HyFlex: A Flexible Framework for the Design and Analysis of Hyper-heuristics

Despite the success of heuristic search methods in solving real-world computational search problems, it is often still difficult to easily apply them to new problems, or even new instances of similar problems. These difficulties arise mainly from the significant number of parameter or algorithm choices involved when using these type o

Efficient Heuristics for Scheduling with Release and Delivery Times

In this chapter, we describe efficient heuristics for scheduling jobs with release and delivery times with the objective to minimize the maximum job completion time. These heuristics are essentially based on a commonly used scheduling theory in Jackson’s extended heuristic. We present basic structural properties of the solutions delivered by Jackson’s heuristic and then illustrate how one can exploit them to build efficient heuristics

Reinforcement Learning-assisted Evolutionary Algorithm: A Survey and Research Opportunities

Evolutionary algorithms (EA), a class of stochastic search methods based on the principles of natural evolution, have received widespread acclaim for their exceptional performance in various real-world optimization problems. While researchers worldwide have proposed a wide variety of EAs, certain limitations remain, such as slow convergence speed and poor generalization capabilities. Consequently, numerous scholars actively explore improvements to algorithmic structures, operators, search patterns, etc., to enhance their optimization performance. Reinforcement learning (RL) integrated as a component in the EA framework has demonstrated superior performance in recent years. This paper presents a comprehensive survey on integrating reinforcement learning into the evolutionary algorithm, referred to as reinforcement learning-assisted evolutionary algorithm (RL-EA). We begin with the conceptual outlines of reinforcement learning and the evolutionary algorithm. We then provide a taxonomy of RL-EA. Subsequently, we discuss the RL-EA integration method, the RL-assisted strategy adopted by RL-EA, and its applications according to the existing literature. The RL-assisted procedure is divided according to the implemented functions including solution generation, learnable objective function, algorithm/operator/sub-population selection, parameter adaptation, and other strategies. Finally, we analyze potential directions for future research. This survey serves as a rich resource for researchers interested in RL-EA as it overviews the current state-of-the-art and highlights the associated challenges. By leveraging this survey, readers can swiftly gain insights into RL-EA to develop efficient algorithms, thereby fostering further advancements in this emerging field.Comment: 26 pages, 16 figure

Adaptive Order Dispatching based on Reinforcement Learning: Application in a Complex Job Shop in the Semiconductor Industry

Heutige Produktionssysteme tendieren durch die Marktanforderungen getrieben zu immer kleineren Losgrößen, höherer Produktvielfalt und größerer Komplexität der Materialflusssysteme. Diese Entwicklungen stellen bestehende Produktionssteuerungsmethoden in Frage. Im Zuge der Digitalisierung bieten datenbasierte Algorithmen des maschinellen Lernens einen alternativen Ansatz zur Optimierung von Produktionsabläufen. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen eine hohe Leistungsfähigkeit von Verfahren des Reinforcement Learning (RL) in einem breiten Anwendungsspektrum. Im Bereich der Produktionssteuerung haben sich jedoch bisher nur wenige Autoren damit befasst. Eine umfassende Untersuchung verschiedener RL-Ansätze sowie eine Anwendung in der Praxis wurden noch nicht durchgeführt. Unter den Aufgaben der Produktionsplanung und -steuerung gewährleistet die Auftragssteuerung (order dispatching) eine hohe Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Produktionsabläufe, um eine hohe Kapazitätsauslastung und kurze Durchlaufzeiten zu erreichen. Motiviert durch komplexe Werkstattfertigungssysteme, wie sie in der Halbleiterindustrie zu finden sind, schließt diese Arbeit die Forschungslücke und befasst sich mit der Anwendung von RL für eine adaptive Auftragssteuerung. Die Einbeziehung realer Systemdaten ermöglicht eine genauere Erfassung des Systemverhaltens als statische Heuristiken oder mathematische Optimierungsverfahren. Zusätzlich wird der manuelle Aufwand reduziert, indem auf die Inferenzfähigkeiten des RL zurückgegriffen wird. Die vorgestellte Methodik fokussiert die Modellierung und Implementierung von RL-Agenten als Dispatching-Entscheidungseinheit. Bekannte Herausforderungen der RL-Modellierung in Bezug auf Zustand, Aktion und Belohnungsfunktion werden untersucht. Die Modellierungsalternativen werden auf der Grundlage von zwei realen Produktionsszenarien eines Halbleiterherstellers analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass RL-Agenten adaptive Steuerungsstrategien erlernen können und bestehende regelbasierte Benchmarkheuristiken übertreffen. Die Erweiterung der Zustandsrepräsentation verbessert die Leistung deutlich, wenn ein Zusammenhang mit den Belohnungszielen besteht. Die Belohnung kann so gestaltet werden, dass sie die Optimierung mehrerer Zielgrößen ermöglicht. Schließlich erreichen spezifische RL-Agenten-Konfigurationen nicht nur eine hohe Leistung in einem Szenario, sondern weisen eine Robustheit bei sich ändernden Systemeigenschaften auf. Damit stellt die Forschungsarbeit einen wesentlichen Beitrag in Richtung selbstoptimierender und autonomer Produktionssysteme dar. Produktionsingenieure müssen das Potenzial datenbasierter, lernender Verfahren bewerten, um in Bezug auf Flexibilität wettbewerbsfähig zu bleiben und gleichzeitig den Aufwand für den Entwurf, den Betrieb und die Überwachung von Produktionssteuerungssystemen in einem vernünftigen Gleichgewicht zu halten

Case-based reasoning for meta-heuristics self-parameterization in a multi-agent scheduling system

A novel agent-based approach to Meta-Heuristics self-configuration is proposed in this work. Meta-heuristics are examples of algorithms where parameters need to be set up as efficient as possible in order to unsure its performance. This paper presents a learning module for self-parameterization of Meta-heuristics (MHs) in a Multi-Agent System (MAS) for resolution of scheduling problems. The learning is based on Case-based Reasoning (CBR) and two different integration approaches are proposed. A computational study is made for comparing the two CBR integration perspectives. In the end, some conclusions are reached and future work outlined