On Meme Self-Adaptation in Spatially-Structured Multimemetic Algorithms

NMA 2014Multimemetic algorithms (MMAs) are memetic algorithms that explicitly exploit the evolution of memes, i.e., non-genetic expressions of problem-solving strategies. We consider a class of MMAs in which these memes are rewriting rules whose length can be fixed during the run of the algorithm or self-adapt during the search process. We analyze this self-adaptation in the context of spatially-structured MMAs, namely MMAs in which the population is endowed with a certain topology to which interactions (from the point of view of selection and variation operators) are constrained. For the problems considered, it is shown that panmictic (i.e., non-structured) MMAs are more sensitive to this self-adaptation, and that using variable-length memes seems to be a robust strategy throughout different population structures.This work is partially supported by MICINN project ANYSELF (TIN2011-28627-C04-01), by Junta de Andaluía project DNEMESIS (P10-TIC-6083) and by Universidad de Málaga, Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Sensitivity Analysis of Checkpointing Strategies for Multimemetic Algorithms on Unstable Complex Networks

The use of volatile decentralized computational platforms such as, e.g., peer-to-peer networks, is becoming an increasingly popular option to gain access to vast computing resources. Making an effective use of these resources requires algorithms adapted to such a changing environment, being resilient to resource volatility. We consider the use of a variant of evolutionary algorithms endowed with a classical fault-tolerance technique, namely the creation of checkpoints in a safe external storage. We analyze the sensitivity of this approach on different kind of networks (scale-free and small-world) and under different volatility scenarios. We observe that while this strategy is robust under low volatility conditions, in cases of severe volatility performance degrades sharply unless a high checkpoint frequency is used. This suggest that other fault-tolerance strategies are required in these situations.Universidad de Málaga, Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech. This work is partially supported by the MINECO project EphemeCH (TIN2014-56494-C4-1-P), by the Junta de Andalucía project DNEMESIS (P10-TIC-6083

A Study on Multimemetic Estimation of Distribution Algorithms

PPSN 2014, LNCS 8672, pp. 322-331Multimemetic algorithms (MMAs) are memetic algorithms in which memes (interpreted as non-genetic expressions of problem solving strategies) are explicitly represented and evolved alongside genotypes. This process is commonly approached using the standard genetic procedures of recombination and mutation to manipulate directly information at the memetic level. We consider an alternative approach based on the use of estimation of distribution algorithms to carry on this self-adaptive memetic optimization process. We study the application of different EDAs to this end, and provide an extensive experimental evaluation. It is shown that elitism is essential to achieve top performance, and that elitist versions of multimemetic EDAs using bivariate probabilistic models are capable of outperforming genetic MMAs.This work is partially supported by MICINN project ANYSELF (TIN2011-28627-C04-01), by Junta de Andalucía project DNEMESIS (P10-TIC-6083) and by Universidad de Málaga, Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Resilient Bioinspired Algorithms: A Computer System Design Perspective

This preprint has not undergone peer review or any post-submission improvements or corrections. The Version of Record of this contribution is published in Cotta, C., Olague, G. (2022). Resilient Bioinspired Algorithms: A Computer System Design Perspective. In: Jiménez Laredo, J.L., Hidalgo, J.I., Babaagba, K.O. (eds) Applications of Evolutionary Computation. EvoApplications 2022. Lecture Notes in Computer Science, vol 13224. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-02462-7_39Resilience can be defined as a system's capability for returning to normal operation after having suffered a disruption. This notion is of the foremost interest in many areas, in particular engineering. We argue in this position paper that is is a crucial property for bioinspired optimization algorithms as well. Following a computer system perspective, we correlate some of the defining requirements for attaining resilient systems to issues, features, and mechanisms of these techniques. It is shown that bioinspired algorithms do not only exhibit a notorious built-in resilience, but that their plasticity also allows accommodating components that may boost it in different ways. We also provide some relevant research directions in this area.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tec

Algoritmos Meméticos con Propiedades Self-* para la Optimización de Problemas Complejos

Las propiedades self-* de un sistema son aquellas que le permiten controlar de forma autónoma diferentes aspectos de su funcionamiento. En esta tesis doctoral se estudia el diseño y desarrollo de algoritmos meméticos con propiedades self-* a partir de una clase de algoritmo multimemético (MMA) con estructura espacial. En este MMA la población se dispone conforme a una cierta topología que permite restringir las interacciones entre los individuos, y en él los memes se definen como reglas de reescritura. Estos memes están sujetos a un proceso evolutivo propio similar al de la evolución genética mediante el cual pueden variar su estructura y complejidad, auto-optimizando de esta forma el proceso de búsqueda local. En este contexto se estudia la propagación y difusión de los memes a través de la población, proceso en el que la calidad de estos últimos solo se percibe indirectamente por el efecto que producen sobre los genotipos. Considerando el modelo teórico anterior como sustrato se incorporan características adicionales al MMA. Por un lado se crean algoritmos híbridos con el uso de modelos probabilísticos para la generación de la descendencia utilizando algoritmos de estimación de distribuciones (EDAs) y por otro, se consideran MMAs basados en islas. Este último modelo distribuido es objeto de un estudio más detallado, analizándose cómo afecta a su funcionamiento la utilización de diferentes políticas de migración de individuos entre nodos y el impacto que sobre el rendimiento de los mismos tiene la inestabilidad del entorno donde se ejecutan. Para ello se diseñan mecanismos de tolerancia a fallos y se estudia la utilización de redes complejas como topología de interconexión de los nodos. Asimismo, se proporciona al algoritmo la capacidad de escalabilidad automática mediante técnicas de auto-equilibrado de la carga, de forma tal que el propio MMA sea capaz, por sí mismo y sin necesidad de recurrir a un control central, de auto-adaptarse a la volatilidad del entorno. Finalmente se incorporan procedimientos de auto-reparación para compensar el deterioro producido por dicha inestabilidad: (i) auto-muestreo a través de un modelo probabilístico dinámico sobre las poblaciones de los nodos y (ii) auto-adaptación de la topología de interconexión a medida que diferentes nodos de cómputo entran o abandonan el sistema. Los experimentos realizados permiten concluir que la auto-adaptación de los memes contribuye a mejorar el rendimiento del MMA, así como que los modelos híbridos que utilizan EDAs proporcionan resultados notables, preferentemente los basados en distribuciones bivariadas. Con respecto al modelo de islas, las políticas de migración relativas a la selección de los migrantes o la estrategia de reemplazo de estos en la isla receptora son determinantes. Asimismo, las estrategias de gestión de fallos basadas en puntos de restauración mitigan la degradación del rendimiento conforme la red se vuelve más volátil, si bien conllevan sobrecargas computacionales. Como alternativa, la incorporación de propiedades self-* tales como el auto-equilibrado de la carga, el auto-muestreo probabilístico o la auto-adaptación de la topología de la red, tiene un impacto claramente positivo en el sistema, limitando su degradación en escenarios altamente inestables

Algoritmos meméticos para la resolución de problemas combinatorios de satisfacción con restricciones y con simetrías

Dicho análisis incluye un estudio del empleo de diferentes arquitecturas cooperativas que utilizan un variado número de algoritmos metaheurísticos e híbridos, apoyándonos en métodos estadísticos propuestos para la evaluación de este tipo de algoritmos.Este trabajo se enfoca en la resolución de problemas complejos de optimización, principalmente con el objetivo de prestar atención al modelado y ajuste de diversas técnicas metaheurísticas con el fin de resolver problemas de optimización con simetrías. La principal motivación para el desarrollo de esta investigación ha sido presentar una metodología que reúna las líneas principales que se deben seguir al momento de abordar este tipo de problemas. Es por ello que hemos utilizado un enfoque incremental de corte integrativo que involucre aspectos relacionados con la construcción o aplicación de modelos adecuados para la representación de los problemas objeto de estudio, considerando diferentes formas de representación enmarcados en la teoría de la dualidad, e intentando emplear algún mecanismo que permita reducir el paisaje de búsqueda (esto es, ruptura de simetrías). Se ha empleado un esquema de colaboración utilizando diferentes modelos de arquitectura, así como algoritmos híbridos evolutivos con diferentes métodos de búsqueda local. Además, consideraremos la utilización de un enfoque colaborativo entre las metaheurísticas propuestas a través de la definición de topologías de comunicación entre los diferentes componentes que participan en dicho esquema. Este enfoque propuesto se engloba dentro del paradigma de los algoritmos meméticos y ha sido validado empíricamente por medio dos problemas de optimización combinatoria que presentan un alto grado de complejidad, cuyos espacios de búsqueda son ricos en lo que se refiere a presencia de estados simétricos, y que han sido tradicionalmente formulados y resueltos por medio de técnicas de programación lineal entera (ILP) y programación con restricciones (CP). A tal fin, se presenta un extenso análisis de los resultados obtenidos con el fin de validar la adecuación y la eficacia de las técnicas metaheurísticas propuestas