A study on the deployment of GA in a grid computing framework

Dissertação de Mestrado, Engenharia Informática, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015Os algoritmos genéticos (AG) desempenham um papel importante na resolução de muitos problemas de otimização, incluindo científicos, económicos e socialmente relevantes. Os AGs, conjuntamente com a programação genética (PG), a programação evolutiva (PE), e as estratégias de evolução, são as principais classes de algoritmos evolutivos (AEs), ou seja, algoritmos que simulam a evolução natural. Em aplicações do mundo real o tempo de execução dos AGs pode ser computacionalmente exigente, devido, principalmente, aos requerimentos relacionados com o tamanho da população. Este problema pode ser atenuado através da paralelização, que pode levar a GAs mais rápidos e com melhor desempenho. Embora a maioria das implementações existentes de Algoritmos Genéticos Paralelos (AGPs) utilize clusters ou processamento massivamente paralelo (PMP), a computação em grid é economicamente relevante (uma grid pode ser construída utilizando computadores obsoletos) e tem algumas vantagens sobre os clusters, como por exemplo a não existência de controlo centralizado, segurança e acesso a recursos heterogéneos distribuídos em organizações virtuais dinâmicas em todo o mundo. Esta investigação utiliza o problema do mundo real denominado de Problema do Caixeiro Viajante (PCV) como referência (benchmark) para a paralelização de AGs numa infraestrutura de computação em grid. O PCV é um problema NP-difícil de otimização combinatória, bem conhecido, que pode ser formalmente descrito como o problema de encontrar, num grafo, o ciclo hamiltoniano mais curto. De facto, muitos problemas de roteamento, produção e escalonamento encontrados na engenharia, na indústria e outros tipos de negócio, podem ser equiparados ao PCV, daí a sua importância. Informalmente, o problema pode ser descrito da seguinte forma: Um vendedor tem um grande número de cidades para visitar e precisa encontrar o caminho mais curto para visitar todas as cidades, sem revisitar nenhuma delas. A principal dificuldade em encontrar as melhores soluções para o PCV é o grande número de caminhos possíveis; (n-1)! / 2 para um caminho de n cidades simétricas. À medida que o número de cidades aumenta, o número de caminhos possíveis também aumenta de uma forma fatorial. O PCV é, portanto, computacionalmente intratável, justificando plenamente a utilização de um método de otimização estocástica, como os AGs. No entanto, mesmo um algoritmo de otimização estocástica pode demorar demasiado tempo para calcular, à medida que o tamanho do problema aumenta. Num AG para grandes populações, o tempo necessário para resolver o problema pode até ser excessivamente longo. Uma forma de acelerar tais algoritmos é usar recursos adicionais, tais como elementos adicionais de processamento funcionando em paralelo e colaborando para encontrar a solução. Isto leva a implementações simultâneas de AGs, adequadas para a implementação em recursos colaborando em paralelo e/ou de forma distribuída. Os Algoritmos evolutivos paralelos (AEPs) destinam-se a implementar algoritmos mais rápidos e com melhor desempenho, usando populações estruturadas, ou seja, distribuições espaciais dos indivíduos. Uma das maneiras possíveis de descentralizar a população é distribuí-la por um conjunto de nós de processamento (ilhas) que trocam periodicamente (migram) potenciais soluções; o chamado modelo de ilhas. O modelo de ilhas permite um número considerável de topologias de migração e, pela Informação que foi possível apurar, há uma carência de trabalhos de investigação sobre a comparação dessas topologias de migração, ao implementar AEPs em infraestruturas de computação em grid. De facto, a comparação de topologias de migração, utilizando uma infraestrutura de computação em grid, como proposto neste trabalho, parece não estar disponível na literatura. Esta comparação tem como objetivo fornecer uma resposta tecnicamente sólida para a questão de investigação: Qual é a topologia, de modelo de ilhas, mais rápida para resolver instâncias do PCV usando um algoritmo genético baseado em ordem, num ambiente de computação em grid, heterogéneo e distribuído, sem uma perda significativa de fitness, comparativamente com a implementação sequencial e panmítica do mesmo algoritmo? Uma hipótese para responder à questão de investigação pode ser expressa da seguinte forma: Para resolver instâncias TSP, usando um algoritmo genético baseado em ordem, num ambiente de computação em grid, heterogéneo e distribuído, sem uma perda significativa de fitness, comparativamente com a implementação sequencial e panmítica do mesmo algoritmo, escolha qualquer uma das topologias coordenadas do modelo de ilhas, de entre as topologias testadas (estrela, roda, árvore, matriz totalmente conectada, árvore-anel, anel) com o maior número de nós possível (mesmo os mais lentos) e selecione a frequência de migração g que otimiza o tempo de execução para a topologia escolhida. A metodologia de investigação é essencialmente experimental, observando e analisando o comportamento do algoritmo ao alterar as propriedades do modelo de ilhas. Os resultados mostram que o AG é acelerado quando implementado num ambiente grid, mantendo a qualidade dos resultados obtidos na versão sequencial. Além disso, mesmo os computadores obsoletos podem ser usados como nós contribuindo para acelerar o tempo de execução do algoritmo. Este trabalho também discute a adequação de uma abordagem assíncrona para a implementação do AG num ambiente de computação em grid

A study on the deployment of GA in a grid computing framework

Dissertação de Mestrado, Engenharia Informática, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015Os algoritmos genéticos (AG) desempenham um papel importante na resolução de muitos problemas de otimização, incluindo científicos, económicos e socialmente relevantes. Os AGs, conjuntamente com a programação genética (PG), a programação evolutiva (PE), e as estratégias de evolução, são as principais classes de algoritmos evolutivos (AEs), ou seja, algoritmos que simulam a evolução natural. Em aplicações do mundo real o tempo de execução dos AGs pode ser computacionalmente exigente, devido, principalmente, aos requerimentos relacionados com o tamanho da população. Este problema pode ser atenuado através da paralelização, que pode levar a GAs mais rápidos e com melhor desempenho. Embora a maioria das implementações existentes de Algoritmos Genéticos Paralelos (AGPs) utilize clusters ou processamento massivamente paralelo (PMP), a computação em grid é economicamente relevante (uma grid pode ser construída utilizando computadores obsoletos) e tem algumas vantagens sobre os clusters, como por exemplo a não existência de controlo centralizado, segurança e acesso a recursos heterogéneos distribuídos em organizações virtuais dinâmicas em todo o mundo. Esta investigação utiliza o problema do mundo real denominado de Problema do Caixeiro Viajante (PCV) como referência (benchmark) para a paralelização de AGs numa infraestrutura de computação em grid. O PCV é um problema NP-difícil de otimização combinatória, bem conhecido, que pode ser formalmente descrito como o problema de encontrar, num grafo, o ciclo hamiltoniano mais curto. De facto, muitos problemas de roteamento, produção e escalonamento encontrados na engenharia, na indústria e outros tipos de negócio, podem ser equiparados ao PCV, daí a sua importância. Informalmente, o problema pode ser descrito da seguinte forma: Um vendedor tem um grande número de cidades para visitar e precisa encontrar o caminho mais curto para visitar todas as cidades, sem revisitar nenhuma delas. A principal dificuldade em encontrar as melhores soluções para o PCV é o grande número de caminhos possíveis; (n-1)! / 2 para um caminho de n cidades simétricas. À medida que o número de cidades aumenta, o número de caminhos possíveis também aumenta de uma forma fatorial. O PCV é, portanto, computacionalmente intratável, justificando plenamente a utilização de um método de otimização estocástica, como os AGs. No entanto, mesmo um algoritmo de otimização estocástica pode demorar demasiado tempo para calcular, à medida que o tamanho do problema aumenta. Num AG para grandes populações, o tempo necessário para resolver o problema pode até ser excessivamente longo. Uma forma de acelerar tais algoritmos é usar recursos adicionais, tais como elementos adicionais de processamento funcionando em paralelo e colaborando para encontrar a solução. Isto leva a implementações simultâneas de AGs, adequadas para a implementação em recursos colaborando em paralelo e/ou de forma distribuída. Os Algoritmos evolutivos paralelos (AEPs) destinam-se a implementar algoritmos mais rápidos e com melhor desempenho, usando populações estruturadas, ou seja, distribuições espaciais dos indivíduos. Uma das maneiras possíveis de descentralizar a população é distribuí-la por um conjunto de nós de processamento (ilhas) que trocam periodicamente (migram) potenciais soluções; o chamado modelo de ilhas. O modelo de ilhas permite um número considerável de topologias de migração e, pela Informação que foi possível apurar, há uma carência de trabalhos de investigação sobre a comparação dessas topologias de migração, ao implementar AEPs em infraestruturas de computação em grid. De facto, a comparação de topologias de migração, utilizando uma infraestrutura de computação em grid, como proposto neste trabalho, parece não estar disponível na literatura. Esta comparação tem como objetivo fornecer uma resposta tecnicamente sólida para a questão de investigação: Qual é a topologia, de modelo de ilhas, mais rápida para resolver instâncias do PCV usando um algoritmo genético baseado em ordem, num ambiente de computação em grid, heterogéneo e distribuído, sem uma perda significativa de fitness, comparativamente com a implementação sequencial e panmítica do mesmo algoritmo? Uma hipótese para responder à questão de investigação pode ser expressa da seguinte forma: Para resolver instâncias TSP, usando um algoritmo genético baseado em ordem, num ambiente de computação em grid, heterogéneo e distribuído, sem uma perda significativa de fitness, comparativamente com a implementação sequencial e panmítica do mesmo algoritmo, escolha qualquer uma das topologias coordenadas do modelo de ilhas, de entre as topologias testadas (estrela, roda, árvore, matriz totalmente conectada, árvore-anel, anel) com o maior número de nós possível (mesmo os mais lentos) e selecione a frequência de migração g que otimiza o tempo de execução para a topologia escolhida. A metodologia de investigação é essencialmente experimental, observando e analisando o comportamento do algoritmo ao alterar as propriedades do modelo de ilhas. Os resultados mostram que o AG é acelerado quando implementado num ambiente grid, mantendo a qualidade dos resultados obtidos na versão sequencial. Além disso, mesmo os computadores obsoletos podem ser usados como nós contribuindo para acelerar o tempo de execução do algoritmo. Este trabalho também discute a adequação de uma abordagem assíncrona para a implementação do AG num ambiente de computação em grid

Hierarchical optimization of personalized experiences for e-Learning systems through evolutionary models

Recent researches in e-Learning area highlight the need to define novel and advanced support mechanism for commercial and academic organizations in order to enhance the skills of employees and students and, consequently, to increase the overall competitiveness in the new economy world. This is due to the unbelievable velocity and volatility of modern knowledge that require novel learning methods which are able to offer additional support features as efficiency, task relevance and personalization. This paper tries to deal with these features by proposing an adaptive e-Learning framework based on Computational Intelligence methodologies by supporting e-Learning systems' designers in two different aspects: (1) they represent the most suitable solution, able to support learning content and activities, personalized to specific needs and influenced by specific preferences of the learner and (2) they assist designers with computationally efficient methods to develop "in time" e-Learning environments. Our work attempts to achieve both results by exploiting an ontological representation of learning environment and a hierarchical memetic approach of optimization. In detail, our approach takes advantage of a collection of ontological models and processes for adapting an e-Learning system to the learner expectations by efficiently solving a well-defined optimization problem, through a hierarchical multi-cores memetic approach

Unapređenje sistema za e-učenje semantičkom nadgradnjom

Within this doctoral dissertation an enhancement to e-learning systems has been proposed and the evaluation of its impact in the context of real learning was performed. The proposed enhancement is based on coupling a notion-relation graph, in the RDF format, with the textual learning material, to enable semantic queries over the graph by dragging and droping the words in the text, in cases when the relation between two notions is unclear and still required for the student to continue learning, with the aim of reducing the need for notion definition searches (distractions). To evaluate the poposed enhancement efficiency an e-learning system simulation, learning text and questions were developed. 191 Faculty of Electronic Engineering students took part in the main experiment and 27 took part in the verification experiment that followed. The key results proved the basic hypotheses: the proposed enhancement significantly reduced the participants' need for searching within the text and their completion time, while it raised their preparedness to proceed with learning. Additional results gave insight into other effects of the proposed enhancement and will be used as guidelines for further development. All key results were confirmed by the verification experiment

Novel Memetic Computing Structures for Continuous Optimisation

This thesis studies a class of optimisation algorithms, namely Memetic Computing Structures, and proposes a novel set of promising algorithms that move the first step towards an implementation for the automatic generation of optimisation algorithms for continuous domains. This thesis after a thorough review of local search algorithms and popular meta-heuristics, focuses on Memetic Computing in terms of algorithm structures and design philosophy. In particular, most of the design carried out during my doctoral studies is inspired by the lex parsimoniae, aka Ockham’s Razor. It has been shown how simple algorithms, when well implemented can outperform complex implementations. In order to achieve this aim, the design is always carried out by attempting to identify the role of each algorithmic component/operator. In this thesis, on the basis of this logic, a set of variants of a recently proposed algorithms are presented. Subsequently a novel memetic structure, namely Parallel Memetic Structure is proposed and tested against modern algorithms representing the state of the art in optimisation. Furthermore, an initial prototype of an automatic design platform is also included. This prototype performs an analysis on separability of the optimisation problem and, on the basis of the analysis results, designs some parts of the parallel structure. Promising results are included. Finally, an investigation of the correlation among the variables and problem dimensionality has been performed. An extremely interesting finding of this thesis work is that the degree of correlation among the variables decreases when the dimensionality increases. As a direct consequence of this fact, large scale problems are to some extent easier to handle than problems in low dimensionality since, due to the lack of correlation among the variables, they can effectively be tackled by an algorithm that performs moves along the axes

A quality assessment framework for knowledge management software

CONTEXT: Knowledge is a strategic asset to any organisation due to its usefulness in supportinginnovation, performance improvement and competitive advantage. In order to gain the maximum benefit from knowledge, the effective management of various forms of knowledge is increasingly viewed as vital. A Knowledge Management System (KMS) is a class of Information System (IS) that manages organisational knowledge, and KMS software (KMSS) is a KMS component that can be used as a platform for managing various forms of knowledge. The evaluation of the effectiveness or quality of KMS software is challenging, and no systematic evidence exists on the quality evaluation of knowledge management software which considers the various aspects of Knowledge Management (KM) to ensure the effectiveness of a KMS.AIM: The overall aim is to formalise a quality assessment framework for knowledge management software (KMSS).METHOD: In order to achieve the aim, the research was planned and carried out in the stages identified in the software engineering research methods literature. The need for this research was identified through a mapping study of prior KMS research. The data collected through a Systematic Literature Review (SLR) and the evaluation of a KMSS prototype using a sample of 58 regular usersof knowledge management software were used as the main sources of data for the formalisation of the quality assessment framework. A test bed for empirical data collection was designed and implemented based on key principles of learning. A formalised quality assessment framework was applied to select knowledge management software and was evaluated for effectiveness. RESULTS: The final outcome of this research is a quality assessment framework consisting of 41 quality attributes categorised under content quality, platform quality and user satisfaction. A Quality Index was formulated by integrating these three categories of quality attributes to evaluate the quality of knowledge management software.CONCLUSION: This research generates novel contributions by presenting a framework for the quality assessment of knowledge management software, never previously available in the research. This framework is a valuable resource for any organisation or individual in selecting the most suitable knowledge management software by considering the quality attributes of the software