Metaheuristics and Their Hybridization to Solve the Bi-objective Ring Star Problem: a Comparative Study

This paper presents and experiments approaches to solve a new bi-objective routing problem called the ring star problem. It consists of locating a simple cycle through a subset of nodes of a graph while optimizing two kinds of cost. The first objective is the minimization of a ring cost that is related to the length of the cycle. The second one is the minimization of an assignment cost from non-visited nodes to visited ones. In spite of its obvious bi-objective formulation, this problem has always been investigated in a single-objective way. To tackle the bi-objective ring star problem, we first investigate different stand-alone search methods. Then, we propose two cooperative strategies that combines two multiple objective metaheuristics: an elitist evolutionary algorithm and a population-based local search. We apply this new hybrid approaches to well-known benchmark test instances and demonstrate their effectiveness in comparison to non-hybrid algorithms and to state-of-the-art methods

Optimised Design and Analysis of All-Optical Networks

This PhD thesis presents a suite of methods for optimising design and for analysing blocking probabilities of all-optical networks. It thus contributes methodical knowledge to the field of computer assisted planning of optical networks. A two-stage greenfield optical network design optimiser is developed, based on shortest-path algorithms and a comparatively new metaheuristic called simulated allocation. It is able to handle design of all-optical mesh networks with optical cross-connects, considers duct as well as fibre and node costs, and can also design protected networks. The method is assessed through various experiments and is shown to produce good results and to be able to scale up to networks of realistic sizes. A novel method, subpath wavelength grouping, for routing connections in a multigranular all-optical network where several wavelengths can be grouped and switched at band and fibre level is presented. The method uses an unorthodox routing strategy focusing on common subpaths rather than individual connections, and strives to minimise switch port count as well as fibre usage. It is shown to produce cheaper network designs than previous methods when fibre costs are comparatively high. A new optical network concept, the synchronous optical hierarchy, is proposed, in which wavelengths are subdivided into timeslots to match the traffic granularity. Various theoretical properties of this concept are investigated and compared in simulation studies. An integer linear programming model for optical ring network design is presented. Manually designed real world ring networks are studied and it is found that the model can lead to cheaper network design. Moreover, ring and mesh network architectures are compared using real world costs, and it is found that optical cros..

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

Evolutionary Computation

This book presents several recent advances on Evolutionary Computation, specially evolution-based optimization methods and hybrid algorithms for several applications, from optimization and learning to pattern recognition and bioinformatics. This book also presents new algorithms based on several analogies and metafores, where one of them is based on philosophy, specifically on the philosophy of praxis and dialectics. In this book it is also presented interesting applications on bioinformatics, specially the use of particle swarms to discover gene expression patterns in DNA microarrays. Therefore, this book features representative work on the field of evolutionary computation and applied sciences. The intended audience is graduate, undergraduate, researchers, and anyone who wishes to become familiar with the latest research work on this field

Topology Control and Pointing in Free Space Optical Networks

Free space optical (FSO) communication provides functionalities that are different from fiber optic networks and omnidirectional RF wireless communications in that FSO is optical wireless (no infrastructure installation cost involving fibers) and is highly directional (no frequency interference). Moreover, its high-speed data transmission capability is an attractive solution to the first or last mile problem to bridge to current fiber optic network and is a preferable alternative to the low data rate directional point-to-point RF communications for inter-building wireless local area networks. FSO networking depends critically on pointing, acquisition and tracking techniques for rapidly and precisely establishing and maintaining optical wireless links between network nodes (physical reconfiguration), and uses topology reconfiguration algorithms for optimizing network performance in terms of network cost and congestion (logical reconfiguration). The physical and logical reconfiguration process is called Topology Control and can allow FSO networks to offer quality of service by quickly responding to various traffic demands of network users and by efficiently managing network connectivity. The overall objective of this thesis research is to develop a methodology for self-organized pointing along with the associated autonomous and precise pointing technique as well as heuristic optimization methods for Topology Control in bi-connected FSO ring networks, in which each network node has two FSO transceivers. This research provides a unique, autonomous, and precise pointing method using GPS and local angular sensors, which is applicable to both mobile and static nodes in FSO networking and directional point-to-point RF communications with precise tracking. Through medium (264 meter) and short (40 meter) range pointing experiments using an outdoor testbed on the University of Maryland campus in College Park, sub-milliradian pointing accuracy is presented. In addition, this research develops fast and accurate heuristic methods for autonomous logical reconfiguration of bi-connected ring network topologies as well as a formal optimality gap measure tested on an extensive set of problems. The heuristics are polynomial time algorithms for a congestion minimization problem at the network layer and for a multiobjective stochastic optimization of network cost and congestion at both the physical and network layers

INTEGRATED ROUTING MODELS FOR ENHANCED PRODUCT AND SERVICE DELIVERY

Logistics constitutes a key function of modern-day supply chains and an indispensable prerequisite for the support and growth of conventional brick-and-mortar and online businesses. Whether for procurement or delivery purposes, manufacturers and service providers seek efficient and reliable logistical services. A 2014 Bloomberg survey reports that 73% of supply chain managers are experiencing a shift in their attitude towards transportation services; a function they now view as a key element of their business strategy. The advent of new mobile technologies and online platforms, the use of intermodal logistics, and the multiplication of customer-selected delivery options continue to prompt the development of large-scale complex transportation models. The scope of such models can address a single tier of the supply chain or lie at the interface of two tiers when this integration is necessary to reveal important managerial tradeoffs. Such problems require cutting-edge optimization techniques and powerful computing platforms. Given the scale and recurrence of logistical operations, data-driven optimized policies can achieve multi-million dollar savings in cost and significant improvement in service level. This dissertation develops, in its three essays, specialized algorithms for solving two integrated routing problems that have applications in bi-level transportation. Essay One proposes an exact branch-cut-and-price algorithm for the generalized vehicle routing problem (GVRP) which has applications in maritime transportation, survivable telecommunication network design, and health-care logistics. Decomposition techniques are used to reformulate the GVRP as a set-partitioning model which prompts the development of a column generation approach. A specialized dynamic programming algorithm is proposed for solving the pricing subproblem. The performance of the proposed algorithm is significantly improved by enforcing a set of rounded capacity valid inequalities. Computational results show that the proposed algorithm compares favorably against the state-of-the-art exact algorithm for the GVRP and closes 8 out of 9 previously open GVRP instances in the literature. Essay Two investigates a variant of the Vehicle Routing-Allocation Problem that arises in the distribution of pallets of goods by a food bank to a network of relatively distant nonprofit organizations. Vehicles are routed to selected intermediate delivery sites to which the nonprofit organizations travel to collect their demand. The logistical cost is shared and the objective is to minimize a weighted average of the food bank vehicle routing cost and the travel cost of the nonprofit organizations. We develop an efficient multi-start heuristic that iteratively constructs initial solutions to this problem and subsequently explores their neighborhoods via local improvement and perturbation schemes. In our experience, the proposed heuristic substantially outperforms alternative optimization-based heuristics in the literature in terms of the solution quality and computational efficiency and consistently yields solutions with an optimality gap of 0.5% on average. Essay Three develops an effective branch-and-price algorithm for the aforementioned food bank vehicle routing problem. The pricing subproblem is solved, exactly or heuristically, using a specialized labeling type dynamic programming (DP) algorithm. The computational efficacy of this DP approach stems primarily from the inclusion of preprocessing routines that enhance the label extension scheme by iteratively eliminating dominated (partial) solutions. The proposed exact DP algorithm, and five proposed heuristic variants, significantly reduce the computational time associated with the solution of the pricing subproblem (as opposed to solving the latter as a mixed-integer model with CPLEX). The resulting speedup enables the implementation of a branch-and-price algorithm that greatly outperforms the use of CPLEX over a test-bed of 60 problem instances

Solving a Dial-a-Ride Problem with a Hybrid Multi-objective Evolutionary Approach: Application to Demand Responsive Transport

International audienceDemand responsive transport allows customers to be carried to their destination as with a taxi service, provided that the customers are grouped in the same vehicles in order to reduce operational costs. This kind of service is related to the dial-a-ride problem. However, in order to improve the quality of service, demand responsive transport needs more flexibility. This paper tries to address this issue by proposing an original evolutionary approach. In order to propose a set of compromise solutions to the decision-maker, this approach optimizes three objectives concurrently. Moreover, in order to intensify the search process, this multi-objective evolutionary approach is hybridized with a local search. Results obtained on random and realistic problems are detailed to compare three state-of-the-art algorithms and discussed from an operational point of view

Traveling Salesman Problem

This book is a collection of current research in the application of evolutionary algorithms and other optimal algorithms to solving the TSP problem. It brings together researchers with applications in Artificial Immune Systems, Genetic Algorithms, Neural Networks and Differential Evolution Algorithm. Hybrid systems, like Fuzzy Maps, Chaotic Maps and Parallelized TSP are also presented. Most importantly, this book presents both theoretical as well as practical applications of TSP, which will be a vital tool for researchers and graduate entry students in the field of applied Mathematics, Computing Science and Engineering