A Parallel Meta-Heuristic Approach to Reduce Vehicle Travel Time in Smart Cities

The development of the smart city concept and inhabitants’ need to reduce travel time, in addition to society’s awareness of the importance of reducing fuel consumption and respecting the environment, have led to a new approach to the classic travelling salesman problem (TSP) applied to urban environments. This problem can be formulated as “Given a list of geographic points and the distances between each pair of points, what is the shortest possible route that visits each point and returns to the departure point?”. At present, with the development of Internet of Things (IoT) devices and increased capabilities of sensors, a large amount of data and measurements are available, allowing researchers to model accurately the routes to choose. In this work, the aim is to provide a solution to the TSP in smart city environments using a modified version of the metaheuristic optimization algorithm Teacher Learner Based Optimization (TLBO). In addition, to improve performance, the solution is implemented by means of a parallel graphics processing unit (GPU) architecture, specifically a Compute Unified Device Architecture (CUDA) implementation.This research was supported by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities and the Research State Agency under Grant RTI2018-098156-B-C54 co-financed by FEDER funds, and by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness under Grant TIN2017-89266-R, co-financed by FEDER funds

Parallelised and vectorised ant colony optimization

Ant Colony Optimisation (ACO) is a versatile population-based optimisation metaheuristic based on the foraging behaviour of certain species of ant, and is part of the Evolutionary Computation family of algorithms. While ACO generally provides good quality solutions to the problems it is applied to, two key limitations prevent it from being truly viable on large-scale problems: A high memory requirement that grows quadratically with instance size, and high execution time. This thesis presents a parallelised and vectorised implementation of ACO using OpenMP and AVX SIMD instructions; while this alone is enough to improve upon the execution time of the algorithm, this implementation also features an alternative memory structure and a novel candidate set approach, the use of which significantly reduces the memory requirement of ACO. This parallelism is enabled through the use of Max-Min Ant System, an ACO variant that only utilises local memory during the solution process and therefore risks no synchronisation issues, and an adaptation of vRoulette, a vector-compatible variant of the common roulette wheel selection method. Through the use of these techniques ACO is also able to find good quality solutions for the very large Art TSPs, a problem set that has traditionally been unfeasible to solve with ACO due to high memory requirements and execution time. These techniques can also benefit ACO when it comes to solving other problems. In this case the Virtual Machine Placement problem, in which Virtual Machines have to be efficiently allocated to Physical Machines in a cloud environment, is used as a benchmark, with significant improvements to execution time

Optimización de algoritmos bioinspirados en sistemas heterogéneos CPU-GPU.

Los retos científicos del siglo XXI precisan del tratamiento y análisis de una ingente cantidad de información en la conocida como la era del Big Data. Los futuros avances en distintos sectores de la sociedad como la medicina, la ingeniería o la producción eficiente de energía, por mencionar sólo unos ejemplos, están supeditados al crecimiento continuo en la potencia computacional de los computadores modernos. Sin embargo, la estela de este crecimiento computacional, guiado tradicionalmente por la conocida “Ley de Moore”, se ha visto comprometido en las últimas décadas debido, principalmente, a las limitaciones físicas del silicio. Los arquitectos de computadores han desarrollado numerosas contribuciones multicore, manycore, heterogeneidad, dark silicon, etc, para tratar de paliar esta ralentización computacional, dejando en segundo plano otros factores fundamentales en la resolución de problemas como la programabilidad, la fiabilidad, la precisión, etc. El desarrollo de software, sin embargo, ha seguido un camino totalmente opuesto, donde la facilidad de programación a través de modelos de abstracción, la depuración automática de código para evitar efectos no deseados y la puesta en producción son claves para una viabilidad económica y eficiencia del sector empresarial digital. Esta vía compromete, en muchas ocasiones, el rendimiento de las propias aplicaciones; consecuencia totalmente inadmisible en el contexto científico. En esta tesis doctoral tiene como hipótesis de partida reducir las distancias entre los campos hardware y software para contribuir a solucionar los retos científicos del siglo XXI. El desarrollo de hardware está marcado por la consolidación de los procesadores orientados al paralelismo masivo de datos, principalmente GPUs Graphic Processing Unit y procesadores vectoriales, que se combinan entre sí para construir procesadores o computadores heterogéneos HSA. En concreto, nos centramos en la utilización de GPUs para acelerar aplicaciones científicas. Las GPUs se han situado como una de las plataformas con mayor proyección para la implementación de algoritmos que simulan problemas científicos complejos. Desde su nacimiento, la trayectoria y la historia de las tarjetas gráficas ha estado marcada por el mundo de los videojuegos, alcanzando altísimas cotas de popularidad según se conseguía más realismo en este área. Un hito importante ocurrió en 2006, cuando NVIDIA (empresa líder en la fabricación de tarjetas gráficas) lograba hacerse con un hueco en el mundo de la computación de altas prestaciones y en el mundo de la investigación con el desarrollo de CUDA “Compute Unified Device Arquitecture. Esta arquitectura posibilita el uso de la GPU para el desarrollo de aplicaciones científicas de manera versátil. A pesar de la importancia de la GPU, es interesante la mejora que se puede producir mediante su utilización conjunta con la CPU, lo que nos lleva a introducir los sistemas heterogéneos tal y como detalla el título de este trabajo. Es en entornos heterogéneos CPU-GPU donde estos rendimientos alcanzan sus cotas máximas, ya que no sólo las GPUs soportan el cómputo científico de los investigadores, sino que es en un sistema heterogéneo combinando diferentes tipos de procesadores donde podemos alcanzar mayor rendimiento. En este entorno no se pretende competir entre procesadores, sino al contrario, cada arquitectura se especializa en aquella parte donde puede explotar mejor sus capacidades. Donde mayor rendimiento se alcanza es en estos clústeres heterogéneos, donde múltiples nodos son interconectados entre sí, pudiendo dichos nodos diferenciarse no sólo entre arquitecturas CPU-GPU, sino también en las capacidades computacionales dentro de estas arquitecturas. Con este tipo de escenarios en mente, se presentan nuevos retos en los que lograr que el software que hemos elegido como candidato se ejecuten de la manera más eficiente y obteniendo los mejores resultados posibles. Estas nuevas plataformas hacen necesario un rediseño del software para aprovechar al máximo los recursos computacionales disponibles. Se debe por tanto rediseñar y optimizar los algoritmos existentes para conseguir que las aportaciones en este campo sean relevantes, y encontrar algoritmos que, por su propia naturaleza sean candidatos para que su ejecución en dichas plataformas de alto rendimiento sea óptima. Encontramos en este punto una familia de algoritmos denominados bioinspirados, que utilizan la inteligencia colectiva como núcleo para la resolución de problemas. Precisamente esta inteligencia colectiva es la que les hace candidatos perfectos para su implementación en estas plataformas bajo el nuevo paradigma de computación paralela, puesto que las soluciones pueden ser construidas en base a individuos que mediante alguna forma de comunicación son capaces de construir conjuntamente una solución común. Esta tesis se centrará especialmente en uno de estos algoritmos bioinspirados que se engloba dentro del término metaheurísticas bajo el paradigma del Soft Computing, el Ant Colony Optimization “ACO”. Se realizará una contextualización, estudio y análisis del algoritmo. Se detectarán las partes más críticas y serán rediseñadas buscando su optimización y paralelización, manteniendo o mejorando la calidad de sus soluciones. Posteriormente se pasará a implementar y testear las posibles alternativas sobre diversas plataformas de alto rendimiento. Se utilizará el conocimiento adquirido en el estudio teórico-práctico anterior para su aplicación a casos reales, más en concreto se mostrará su aplicación sobre el plegado de proteínas. Todo este análisis es trasladado a su aplicación a un caso concreto. En este trabajo, aunamos las nuevas plataformas hardware de alto rendimiento junto al rediseño e implementación software de un algoritmo bioinspirado aplicado a un problema científico de gran complejidad como es el caso del plegado de proteínas. Es necesario cuando se implementa una solución a un problema real, realizar un estudio previo que permita la comprensión del problema en profundidad, ya que se encontrará nueva terminología y problemática para cualquier neófito en la materia, en este caso, se hablará de aminoácidos, moléculas o modelos de simulación que son desconocidos para los individuos que no sean de un perfil biomédico.Ingeniería, Industria y Construcció

Ant Colony Optimization

Ant Colony Optimization (ACO) is the best example of how studies aimed at understanding and modeling the behavior of ants and other social insects can provide inspiration for the development of computational algorithms for the solution of difficult mathematical problems. Introduced by Marco Dorigo in his PhD thesis (1992) and initially applied to the travelling salesman problem, the ACO field has experienced a tremendous growth, standing today as an important nature-inspired stochastic metaheuristic for hard optimization problems. This book presents state-of-the-art ACO methods and is divided into two parts: (I) Techniques, which includes parallel implementations, and (II) Applications, where recent contributions of ACO to diverse fields, such as traffic congestion and control, structural optimization, manufacturing, and genomics are presented

Applied (Meta)-Heuristic in Intelligent Systems

Engineering and business problems are becoming increasingly difficult to solve due to the new economics triggered by big data, artificial intelligence, and the internet of things. Exact algorithms and heuristics are insufficient for solving such large and unstructured problems; instead, metaheuristic algorithms have emerged as the prevailing methods. A generic metaheuristic framework guides the course of search trajectories beyond local optimality, thus overcoming the limitations of traditional computation methods. The application of modern metaheuristics ranges from unmanned aerial and ground surface vehicles, unmanned factories, resource-constrained production, and humanoids to green logistics, renewable energy, circular economy, agricultural technology, environmental protection, finance technology, and the entertainment industry. This Special Issue presents high-quality papers proposing modern metaheuristics in intelligent systems

CACIC 2015 : XXI Congreso Argentino de Ciencias de la Computación. Libro de actas

Actas del XXI Congreso Argentino de Ciencias de la Computación (CACIC 2015), realizado en Sede UNNOBA Junín, del 5 al 9 de octubre de 2015.Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

Libro de Actas JCC&BD 2018 : VI Jornadas de Cloud Computing & Big Data

Se recopilan las ponencias presentadas en las VI Jornadas de Cloud Computing & Big Data (JCC&BD), realizadas entre el 25 al 29 de junio de 2018 en la Facultad de Informática de la Universidad Nacional de La Plata.Universidad Nacional de La Plata (UNLP) - Facultad de Informátic

Design Space Exploration and Resource Management of Multi/Many-Core Systems

The increasing demand of processing a higher number of applications and related data on computing platforms has resulted in reliance on multi-/many-core chips as they facilitate parallel processing. However, there is a desire for these platforms to be energy-efficient and reliable, and they need to perform secure computations for the interest of the whole community. This book provides perspectives on the aforementioned aspects from leading researchers in terms of state-of-the-art contributions and upcoming trends

Personality Identification from Social Media Using Deep Learning: A Review

Social media helps in sharing of ideas and information among people scattered around the world and thus helps in creating communities, groups, and virtual networks. Identification of personality is significant in many types of applications such as in detecting the mental state or character of a person, predicting job satisfaction, professional and personal relationship success, in recommendation systems. Personality is also an important factor to determine individual variation in thoughts, feelings, and conduct systems. According to the survey of Global social media research in 2018, approximately 3.196 billion social media users are in worldwide. The numbers are estimated to grow rapidly further with the use of mobile smart devices and advancement in technology. Support vector machine (SVM), Naive Bayes (NB), Multilayer perceptron neural network, and convolutional neural network (CNN) are some of the machine learning techniques used for personality identification in the literature review. This paper presents various studies conducted in identifying the personality of social media users with the help of machine learning approaches and the recent studies that targeted to predict the personality of online social media (OSM) users are reviewed