A deterministic algorithm for generating optimal three- stage layouts of homogenous strip pieces

Purpose: The time required by the algorithms for general layouts to solve the large-scale two-dimensional cutting problems may become unaffordable. So this paper presents an exact algorithm to solve above problems. Design/methodology/approach: The algorithm uses the dynamic programming algorithm to generate the optimal homogenous strips, solves the knapsack problem to determine the optimal layout of the homogenous strip in the composite strip and the composite strip in the segment, and optimally selects the enumerated segments to compose the three-stage layout. Findings: The algorithm not only meets the shearing and punching process need, but also achieves good results within reasonable time. Originality/value: The algorithm is tested through 43 large-scale benchmark problems. The number of optimal solutions is 39 for this paper’s algorithm; the rate of the rest 4 problem’s solution value and the optimal solution is 99. 9%, and the average consumed time is only 2. 18seconds. This paper’s pattern is used to simplify the cutting process. Compared with the classic three-stage, the two-segment and the T-shape algorithms, the solutions of the algorithm are better than that of the above three algorithms. Experimental results show that the algorithm to solve a large-scale piece packing quickly and efficiency.Peer Reviewe

A Field Guide to Genetic Programming

xiv, 233 p. : il. ; 23 cm.Libro ElectrónicoA Field Guide to Genetic Programming (ISBN 978-1-4092-0073-4) is an introduction to genetic programming (GP). GP is a systematic, domain-independent method for getting computers to solve problems automatically starting from a high-level statement of what needs to be done. Using ideas from natural evolution, GP starts from an ooze of random computer programs, and progressively refines them through processes of mutation and sexual recombination, until solutions emerge. All this without the user having to know or specify the form or structure of solutions in advance. GP has generated a plethora of human-competitive results and applications, including novel scientific discoveries and patentable inventions. The authorsIntroduction -- Representation, initialisation and operators in Tree-based GP -- Getting ready to run genetic programming -- Example genetic programming run -- Alternative initialisations and operators in Tree-based GP -- Modular, grammatical and developmental Tree-based GP -- Linear and graph genetic programming -- Probalistic genetic programming -- Multi-objective genetic programming -- Fast and distributed genetic programming -- GP theory and its applications -- Applications -- Troubleshooting GP -- Conclusions.Contents xi 1 Introduction 1.1 Genetic Programming in a Nutshell 1.2 Getting Started 1.3 Prerequisites 1.4 Overview of this Field Guide I Basics 2 Representation, Initialisation and GP 2.1 Representation 2.2 Initialising the Population 2.3 Selection 2.4 Recombination and Mutation Operators in Tree-based 3 Getting Ready to Run Genetic Programming 19 3.1 Step 1: Terminal Set 19 3.2 Step 2: Function Set 20 3.2.1 Closure 21 3.2.2 Sufficiency 23 3.2.3 Evolving Structures other than Programs 23 3.3 Step 3: Fitness Function 24 3.4 Step 4: GP Parameters 26 3.5 Step 5: Termination and solution designation 27 4 Example Genetic Programming Run 4.1 Preparatory Steps 29 4.2 Step-by-Step Sample Run 31 4.2.1 Initialisation 31 4.2.2 Fitness Evaluation Selection, Crossover and Mutation Termination and Solution Designation Advanced Genetic Programming 5 Alternative Initialisations and Operators in 5.1 Constructing the Initial Population 5.1.1 Uniform Initialisation 5.1.2 Initialisation may Affect Bloat 5.1.3 Seeding 5.2 GP Mutation 5.2.1 Is Mutation Necessary? 5.2.2 Mutation Cookbook 5.3 GP Crossover 5.4 Other Techniques 32 5.5 Tree-based GP 39 6 Modular, Grammatical and Developmental Tree-based GP 47 6.1 Evolving Modular and Hierarchical Structures 47 6.1.1 Automatically Defined Functions 48 6.1.2 Program Architecture and Architecture-Altering 50 6.2 Constraining Structures 51 6.2.1 Enforcing Particular Structures 52 6.2.2 Strongly Typed GP 52 6.2.3 Grammar-based Constraints 53 6.2.4 Constraints and Bias 55 6.3 Developmental Genetic Programming 57 6.4 Strongly Typed Autoconstructive GP with PushGP 59 7 Linear and Graph Genetic Programming 61 7.1 Linear Genetic Programming 61 7.1.1 Motivations 61 7.1.2 Linear GP Representations 62 7.1.3 Linear GP Operators 64 7.2 Graph-Based Genetic Programming 65 7.2.1 Parallel Distributed GP (PDGP) 65 7.2.2 PADO 67 7.2.3 Cartesian GP 67 7.2.4 Evolving Parallel Programs using Indirect Encodings 68 8 Probabilistic Genetic Programming 8.1 Estimation of Distribution Algorithms 69 8.2 Pure EDA GP 71 8.3 Mixing Grammars and Probabilities 74 9 Multi-objective Genetic Programming 75 9.1 Combining Multiple Objectives into a Scalar Fitness Function 75 9.2 Keeping the Objectives Separate 76 9.2.1 Multi-objective Bloat and Complexity Control 77 9.2.2 Other Objectives 78 9.2.3 Non-Pareto Criteria 80 9.3 Multiple Objectives via Dynamic and Staged Fitness Functions 80 9.4 Multi-objective Optimisation via Operator Bias 81 10 Fast and Distributed Genetic Programming 83 10.1 Reducing Fitness Evaluations/Increasing their Effectiveness 83 10.2 Reducing Cost of Fitness with Caches 86 10.3 Parallel and Distributed GP are Not Equivalent 88 10.4 Running GP on Parallel Hardware 89 10.4.1 Master–slave GP 89 10.4.2 GP Running on GPUs 90 10.4.3 GP on FPGAs 92 10.4.4 Sub-machine-code GP 93 10.5 Geographically Distributed GP 93 11 GP Theory and its Applications 97 11.1 Mathematical Models 98 11.2 Search Spaces 99 11.3 Bloat 101 11.3.1 Bloat in Theory 101 11.3.2 Bloat Control in Practice 104 III Practical Genetic Programming 12 Applications 12.1 Where GP has Done Well 12.2 Curve Fitting, Data Modelling and Symbolic Regression 12.3 Human Competitive Results – the Humies 12.4 Image and Signal Processing 12.5 Financial Trading, Time Series, and Economic Modelling 12.6 Industrial Process Control 12.7 Medicine, Biology and Bioinformatics 12.8 GP to Create Searchers and Solvers – Hyper-heuristics xiii 12.9 Entertainment and Computer Games 127 12.10The Arts 127 12.11Compression 128 13 Troubleshooting GP 13.1 Is there a Bug in the Code? 13.2 Can you Trust your Results? 13.3 There are No Silver Bullets 13.4 Small Changes can have Big Effects 13.5 Big Changes can have No Effect 13.6 Study your Populations 13.7 Encourage Diversity 13.8 Embrace Approximation 13.9 Control Bloat 13.10 Checkpoint Results 13.11 Report Well 13.12 Convince your Customers 14 Conclusions Tricks of the Trade A Resources A.1 Key Books A.2 Key Journals A.3 Key International Meetings A.4 GP Implementations A.5 On-Line Resources 145 B TinyGP 151 B.1 Overview of TinyGP 151 B.2 Input Data Files for TinyGP 153 B.3 Source Code 154 B.4 Compiling and Running TinyGP 162 Bibliography 167 Inde

Solución del problema de empaquetamiento óptimo usando técnicas metaheurísticas de optimización simultáneas a través de procesamiento paralelo

El problema de la mochila irrestricta bidimensional no guillotinada (U2DNGSKP) del inglés unconstrained two-dimensional non-guillotine single knapsack problem, es un problema de corte que se presenta cuando el material a ser utilizado es una pieza rectangular (hoja de material) donde se deben ubicar piezas rectangulares más pequeñas de las que se conoce el tamaño y un costo (bien sea su propia área o un valor establecido). El objetivo es maximizar el beneficio asociado a cada una de las piezas cortadas, sin sobreponer las piezas y sin sobrepasar los límites de la hoja de material

Solución del problema de empaquetamiento óptimo usando técnicas metaheurísticas de optimización simultáneas a través de procesamiento paralelo

El problema de la mochila irrestricta bidimensional no guillotinada (U2DNGSKP) del inglés unconstrained two-dimensional non-guillotine single knapsack problem, es un problema de corte que se presenta cuando el material a ser utilizado es una pieza rectangular (hoja de material) donde se deben ubicar piezas rectangulares más pequeñas de las que se conoce el tamaño y un costo (bien sea su propia área o un valor establecido). El objetivo es maximizar el beneficio asociado a cada una de las piezas cortadas, sin sobreponer las piezas y sin sobrepasar los límites de la hoja de material

Development of transportation and supply chain problems with the combination of agent-based simulation and network optimization

Demand drives a different range of supply chain and logistics location decisions, and agent-based modeling (ABM) introduces innovative solutions to address supply chain and logistics problems. This dissertation focuses on an agent-based and network optimization approach to resolve those problems and features three research projects that cover prevalent supply chain management and logistics problems. The first case study evaluates demographic densities in Norway, Finland, and Sweden, and covers how distribution center (DC) locations can be established using a minimizing trip distance approach. Furthermore, traveling time maps are developed for each scenario. In addition, the Nordic area consisting of those three countries is analyzed and five DC location optimization results are presented. The second case study introduces transportation cost modelling in the process of collecting tree logs from several districts and transporting them to the nearest collection point. This research project presents agent-based modelling (ABM) that incorporates comprehensively the key elements of the pick-up and delivery supply chain model and designs the components as autonomous agents communicating with each other. The modelling merges various components such as GIS routing, potential facility locations, random tree log pickup locations, fleet sizing, trip distance, and truck and train transportation. The entire pick-up and delivery operation are modeled by ABM and modeling outcomes are provided by time series charts such as the number of trucks in use, facilities inventory and travel distance. In addition, various scenarios of simulation based on potential facility locations and truck numbers are evaluated and the optimal facility location and fleet size are identified. In the third case study, an agent-based modeling strategy is used to address the problem of vehicle scheduling and fleet optimization. The solution method is employed to data from a real-world organization, and a set of key performance indicators are created to assess the resolution's effectiveness. The ABM method, contrary to other modeling approaches, is a fully customized method that can incorporate extensively various processes and elements. ABM applying the autonomous agent concept can integrate various components that exist in the complex supply chain and create a similar system to assess the supply chain efficiency.Tuotteiden kysyntä ohjaa erilaisia toimitusketju- ja logistiikkasijaintipäätöksiä, ja agenttipohjainen mallinnusmenetelmä (ABM) tuo innovatiivisia ratkaisuja toimitusketjun ja logistiikan ongelmien ratkaisemiseen. Tämä väitöskirja keskittyy agenttipohjaiseen mallinnusmenetelmään ja verkon optimointiin tällaisten ongelmien ratkaisemiseksi, ja sisältää kolme tapaustutkimusta, jotka voidaan luokitella kuuluvan yleisiin toimitusketjun hallinta- ja logistiikkaongelmiin. Ensimmäinen tapaustutkimus esittelee kuinka käyttämällä väestötiheyksiä Norjassa, Suomessa ja Ruotsissa voidaan määrittää strategioita jakelukeskusten (DC) sijaintiin käyttämällä matkan etäisyyden minimoimista. Kullekin skenaariolle kehitetään matka-aikakartat. Lisäksi analysoidaan näistä kolmesta maasta koostuvaa pohjoismaista aluetta ja esitetään viisi mahdollista sijaintia optimointituloksena. Toinen tapaustutkimus esittelee kuljetuskustannusmallintamisen prosessissa, jossa puutavaraa kerätään useilta alueilta ja kuljetetaan lähimpään keräyspisteeseen. Tämä tutkimusprojekti esittelee agenttipohjaista mallinnusta (ABM), joka yhdistää kattavasti noudon ja toimituksen toimitusketjumallin keskeiset elementit ja suunnittelee komponentit keskenään kommunikoiviksi autonomisiksi agenteiksi. Mallinnuksessa yhdistetään erilaisia komponentteja, kuten GIS-reititys, mahdolliset tilojen sijainnit, satunnaiset puunhakupaikat, kaluston mitoitus, matkan pituus sekä monimuotokuljetukset. ABM:n avulla mallinnetaan noutojen ja toimituksien koko ketju ja tuloksena saadaan aikasarjoja kuvaamaan käytössä olevat kuorma-autot, sekä varastomäärät ja ajetut matkat. Lisäksi arvioidaan erilaisia simuloinnin skenaarioita mahdollisten laitosten sijainnista ja kuorma-autojen lukumäärästä sekä tunnistetaan optimaalinen toimipisteen sijainti ja tarvittava autojen määrä. Kolmannessa tapaustutkimuksessa agenttipohjaista mallinnusstrategiaa käytetään ratkaisemaan ajoneuvojen aikataulujen ja kaluston optimoinnin ongelma. Ratkaisumenetelmää käytetään dataan, joka on peräisin todellisesta organisaatiosta, ja ratkaisun tehokkuuden arvioimiseksi luodaan lukuisia keskeisiä suorituskykyindikaattoreita. ABM-menetelmä, toisin kuin monet muut mallintamismenetelmät, on täysin räätälöitävissä oleva menetelmä, joka voi sisältää laajasti erilaisia prosesseja ja elementtejä. Autonomisia agentteja soveltava ABM voi integroida erilaisia komponentteja, jotka ovat olemassa monimutkaisessa toimitusketjussa ja luoda vastaavan järjestelmän toimitusketjun tehokkuuden arvioimiseksi yksityiskohtaisesti.fi=vertaisarvioitu|en=peerReviewed

Problemas de corte: métodos exactos y aproximados para formulaciones mono y multi-objetivo

Los problemas de corte y empaquetado son una familia de problemas de optimización combinatoria que han sido ampliamente estudiados en numerosas áreas de la industria y la investigación, debido a su relevancia en una enorme variedad de aplicaciones reales. Son problemas que surgen en muchas industrias de producción donde se debe realizar la subdivisión de un material o espacio disponible en partes más pequeñas. Existe una gran variedad de métodos para resolver este tipo de problemas de optimización. A la hora de proponer un método de resolución para un problema de optimización, es recomendable tener en cuenta el enfoque y las necesidades que se tienen en relación al problema y su solución. Las aproximaciones exactas encuentran la solución óptima, pero sólo es viable aplicarlas a instancias del problema muy pequeñas. Las heurísticas manejan conocimiento específico del problema para obtener soluciones de alta calidad sin necesitar un excesivo esfuerzo computacional. Por otra parte, las metaheurísticas van un paso más allá, ya que son capaces de resolver una clase muy general de problemas computacionales. Finalmente, las hiperheurísticas tratan de automatizar, normalmente incorporando técnicas de aprendizaje, el proceso de selección, combinación, generación o adaptación de heurísticas más simples para resolver eficientemente problemas de optimización. Para obtener lo mejor de estos métodos se requiere conocer, además del tipo de optimización (mono o multi-objetivo) y el tamaño del problema, los medios computacionales de los que se dispone, puesto que el uso de máquinas e implementaciones paralelas puede reducir considerablemente los tiempos para obtener una solución. En las aplicaciones reales de los problemas de corte y empaquetado en la industria, la diferencia entre usar una solución obtenida rápidamente y usar propuestas más sofisticadas para encontrar la solución óptima puede determinar la supervivencia de la empresa. Sin embargo, el desarrollo de propuestas más sofisticadas y efectivas normalmente involucra un gran esfuerzo computacional, que en las aplicaciones reales puede provocar una reducción de la velocidad del proceso de producción. Por lo tanto, el diseño de propuestas efectivas y, al mismo tiempo, eficientes es fundamental. Por esta razón, el principal objetivo de este trabajo consiste en el diseño e implementación de métodos efectivos y eficientes para resolver distintos problemas de corte y empaquetado. Además, si estos métodos se definen como esquemas lo más generales posible, se podrán aplicar a diferentes problemas de corte y empaquetado sin realizar demasiados cambios para adaptarlos a cada uno. Así, teniendo en cuenta el amplio rango de metodologías de resolución de problemas de optimización y las técnicas disponibles para incrementar su eficiencia, se han diseñado e implementado diversos métodos para resolver varios problemas de corte y empaquetado, tratando de mejorar las propuestas existentes en la literatura. Los problemas que se han abordado han sido: el Two-Dimensional Cutting Stock Problem, el Two-Dimensional Strip Packing Problem, y el Container Loading Problem. Para cada uno de estos problemas se ha realizado una amplia y minuciosa revisión bibliográfica, y se ha obtenido la solución de las distintas variantes escogidas aplicando diferentes métodos de resolución: métodos exactos mono-objetivo y paralelizaciones de los mismos, y métodos aproximados multi-objetivo y paralelizaciones de los mismos. Los métodos exactos mono-objetivo aplicados se han basado en técnicas de búsqueda en árbol. Por otra parte, como métodos aproximados multi-objetivo se han seleccionado unas metaheurísticas multi-objetivo, los MOEAs. Además, para la representación de los individuos utilizados por estos métodos se han empleado codificaciones directas mediante una notación postfija, y codificaciones que usan heurísticas de colocación e hiperheurísticas. Algunas de estas metodologías se han mejorado utilizando esquemas paralelos haciendo uso de las herramientas de programación OpenMP y MPI. En el caso d