010, respectivamente. En este contexto, el enfoque de esta tesis se centra en una casuística concreta de desastre a media-gran escala cuya frecuencia y severidad han crecido de manera igualmente preocupante en los últimos tiempos: los incendios, definidos como un fuego de grandes dimensiones no voluntariamente iniciado por el ser humano, y que afecta a aquello que no está destinado a quemarse. Pese a la diversidad de iniciativas, campañas y procedimientos orientados a la minimización del impacto y las consecuencias de los incendios, varios sucesos fatales acontecidos en los últimos años han puesto en duda la efectividad de las políticas actuales de gestión de recursos contra incendios como aeronaves, vehículos terrestres, equipamiento de comunicaciones radio, logística de abastecimiento y las brigadas desplegadas en el área afectada. Un ejemplo manifiesto de esta falta de eficacia es la muerte de once bomberos ocurrida en un incendio de 130 kilómetros cuadrados en la zona de Guadalajara (España) en 2005, oficialmente atribuida a una deficiente coordinación entre el puesto de mando y los equipos de extinción debida, fundamentalmente, a problemas de cobertura en los sistemas de radiocomunicación. Aunque la causa de esta falta de coordinación ha sido cuestionada por las autoridades y los agentes involucrados desde entonces, lo cierto es que este suceso supone un ejemplo evidente de la necesidad de estudiar y desarrollar herramientas algorítmicas que ayuden al personal de comandancia a ejecutar óptimamente sus tareas de coordinación y control. Desafortunadamente la coyuntura de crisis económica mundial que azota con especial fuerza los países del Sur de Europa ha mermado dramáticamente las partidas presupuestarias para la prevención y extinción de incendios en beneficio de programas nacionales de reducción de déficit. A consecuencia de estos recortes, el coste ha irrumpido con fuerza como un criterio de extrema relevancia en la planificación operativa de este tipo de desastres: desde la perspectiva de un problema de optimización, los recursos contra incendios son actualmente gestionados con el objetivo fundamental de maximizar su efectividad contra incendios, sujeto a la restricción de que el coste agregado asociado a las decisiones tomadas no supere un determinado umbral presupuestario. Pese a que estas restricciones de coste están bien acotadas, en la práctica la mayoría de los procedimientos de gestión de recursos contra incendios están fuertemente determinados por la capacidad limitada del ser humano para tomar decisiones ágiles en escenarios de elevada complejidad y heterogeneidad. Por los motivos anteriormente expuestos, la presente Tesis doctoral propone la adopción de algoritmos meta-heurísticos para solventar eficientemente problemas de optimización que modelan procesos de gestión de recursos contra incendios. Esta familia de algoritmos de optimización es capaz de explorar el espacio solución de un problema dado merced a la aplicación iterativa de mecanismos inteligentes de búsqueda explorativa y explotativa, produciendo soluciones que sacrifican calidad por una complejidad computacional menor en comparación con la resultante de procesos determinísticos de búsqueda exhaustiva. En particular la Tesis plantea la búsqueda por harmonía (del inglés Harmony Search) como la técnica meta-heurística de optimización común a las herramientas diseñadas para la gestión de recursos en dos escenarios diferentes: ? El primer escenario analizado contempla el despliegue óptimo de redes de comunicación inalámbrica para la coordinación de equipos de extinción en incendios forestales de gran escala. Desde el punto de vista formal, el problema del despliegue dinámico de retransmisores que caracteriza matemáticamente este escenario consiste en estimar el número y localización de los retransmisores radio que deben ser desplegados en el área afectada por el incendio, de tal modo que el número de nodos móviles (i.e. recursos) con cobertura radio es maximizado a un coste del despliegue mínimo. A fin de reflejar la diversidad de equipamiento de retransmisión radio existente en la realidad, este problema es reformulado para considerar modelos de retransmisor con diferentes características de cobertura y coste. El problema resultante es resuelto de manera eficiente mediante sendos algoritmos mono- y bi-objetivo que conjugan 1) la Búsqueda por Harmonía como método de búsqueda global; y 2) una versión modificada del algoritmo de agrupación K-means como técnica de búsqueda local. El desempeño de los métodos propuestos es evaluado mediante experimentos numéricos basados en datos estadísticos reales de la Comunidad de Castilla la Mancha (España), merced a cuyos resultados queda certificada su practicidad a la hora de desplegar infraestructura de comunicación en este tipo de desastres. ? El segundo escenario bajo estudio se concentra en el despliegue y planificación óptima de vehículos aéreos de extinción de incendios basados en estimaciones predictivas del riesgo de incendio de una cierta área geográfica. De manera enunciativa, el problema subyacente busca la asignación de recursos a aeródromos y aeropuertos con restricciones de capacidad que maximice la utilidad de dichos recursos en relación al riesgo de incendio y minimice, a su vez, el coste de ejecutar dicha asignación. La formulación de este problema también considera, dentro de la definición de dicha función de utilidad, la distancia relativa entre aeropuerto, punto de potencial riesgo de incendio y el recurso acuífero (lago, río o mar) más cercano. Para su resolución eficiente se propone el uso de algoritmos de optimización basados, de nuevo, en la Búsqueda por Harmonía, incorporando además métodos voraces de reparación capacitiva. La aplicabilidad práctica de estos métodos es validada mediante experimentos numéricos en escenarios sintéticos y un caso práctico que incluye valores reales del riesgo de incendio, posiciones de recursos acuíferos e instalaciones aeroportuarias. En resumen, esta Tesis evidencia, desde un punto de vista práctico, que la meta-heurística moderna supone una solución algorítmica computacionalmente eficiente para tratar problemas de gestión de recursos contra incendios sujetos a restricciones de coste

Evolutionary Computation 2020

Intelligent optimization is based on the mechanism of computational intelligence to refine a suitable feature model, design an effective optimization algorithm, and then to obtain an optimal or satisfactory solution to a complex problem. Intelligent algorithms are key tools to ensure global optimization quality, fast optimization efficiency and robust optimization performance. Intelligent optimization algorithms have been studied by many researchers, leading to improvements in the performance of algorithms such as the evolutionary algorithm, whale optimization algorithm, differential evolution algorithm, and particle swarm optimization. Studies in this arena have also resulted in breakthroughs in solving complex problems including the green shop scheduling problem, the severe nonlinear problem in one-dimensional geodesic electromagnetic inversion, error and bug finding problem in software, the 0-1 backpack problem, traveler problem, and logistics distribution center siting problem. The editors are confident that this book can open a new avenue for further improvement and discoveries in the area of intelligent algorithms. The book is a valuable resource for researchers interested in understanding the principles and design of intelligent algorithms