GPU accelerated Hungarian algorithm for traveling salesman problem

In this thesis, we present a model of the Traveling Salesman Problem (TSP) cast in a quadratic assignment problem framework with linearized objective function and constraints. This is referred to as Reformulation Linearization Technique at Level 2 (or RLT2). We apply dual ascent procedure for obtaining lower bounds that employs Linear Assignment Problem (LAP) solver recently developed by Date(2016). The solver is a parallelized Hungarian Algorithm that uses Compute Unified Device Architecture (CUDA) enabled NVIDIA Graphics Processing Units (GPU) as the parallel programming architecture. The aim of this thesis is to make use of a modified version of the Dual Ascent-LAP solver to solve the TSP. Though this procedure is computational expensive, the bounds obtained are tight and our experimental results confirm that the gap is within 2% for most problems. However, due to limitations in computational resources, we could only test problem sizes N < 30. Further work can be directed at theoretical and computational analysis to test the efficiency of our approach for larger problem instances

Optimization of storage and picking systems in warehouses

La croissance du commerce électronique exige une hausse des performances des systèmes d'entreposage, qui sont maintenant repensés pour faire face à un volume massif de demandes à être satisfait le plus rapidement possible. Le système manuel et le système à robots mobile (SRM) sont parmi les plus utilisés pour ces activités. Le premier est un système centré sur l'humain pour réaliser des opérations complexes que les robots actuels ne peuvent pas effectuer. Cependant, les nouvelles générations de robots autonomes mènent à un remplacement progressif par le dernier pour augmenter la productivité. Quel que soit le système utilisé, plusieurs problèmes interdépendants doivent être résolus pour avoir des processus de stockage et de prélèvement efficaces. Les problèmes de stockage concernent les décisions d'où stocker les produits dans l'entrepôt. Les problèmes de prélèvement incluent le regroupement des commandes à exécuter ensemble et les itinéraires que les cueilleurs et les robots doivent suivre pour récupérer les produits demandés. Dans le système manuel, ces problèmes sont traditionnellement résolus à l'aide de politiques simples que les préparateurs peuvent facilement suivre. Malgré l'utilisation de robots, la même stratégie de solution est répliquée aux problèmes équivalents trouvés dans le SRM. Dans cette recherche, nous étudions les problèmes de stockage et de prélèvement rencontrés lors de la conception du système manuel et du SRM. Nous développons des outils d'optimisation pour aider à la prise de décision pour mettre en place leurs processus, en améliorant les mesures de performance typiques de ces systèmes. Certains problèmes traditionnels sont résolus avec des techniques améliorées, tandis que d'autres sont intégrés pour être résolus ensemble au lieu d'optimiser chaque sous-système de manière indépendante. Nous considérons d'abord un système manuel avec un ensemble connu de commandes et intégrons les décisions de stockage et de routage. Le problème intégré et certaines variantes tenant compte des politiques de routage communes sont modélisés mathématiquement. Une métaheuristique générale de recherche de voisinage variable est présentée pour traiter des instances de taille réelle. Des expériences attestent de l'efficience de la métaheuristique proposée par rapport aux modèles exacts et aux politiques de stockage communes. Lorsque les demandes futures sont incertaines, il est courant d'utiliser une stratégie de zonage qui divise la zone de stockage en zones et attribue les produits les plus demandés aux meilleures zones. Les tailles des zones sont à déterminer. Généralement, des dimensions arbitraires sont choisies, mais elles ignorent les caractéristiques de l'entrepôt et des demandes. Nous abordons le problème de dimensionnement des zones pour déterminer quels facteurs sont pertinents pour choisir de meilleures tailles de zone. Les données générées à partir de simulations exhaustives sont utilisées pour trainer quatre modèles de régression d'apprentissage automatique - moindres carrés ordinaire, arbre de régression, forêt aléatoire et perceptron multicouche - afin de prédire les dimensions optimales des zones en fonction de l'ensemble de facteurs pertinents identifiés. Nous montrons que tous les modèles entraînés suggèrent des dimensions sur mesure des zones qui performent meilleur que les dimensions arbitraires couramment utilisées. Une autre approche pour résoudre les problèmes de stockage pour le système manuel et pour le SRM considère les corrélations entre les produits. L'idée est que les produits régulièrement demandés ensemble doivent être stockés près pour réduire les coûts de routage. Cette politique de stockage peut être modélisée comme une variante du problème d'affectation quadratique (PAQ). Le PAQ est un problème combinatoire traditionnel et l'un des plus difficiles à résoudre. Nous examinons les variantes les plus connues du PAQ et développons une puissante métaheuristique itérative de recherche tabou mémétique en parallèle capable de les résoudre. La métaheuristique proposée s'avère être parmi les plus performantes pour le PAQ et surpasse considérablement l'état de l'art pour ses variantes. Les SRM permettent de repositionner facilement les pods d'inventaire pendant les opérations, ce qui peut conduire à un processus de prélèvement plus économe en énergie. Nous intégrons les décisions de repositionnement des pods à l'attribution des commandes et à la sélection des pods à l'aide d'une stratégie de prélèvement par vague. Les pods sont réorganisés en tenant compte du moment et de l'endroit où ils devraient être demandés au futur. Nous résolvons ce problème en utilisant la programmation stochastique en tenant compte de l'incertitude sur les demandes futures et suggérons une matheuristique de recherche locale pour résoudre des instances de taille réelle. Nous montrons que notre schéma d'approximation moyenne de l'échantillon est efficace pour simuler les demandes futures puisque nos méthodes améliorent les solutions trouvées lorsque les vagues sont planifiées sans tenir compte de l'avenir. Cette thèse est structurée comme suit. Après un chapitre d'introduction, nous présentons une revue de la littérature sur le système manuel et le SRM, et les décisions communes prises pour mettre en place leurs processus de stockage et de prélèvement. Les quatre chapitres suivants détaillent les études pour le problème de stockage et de routage intégré, le problème de dimensionnement des zones, le PAQ et le problème de repositionnement de pod. Nos conclusions sont résumées dans le dernier chapitre.The rising of e-commerce is demanding an increase in the performance of warehousing systems, which are being redesigned to deal with a mass volume of demands to be fulfilled as fast as possible. The manual system and the robotic mobile fulfillment system (RMFS) are among the most commonly used for these activities. The former is a human-centered system that handles complex operations that current robots cannot perform. However, newer generations of autonomous robots are leading to a gradual replacement by the latter to increase productivity. Regardless of the system used, several interdependent problems have to be solved to have efficient storage and picking processes. Storage problems concern decisions on where to store products within the warehouse. Picking problems include the batching of orders to be fulfilled together and the routes the pickers and robots should follow to retrieve the products demanded. In the manual system, these problems are traditionally solved using simple policies that pickers can easily follow. Despite using robots, the same solution strategy is being replicated to the equivalent problems found in the RMFS. In this research, we investigate storage and picking problems faced when designing manual and RMFS warehouses. We develop optimization tools to help in the decision-making process to set up their processes and improve typical performance measures considered in these systems. Some classic problems are solved with improved techniques, while others are integrated to be solved together instead of optimizing each subsystem sequentially. We first consider a manual system with a known set of orders and integrate storage and routing decisions. The integrated problem and some variants considering common routing policies are modeled mathematically. A general variable neighborhood search metaheuristic is presented to deal with real-size instances. Computational experiments attest to the effectiveness of the metaheuristic proposed compared to the exact models and common storage policies. When future demands are uncertain, it is common to use a zoning strategy to divide the storage area into zones and assign the most-demanded products to the best zones. Zone sizes are to be determined. Commonly, arbitrary sizes are chosen, which ignore the characteristics of the warehouse and the demands. We approach the zone sizing problem to determine which factors are relevant to choosing better zone sizes. Data generated from exhaustive simulations are used to train four machine learning regression models - ordinary least squares, regression tree, random forest, and multilayer perceptron - to predict the optimal zone sizes given the set of relevant factors identified. We show that all trained models suggest tailor-made zone sizes with better picking performance than the arbitrary ones commonly used. Another approach to solving storage problems, both in the manual and RMFS, considers the correlations between products. The idea is that products constantly demanded together should be stored closer to reduce routing costs. This storage policy can be modeled as a quadratic assignment problem (QAP) variant. The QAP is a traditional combinatorial problem and one of the hardest to solve. We survey the most traditional QAP variants and develop a powerful parallel memetic iterated tabu search metaheuristic capable of solving them. The proposed metaheuristic is shown to be among the best performing ones for the QAP and significantly outperforms the state-of-the-art for its variants. The RMFS allows easy repositioning of inventory pods during operations that can lead to a more energy-efficient picking process. We integrate pod repositioning decisions with order assignment and pod selection using a wave picking strategy such that pods are parked after being requested considering when and where they are expected to be requested next. We solve this integrated problem using stochastic programming considering the uncertainty about future demands and suggest a local search matheuristic to solve real-size instances. We show that our sample average approximation scheme is effective to simulate future demands since our methods improve solutions found when waves are planned without considering the future demands. This thesis is structured as follows. After an introductory chapter, we present a literature review on the manual and RMFS, and common decisions made to set up their storage and picking processes. The next four chapters detail the studies for the integrated storage and routing problem, the zone sizing problem, the QAP, and the pod repositioning problem. Our findings are summarized in the last chapter

Theoretical and computational advances in finite-size facility placement and assignment problems

The goal of this research is to develop fundamental theory and exact solution methods for the optimal placement of multiple, finite-size, rectangular facilities in presence of existing rectangular facilities, in a plane. Applications of this research can be found in facility layout (re)design in manufacturing, distribution systems, services (retail outlets, hospital floors, etc.), and printed circuit board design; where designing an efficient layout can save millions of dollars in operational costs. Main difficulty of this optimization problem lies in its continuous non-convex/non-concave feasible space, which makes it tough to escape local optimality. Through this research, novel approaches will be proposed which can be used to distill this continuous space into a finite set of candidate solutions, making it amenable to search for the global optimum. The first two parts of this research deal with establishing a unified theory for the finite-size facility placement problem and establishing the theory of dominance for pruning the sub-optimal solutions. Traditionally, the facility location/layout problems are modeled as the Quadratic Assignment Problem (QAP), which is strongly NP-hard. Also, for getting strong lower bounds in the dominance procedure, we may need to solve an instance of the NP-hard Quadratic Semi-Assignment Problem (QSAP). To this end, the third part of this research deals with investigating parallel and High Performance Computing (HPC) methods for solving the Linear Assignment Problem (LAP), which is an important sub-problem of the QAP. The final part of this research deals with investigating parallel and HPC methods for obtaining strong lower bounds and possibly solving large QAPs. Since QAP is known to be a computationally intensive problem, it should be noted that large in this context means problem instances with up to 30 facilities and locations

International Conference on Continuous Optimization (ICCOPT) 2019 Conference Book

The Sixth International Conference on Continuous Optimization took place on the campus of the Technical University of Berlin, August 3-8, 2019. The ICCOPT is a flagship conference of the Mathematical Optimization Society (MOS), organized every three years. ICCOPT 2019 was hosted by the Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (WIAS) Berlin. It included a Summer School and a Conference with a series of plenary and semi-plenary talks, organized and contributed sessions, and poster sessions. This book comprises the full conference program. It contains, in particular, the scientific program in survey style as well as with all details, and information on the social program, the venue, special meetings, and more

Solving large permutation flow-shop scheduling problems on GPU-accelerated supercomputers

Makespan minimization in permutation flow-shop scheduling is a well-known hard combinatorial optimization problem. Among the 120 standard benchmark instances proposed by E. Taillard in 1993, 23 have remained unsolved for almost three decades. In this paper, we present our attempts to solve these instances to optimality using parallel Branch-and-Bound tree search on the GPU-accelerated Jean Zay supercomputer. We report the exact solution of 11 previously unsolved problem instances and improved upper bounds for 8 instances. The solution of these problems requires both algorithmic improvements and leveraging the computing power of peta-scale high-performance computing platforms. The challenge consists in efficiently performing parallel depth-first traversal of a highly irregular, fine-grained search tree on distributed systems composed of hundreds of massively parallel accelerator devices and multi-core processors. We present and discuss the design and implementation of our permutation-based B&B and experimentally evaluate its parallel performance on up to 384 V100 GPUs (2 million CUDA cores) and 3840 CPU cores. The optimality proof for the largest solved instance requires about 64 CPU-years of computation-using 256 GPUs and over 4 million parallel search agents, the traversal of the search tree is completed in 13 hours, exploring 339 Tera-nodes

Proceedings of the 3rd Annual Conference on Aerospace Computational Control, volume 1

Conference topics included definition of tool requirements, advanced multibody component representation descriptions, model reduction, parallel computation, real time simulation, control design and analysis software, user interface issues, testing and verification, and applications to spacecraft, robotics, and aircraft