Propagators and Solvers for the Algebra of Modular Systems

To appear in the proceedings of LPAR 21. Solving complex problems can involve non-trivial combinations of distinct knowledge bases and problem solvers. The Algebra of Modular Systems is a knowledge representation framework that provides a method for formally specifying such systems in purely semantic terms. Formally, an expression of the algebra defines a class of structures. Many expressive formalism used in practice solve the model expansion task, where a structure is given on the input and an expansion of this structure in the defined class of structures is searched (this practice overcomes the common undecidability problem for expressive logics). In this paper, we construct a solver for the model expansion task for a complex modular systems from an expression in the algebra and black-box propagators or solvers for the primitive modules. To this end, we define a general notion of propagators equipped with an explanation mechanism, an extension of the alge- bra to propagators, and a lazy conflict-driven learning algorithm. The result is a framework for seamlessly combining solving technology from different domains to produce a solver for a combined system.Comment: To appear in the proceedings of LPAR 2

Optimización multi-objetivo en las ciencias de la vida.

Para conseguir este objetivo, en lugar de intentar incorporar nuevos algoritmos directamente en el código fuente de AutoDock, se utilizó un framework orientado a la resolución de problemas de optimización con metaheurísticas. Concretamente, se usó jMetal, que es una librería de código libre basada en Java. Ya que AutoDock está implementado en C++, se desarrolló una versión en C++ de jMetal (posteriormente distribuida públicamente). De esta manera, se consiguió integrar ambas herramientas (AutoDock 4.2 y jMetal) para optimizar la energía libre de unión entre compuesto químico y receptor. Después de disponer de una amplia colección de metaheurísticas implementadas en jMetalCpp, se realizó un detallado estudio en el cual se aplicaron un conjunto de metaheurísticas para optimizar un único objetivo minimizando la energía libre de unión, el cual es el resultado de la suma de todos los términos de energía de la función objetivo de energía de AutoDock 4.2. Por lo tanto, cuatro metaheurísticas tales como dos variantes de algoritmo genético gGA (Algoritmo Genético generacional) y ssGA (Algoritmo Genético de estado estacionario), DE (Evolución Diferencial) y PSO (Optimización de Enjambres de Partículas) fueron aplicadas para resolver el problema del acoplamiento molecular. Esta fase se dividió en dos subfases en las que se usaron dos conjuntos de instancias diferentes, utilizando como receptores HIV-proteasas con cadenas laterales de aminoacidos flexibles y como ligandos inhibidores HIV-proteasas flexibles. El primer conjunto de instancias se usó para un estudio de configuración de parámetros de los algoritmos y el segundo para comparar la precisión de las conformaciones ligando-receptor obtenidas por AutoDock y AutoDock+jMetalCpp. La siguiente fase implicó aplicar una formulación multi-objetivo para resolver problemas de acoplamiento molecular dados los resultados interesantes obtenidos en estudios previos existentes en los que dos objetivos como la energía intermolecular y la energía intramolecular fueron minimizados. Por lo tanto, se comparó y analizó el rendimiento de un conjunto de metaheurísticas multi-objetivo mediante la resolución de complejos flexibles de acoplamiento molecular minimizando la energía inter- e intra-molecular. Estos algoritmos fueron: NSGA-II (Algoritmo Genético de Ordenación No dominada) y su versión de estado estacionario (ssNSGA-II), SMPSO (Optimización Multi-objetivo de Enjambres de Partículas con Modulación de Velocidad), GDE3 (Tercera versión de la Evolución Diferencial Generalizada), MOEA/D (Algoritmo Evolutivo Multi-Objetivo basado en la Decomposición) y SMS-EMOA (Optimización Multi-objetivo Evolutiva con Métrica S). Después de probar enfoques multi-objetivo ya existentes, se probó uno nuevo. En concreto, el uso del RMSD como un objetivo para encontrar soluciones similares a la de la solución de referencia. Se replicó el estudio previo usando este conjunto diferente de objetivos. Por último, se analizó de forma detallada el algoritmo que obtuvo mejores resultados en los estudios previos. En concreto, se realizó un estudio de variantes del SMPSO minimizando la energía intermolecular y el RMSD. Este estudio proporcionó algunas pistas sobre cómo nuevos algoritmos basados en SMPSO pueden ser adaptados para mejorar los resultados de acoplamiento molecular para aquellas simulaciones que involucren ligandos y receptores flexibles. Esta tesis demuestra que la inclusión de técnicas metaheurísticas de jMetalCpp en la herramienta de acoplamiento molecular AutoDock incrementa las posibilidades a los usuarios de ámbito biológico cuando resuelven el problema del acoplamiento molecular. El uso de técnicas de optimización mono-objetivo diferentes aparte de aquéllas ampliamente usadas en las comunidades de acoplamiento molecular podría dar lugar a soluciones de mayor calidad. En nuestro caso de estudio mono-objetivo, el algoritmo de evolución diferencial obtuvo mejores resultados que aquellos obtenidos por AutoDock. También se propone diferentes enfoques multi-objetivo para resolver el problema del acoplamiento molecular, tales como la decomposición de los términos de la energía de unión o el uso del RMSD como un objetivo. Finalmente, se demuestra que el SMPSO, una metaheurística de optimización multi-objetivo de enjambres de partículas, es una técnica remarcable para resolver problemas de acoplamiento molecular cuando se usa un enfoque multi-objetivo, obteniendo incluso mejores soluciones que las técnicas mono-objetivo.Las herramientas de acoplamiento molecular han llegado a ser bastante eficientes en el descubrimiento de fármacos y en el desarrollo de la investigación de la industria farmacéutica. Estas herramientas se utilizan para elucidar la interacción de una pequeña molécula (ligando) y una macro-molécula (diana) a un nivel atómico para determinar cómo el ligando interactúa con el sitio de unión de la proteína diana y las implicaciones que estas interacciones tienen en un proceso bioquímico dado. En el desarrollo computacional de las herramientas de acoplamiento molecular los investigadores de este área se han centrado en mejorar los componentes que determinan la calidad del software de acoplamiento molecular: 1) la función objetivo y 2) los algoritmos de optimización. La función objetivo de energía se encarga de proporcionar una evaluación de las conformaciones entre el ligando y la proteína calculando la energía de unión, que se mide en kcal/mol. En esta tesis, se ha usado AutoDock, ya que es una de las herramientas de acoplamiento molecular más citada y usada, y cuyos resultados son muy precisos en términos de energía y valor de RMSD (desviación de la media cuadrática). Además, se ha seleccionado la función de energía de AutoDock versión 4.2, ya que permite realizar una mayor cantidad de simulaciones realistas incluyendo flexibilidad en el ligando y en las cadenas laterales de los aminoácidos del receptor que están en el sitio de unión. Se han utilizado algoritmos de optimización para mejorar los resultados de acoplamiento molecular de AutoDock 4.2, el cual minimiza la energía libre de unión final que es la suma de todos los términos de energía de la función objetivo de energía. Dado que encontrar la solución óptima en el acoplamiento molecular es un problema de gran complejidad y la mayoría de las veces imposible, se suelen utilizar algoritmos no exactos como las metaheurísticas, para así obtener soluciones lo suficientemente buenas en un tiempo razonable

A Comparison of Selected Modifications of the Particle Swarm Optimization Algorithm

We compare 27 modifications of the original particle swarm optimization (PSO) algorithm. The analysis evaluated nine basic PSO types, which differ according to the swarm evolution as controlled by various inertia weights and constriction factor. Each of the basic PSO modifications was analyzed using three different distributed strategies. In the first strategy, the entire swarm population is considered as one unit (OC-PSO), the second strategy periodically partitions the population into equally large complexes according to the particle’s functional value (SCE-PSO), and the final strategy periodically splits the swarm population into complexes using random permutation (SCERand-PSO). All variants are tested using 11 benchmark functions that were prepared for the special session on real-parameter optimization of CEC 2005. It was found that the best modification of the PSO algorithm is a variant with adaptive inertia weight. The best distribution strategy is SCE-PSO, which gives better results than do OC-PSO and SCERand-PSO for seven functions. The sphere function showed no significant difference between SCE-PSO and SCERand-PSO. It follows that a shuffling mechanism improves the optimization process

Enabling swarm aggregation of position data via adaptive stigmergy: a case study in urban traffic flows

Urban road congestion estimation is a challenge in traffic management. City traffic state can vary temporally and spatially between road links, depending on crossroads and lanes. In addition, congestion estimation requires some sort of tuning to “what is around” to trigger appropriate reactions. An adaptive aggregation mechanism of position data is therefore crucial for traffic control. We present a biologically-inspired technique to aggregate position samples coming from on-vehicle devices. In essence, each vehicle position sample is spatially and temporally augmented with digital pheromone information, locally deposited and evaporated. As a consequence, an aggregated pheromone concentration appears and stays spontaneously while many stationary vehicles and high density roads occur. Pheromone concentration is then sharpened to achieve a better distinction of critical phenomena to be triggered as detected traffic events. The overall mechanism can be actually enabled if structural parameters are correctly tuned for the given application context. Determining such correct parameters is not a simple task since different urban areas have different traffic flux and density. Thus, an appropriate tuning to adapt parameters to the specific urban area is desirable to make the estimation effective. In this paper, we show how this objective can be achieved by using differential evolution

Routing schemes in FANETs: a survey

Flying ad hoc network (FANET) is a self-organizing wireless network that enables inexpensive, flexible, and easy-to-deploy flying nodes, such as unmanned aerial vehicles (UAVs), to communicate among themselves in the absence of fixed network infrastructure. FANET is one of the emerging networks that has an extensive range of next-generation applications. Hence, FANET plays a significant role in achieving application-based goals. Routing enables the flying nodes to collaborate and coordinate among themselves and to establish routes to radio access infrastructure, particularly FANET base station (BS). With a longer route lifetime, the effects of link disconnections and network partitions reduce. Routing must cater to two main characteristics of FANETs that reduce the route lifetime. Firstly, the collaboration nature requires the flying nodes to exchange messages and to coordinate among themselves, causing high energy consumption. Secondly, the mobility pattern of the flying nodes is highly dynamic in a three-dimensional space and they may be spaced far apart, causing link disconnection. In this paper, we present a comprehensive survey of the limited research work of routing schemes in FANETs. Different aspects, including objectives, challenges, routing metrics, characteristics, and performance measures, are covered. Furthermore, we present open issues

An Approach Based on Particle Swarm Optimization for Inspection of Spacecraft Hulls by a Swarm of Miniaturized Robots

The remoteness and hazards that are inherent to the operating environments of space infrastructures promote their need for automated robotic inspection. In particular, micrometeoroid and orbital debris impact and structural fatigue are common sources of damage to spacecraft hulls. Vibration sensing has been used to detect structural damage in spacecraft hulls as well as in structural health monitoring practices in industry by deploying static sensors. In this paper, we propose using a swarm of miniaturized vibration-sensing mobile robots realizing a network of mobile sensors. We present a distributed inspection algorithm based on the bio-inspired particle swarm optimization and evolutionary algorithm niching techniques to deliver the task of enumeration and localization of an a priori unknown number of vibration sources on a simplified 2.5D spacecraft surface. Our algorithm is deployed on a swarm of simulated cm-scale wheeled robots. These are guided in their inspection task by sensing vibrations arising from failure points on the surface which are detected by on-board accelerometers. We study three performance metrics: (1) proximity of the localized sources to the ground truth locations, (2) time to localize each source, and (3) time to finish the inspection task given a 75% inspection coverage threshold. We find that our swarm is able to successfully localize the present so

A new ant colony optimization model for complex graph-based problems

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid. Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería Informática. Fecha de lectura: julio de 2014Nowadays, there is a huge number of problems that due to their complexity have employed heuristic-based algorithms to search for near-to-optimal (or even optimal) solutions. These problems are usually NP-complete, so classical algorithms are not the best candidates to address these problems because they need a large amount of computational resources, or they simply cannot find any solution when the problem grows. Some classical examples of these kind of problems are the Travelling Salesman Problem (TSP) or the N-Queens problem. It is also possible to find examples in real and industrial domains related to the optimization of complex problems, like planning, scheduling, Vehicle Routing Problems (VRP), WiFi network Design Problem (WiFiDP) or behavioural pattern identification, among others. Regarding to heuristic-based algorithms, two well-known paradigms are Swarm Intelligence and Evolutionary Computation. Both paradigms belongs to a subfield from Artificial Intelligence, named Computational Intelligence that also contains Fuzzy Systems, Artificial Neural Networks and Artificial Immune Systems areas. Swarm Intelligence (SI) algorithms are focused on the collective behaviour of selforganizing systems. These algorithms are characterized by the generation of collective intelligence from non-complex individual behaviour and the communication schemes amongst them. Some examples of SI algorithms are particle swarm optimization, ant colony optimization (ACO), bee colony optimization o bird flocking. Ant Colony Optimization (ACO) are based on the foraging behaviour of these insects. In these kind of algorithms, the ants take different decisions during their execution that allows them to build their own solution to the problem. Once any ant has finished its execution, the ant goes back through the followed path and it deposits, in the environment, pheromones that contains information about the built solution. These pheromones will influence the decision of future ants, so there is an indirect communication through the environment called stigmergy. When an ACO algorithm is applied to any of the optimization problems just described, the problem is usually modelled into a graph. Nevertheless, the classical graph-based representation is not the best one for the execution of ACO algorithms because it presents some important pitfalls. The first one is related to the polynomial, or even exponential, growth of the resulting graph. The second pitfall is related to those problems that needs from real variables because these problems cannot be modelled using the classical graph-based representation. On the other hand, Evolutionary Computation (EC) are a set of population-based algorithms based in the Darwinian evolutionary process. In this kind of algorithms there is one (or more) population composed by different individuals that represent a possible solution to the problem. For each iteration, the population evolves by the use of evolutionary procedures which means that better individuals (i.e. better solutions) are generated along the execution of the algorithm. Both kind of algorithms, EC and SI, have been traditionally applied in previous NP-hard problems. Different population-based strategies have been developed, compared and even combined to design hybrid algorithms. This thesis has been focused on the analysis of classical graph-based representations and its application in ACO algorithms into complex problems, and the development of a new ACO model that tries to take a step forward in this kind of algorithms. In this new model, the problem is represented using a reduced graph that affects to the ants behaviour, which becomes more complex. Also, this size reduction generates a fast growth in the number of pheromones created. For this reason, a new metaheuristic (called Oblivion Rate) has been designed to control the number of pheromones stored in the graph. In this thesis different metaheuristics have been designed for the proposed system and their performance have been compared. One of these metaheuristics is the Oblivion Rate, based on an exponential function that takes into account the number of pheromones created in the system. Other Oblivion Rate function is based on a bioinspired swarm algorithm that uses some concepts extracted from the evolutionary algorithms. This bio-inspired swarm algorithm is called Coral Reef Opmization (CRO) algorithm and it is based on the behaviour of the corals in a reef. Finally, to test and validate the proposed model, different domains have been used such as the N-Queens Problem, the Resource-Constraint Project Scheduling Problem, the Path Finding problem in Video Games, or the Behavioural Pattern Identification in users. In some of these domains, the performance of the proposed model has been compared against a classical Genetic Algorithm to provide a comparative study and perform an analytical comparison between both approaches.En la actualidad, existen un gran número de problemas que debido a su complejidad necesitan algoritmos basados en heurísticas para la búsqueda de solucionas subóptimas (o incluso óptimas). Normalmente, estos problemas presentan una complejidad NP-completa, por lo que los algoritmos clásicos de búsqueda de soluciones no son apropiados ya que necesitan una gran cantidad de recursos computacionales, o simplemente, no son capaces de encontrar alguna solución cuando el problema crece. Ejemplos clásicos de este tipo de problemas son el problema del vendedor viajero (o TSP del inglés Travelling Salesman Problem) o el problema de las N-reinas. También se pueden encontrar ejemplos en dominios reales o industriales que generalmente están ligados a temas de optimización de sistemas complejos, como pueden ser problemas de planificación, scheduling, problemas de enrutamiento de vehículos (o VRP del inglés Vehicle Routing Problem), el diseño de redes Wifi abiertas (o WiFiDP del inglés WiFi network Design Problem), o la identificación de patrones de comportamiento, entre otros. En lo referente a los algoritmos basados en heuristicas, dos paradigmas muy conocidos son los algoritmos de enjambre (Swarm Intelligence) y la computación evolutiva (Evolutionary Computation). Ambos paradigmas pertencen al subárea de la Inteligencia Artificial denominada Inteligencia Computacional, que además contiene los sistemas difusos, redes neuronales y sistemas inmunológicos artificiales. Los algoritmos de inteligencia de enjambre, o Swarm Intelligence, se centran en el comportamiento colectivo de sistemas auto-organizativos. Estos algoritmos se caracterizan por la generación de inteligencia colectiva a partir del comportamiento, no muy complejo, de los individuos y los esquemas de comunicación entre ellos. Algunos ejemplos son particle swarm optimization, ant colony optimization (ACO), bee colony optimization o bird flocking. Los algoritmos de colonias de hormigas (o ACO del inglés Ant Colony Optimization) se basan en el comportamiento de estos insectos en el proceso de recolección de comida. En este tipo de algoritmos, las hormigas van tomando decisiones a lo largo de la simulación que les permiten construir su propia solución al problema. Una vez que una hormiga termina su ejecución, deshace el camino andado depositando en el entorno feronomas que contienen información sobre la solución construida. Estas feromonas influirán en las decisiones de futuras hormigas, por lo que produce una comunicación indirecta utilizando el entorno. A este proceso se le llama estigmergia. Cuando un algoritmo de hormigas se aplica a alguno de los problemas de optimización descritos anteriormente, se suele modelar el problema como un grafo sobre el cual se ejecutarán las hormigas. Sin embargo, la representación basada en grafos clásica no parece ser la mejor para la ejecución de algoritmos de hormigas porque presenta algunos problemas importantes. El primer problema está relacionado con el crecimiento polinómico, o incluso expnomencial, del grafo resultante. El segundo problema tiene que ver con los problemas que necesitan de variables reales, o de coma flotante, porque estos problemas, con la representación tradicional basada en grafos, no pueden ser modelados. Por otro lado, los algoritmos evolutivos (o EC del inglés Evolutionary Computation) son un tipo de algoritmos basados en población que están inspirados en el proceso evolutivo propuesto por Darwin. En este tipo de algoritmos, hay una, o varias, poblaciones compuestas por individuos diferentes que representan problems solutiones al problema modelado. Por cada iteración, la población evoluciona mediante el uso de procedimientos evolutivos, lo que significa que mejores individuos (mejores soluciones) son creados a lo largo de la ejecución del algoritmo. Ambos tipos de algorithmos, EC y SI, han sido tradicionalmente aplicados a los problemas NPcompletos descritos anteriormente. Diferentes estrategias basadas en población han sido desarrolladas, comparadas e incluso combinadas para el diseño de algoritmos híbridos. Esta tesis se ha centrado en el análisis de los modelos clásicos de representación basada en grafos de problemas complejos para la posterior ejecución de algoritmos de colonias de hormigas y el desarrollo de un nuevo modelo de hormigas que pretende suponer un avance en este tipo de algoritmos. En este nuevo modelo, los problemas son representados en un grafo más compacto que afecta al comportamiento de las hormigas, el cual se vuelve más complejo. Además, esta reducción en el tamaño del grafo genera un rápido crecimiento en el número de feronomas creadas. Por esta razón, una nueva metaheurística (llamada Oblivion Rate) ha sido diseñada para controlar el número de feromonas almacenadas en el grafo. En esta tesis, varias metaheuristicas han sido diseñadas para el sistema propuesto y sus rendimientos han sido comparados. Una de estas metaheurísticas es la Oblivion Rate basada en una función exponencial que tiene en cuenta el número de feromonas creadas en el sistema. Otra Oblivion Rate está basada en un algoritmo de enjambre bio-inspirado que usa algunos conceptos extraídos de la computación evolutiva. Este algoritmo de enjambre bio-inspirado se llama Optimización de arrecifes de corales (o CRO del inglés Coral Reef Optimization) y está basado en el comportamiento de los corales en el arrecife. Finalmente, para validar y testear el modelo propuesto, se han utilizado diversos dominios de aplicación como son el problema de las N-reinas, problemas de planificación de proyectos con restricciones de recursos, problemas de búsqueda de caminos en entornos de videojuegos y la identificación de patrones de comportamiento de usuarios. En algunos de estos dominios, el rendimiento del modelo propuesto ha sido comparado contra un algoritmo genético clásico para realizar un estudio comparativo, y analítico, entre ambos enfoques

Towards a swarm robotic approach for cooperative object recognition

Social insects have inspired the behaviours of swarm robotic systems for the last 20 years. Interactions of the simple individuals in these swarms form solutions to relatively complex problems. A novel swarm robotic method is investigated for future robotic cooperative object recognition tasks. Previous multi-agent systems involve cameras and image analyses to identify objects. They cooperate only to improve their hypotheses of the shape's identity. The system proposed uses agents whose interactions with each other around the physical boundaries of the object's shape allow the distinguishing features found. The agents are a physical embodiment of the vision system, making them suitable for environments where it would not be possible to use a camera. A Simplified Hexagonal Model was developed to simulate and examine the strategies. The hexagonal cells of which can be empty, contain an agent (hBot) or part of an object shape. Initially the hBots are required to identify the valid object shapes from a set of two types of known shapes. To do this the hBots change state when in contact with an object and when touching other hBots of the same state level, where some states are only achieved when neighbouring certain object shapes. The agents are oblivious, anonymous and homogeneous. They also do not know their position or orientation and cannot distinguish between object shapes alone due to their limited sensor range. Further work increased the number of object shapes to provide a range of scenarios

Enhancement of bees algorithm for global optimisation

This research focuses on the improvement of the Bees Algorithm, a swarm-based nature-inspired optimisation algorithm that mimics the foraging behaviour of honeybees. The algorithm consists of exploitation and exploration, the two key elements of optimisation techniques that help to find the global optimum in optimisation problems. This thesis presents three new approaches to the Bees Algorithm in a pursuit to improve its convergence speed and accuracy. The first proposed algorithm focuses on intensifying the local search area by incorporating Hooke and Jeeves’ method in its exploitation mechanism. This direct search method contains a pattern move that works well in the new variant named “Bees Algorithm with Hooke and Jeeves” (BA-HJ). The second proposed algorithm replaces the randomly generated recruited bees deployment method with chaotic sequences using a well-known logistic map. This new variant called “Bees Algorithm with Chaos” (ChaosBA) was intended to use the characteristic of chaotic sequences to escape from local optima and at the same time maintain the diversity of the population. The third improvement uses the information of the current best solutions to create new candidate solutions probabilistically using the Estimation Distribution Algorithm (EDA) approach. This new version is called Bees Algorithm with Estimation Distribution (BAED). Simulation results show that these proposed algorithms perform better than the standard BA, SPSO2011 and qABC in terms of convergence for the majority of the tested benchmark functions. The BA-HJ outperformed the standard BA in thirteen out of fifteen benchmark functions and is more effective in eleven out of fifteen benchmark functions when compared to SPSO2011 and qABC. In the case of the ChaosBA, the algorithm outperformed the standard BA in twelve out of fifteen benchmark functions and significantly better in eleven out of fifteen test functions compared to qABC and SPSO2011. BAED discovered the optimal solution with the least number of evaluations in fourteen out of fifteen cases compared to the standard BA, and eleven out of fifteen functions compared to SPSO2011 and qABC. Furthermore, the results on a set of constrained mechanical design problems also show that the performance of the proposed algorithms is comparable to those of the standard BA and other swarm-based algorithms from the literature