A survey on metaheuristics for stochastic combinatorial optimization

Metaheuristics are general algorithmic frameworks, often nature-inspired, designed to solve complex optimization problems, and they are a growing research area since a few decades. In recent years, metaheuristics are emerging as successful alternatives to more classical approaches also for solving optimization problems that include in their mathematical formulation uncertain, stochastic, and dynamic information. In this paper metaheuristics such as Ant Colony Optimization, Evolutionary Computation, Simulated Annealing, Tabu Search and others are introduced, and their applications to the class of Stochastic Combinatorial Optimization Problems (SCOPs) is thoroughly reviewed. Issues common to all metaheuristics, open problems, and possible directions of research are proposed and discussed. In this survey, the reader familiar to metaheuristics finds also pointers to classical algorithmic approaches to optimization under uncertainty, and useful informations to start working on this problem domain, while the reader new to metaheuristics should find a good tutorial in those metaheuristics that are currently being applied to optimization under uncertainty, and motivations for interest in this fiel

Solving Combinatorial Optimization Problems Using Genetic Algorithms and Ant Colony Optimization

This dissertation presents metaheuristic approaches in the areas of genetic algorithms and ant colony optimization to combinatorial optimization problems. Ant colony optimization for the split delivery vehicle routing problem An Ant Colony Optimization (ACO) based approach is presented to solve the Split Delivery Vehicle Routing Problem (SDVRP). SDVRP is a relaxation of the Capacitated Vehicle Routing Problem (CVRP) wherein a customer can be visited by more than one vehicle. The proposed ACO based algorithm is tested on benchmark problems previously published in the literature. The results indicate that the ACO based approach is competitive in both solution quality and solution time. In some instances, the ACO method achieves the best known results to date for the benchmark problems. Hybrid genetic algorithm for the split delivery vehicle routing problem (SDVRP) The Vehicle Routing Problem (VRP) is a combinatory optimization problem in the field of transportation and logistics. There are various variants of VRP which have been developed of the years; one of which is the Split Delivery Vehicle Routing Problem (SDVRP). The SDVRP allows customers to be assigned to multiple routes. A hybrid genetic algorithm comprising a combination of ant colony optimization, genetic algorithm, and heuristics is proposed and tested on benchmark SDVRP test problems. Genetic algorithm approach to solve the hospital physician scheduling problem Emergency departments have repeating 24-hour cycles of non-stationary Poisson arrivals and high levels of service time variation. The problem is to find a shift schedule that considers queuing effects and minimizes average patient waiting time and maximizes physicians’ shift preference subject to constraints on shift start times, shift durations and total physician hours available per day. An approach that utilizes a genetic algorithm and discrete event simulation to solve the physician scheduling problem in a hospital is proposed. The approach is tested on real world datasets for physician schedules

Urban Transit Network Design Problems: A Review of Population-based Metaheuristics

The urban transit network design problem (UTNDP) involves the development of a transit route set and associated schedules for an urban public transit system. The design of efficient public transit systems is widely considered as a viable option for the economic, social, and physical structure of an urban setting. This paper reviews four well-known population-based metaheuristics that have been employed and deemed potentially viable for tackling the UTNDP. The aim is to give a thorough review of the algorithms and identify the gaps for future research directions

Facility Location Problems: Models, Techniques, and Applications in Waste Management

This paper presents a brief description of some existing models of facility location problems (FLPs) in solid waste management. The study provides salient information on commonly used distance functions in location models along with their corresponding mathematical formulation. Some of the optimization techniques that have been applied to location problems are also presented along with an appropriate pseudocode algorithm for their implementation. Concerning the models and solution techniques, the survey concludes by summarizing some recent studies on the applications of FLPs to waste collection and disposal. It is expected that this paper will contribute in no small measure to an integrated solid waste management system with specific emphasis on issues associated with waste collection, thereby boosting the drive for e�ective and e�cient waste collection systems. The content will also provide early career researchers with some necessary starting information required to formulate and solve problems relating to FLP

A heuristic approach for multi-product capacitated single-allocation hub location problems

Tese de mestrado, Estatística e Investigação Operacional, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015Em redes onde o fluxo entre nodos é muito elevado (como pode ser o caso do transporte de pessoas e mercadorias ou até mesmo fluxo de dados numa rede), torna-se menos dispendioso criar pontos onde se concentram os fluxos provenientes das diferentes origens para depois serem consolidados e redistribuídos até aos destinos. A esses pontos dá-se o nome de hubs. O problema de localização de hubs consiste na localização de hubs numa rede e na alocação de todos os nodos da rede a esses hubs, de modo a que se possa encaminhar os fluxos entre os pares origem-destino a menos que sejam hubs. A rede constituída pelos hubs é normalmente definida como completa e não se permitem ligações diretas entre os pares origem-destino. Para além disso, assume-se que existe um factor de desconto para o fluxo que circula entre hubs. Neste tipo de redes (hub-and-spoke networks) podem aparecer duas variantes, no que diz respeito à alocação dos nodos aos hubs: single-allocation e multiple-allocation. No primeiro caso, permite-se apenas uma ligação de cada nodo não hub a um hub de modo a que todo o fluxo com origem e destino a cada nodo saia e chegue a esse nodo através de apenas um hub. No caso em que se tem multiple-allocation, cada nodo poderá ser afecto a mais do que um hub e o fluxo que chega e sai desse nodo poderá usar mais do que um hub. Algumas variantes que se poderão considerar para este problema incluem restrições de capacidade nos hubs (restrições que limitam a capacidade de um hub processar uma certa quantidade de fluxo de origem, limitações na capacidade total, limitações no processamento de fluxo que sai do hub, etc.), restrições de capacidade nos arcos, problemas multi-periódicos, presença de incerteza, o número de hubs ser fixo, o tipo de objectivo (minimizar custos, minimizar distâncias entre hubs, etc.) entre outras. A necessidade de aproximar este tipo de problemas aos casos que se observam no mundo real leva à inclusão de cada vez mais restrições dando origem a mais variantes do problema. Neste trabalho, será abordado o problema de localização de hubs na variante single-Allocation, com restrições de capacidade em relação ao fluxo que cada hub é capaz de processar. Para além disso, considera-se fluxos relativos a mais do que um tipo de produto. Este problema é designado por Problema Multi-produto de Localização de Hubs com Capacidade1. Cada hub poderá ser dedicado a processar apenas um tipo de produto, poderá processar mais do que um, ou mesmo todos. A rede de hubs é completa para cada produto mas, no entanto, se se considerar a rede de hubs para todos os produtos, esta poderá não ser completa. Como constatado em Correia et al. [17], no caso em que cada hub processa todos os tipos de produto, resolver o problema multi-produto ao invés de se resolver vários problemas, um para cada produto em separado, dá origem a melhores resultados. A complexidade inerente a este tipo de problemas leva a que sejam classificados como problemas NP-Hard pois não existem algoritmos que sejam capazes de os resolver em tempo polinomial. Por esta razão faz sentido desenvolver algoritmos heurísticos de modo a se conseguir obter, em tempo útil, soluções para instâncias maiores do problema . Como referido em Meyer et al. [51], em problemas de localização de hubs, duas soluções com valores objectivo muito semelhantes poderão ser estruturalmente muito diferentes, e portanto, através um mecanismo de pesquisa local poderá ser muito difícil a passagem de uma boa solução para outra melhor. Por esta razão, neste trabalho opta-se por uma heurística que se baseia num método em que se constroem soluções repetidamente. Para a construção das soluções, considerando que um processo de construção do tipo Greedy poderia dar origem a um número limitado de soluções e que as componentes da solução que são escolhidas por último são as piores, optou-se pelo desenvolvimento de um algoritmo de Ant Colony Optimization (ACO). Esta meta-heurística baseia-se no comportamento apresentado pelas formigas quando estas procuram alimento. Quando uma formiga deixa a colónia em busca de alimento, no seu trajeto, deposita um químico (feromona) que pode ser detectado por outras formigas. Quanto maior a concentração de feromona, maior a atração de cada formiga por esse trajeto e, portanto, os trajetos com maiores concentrações de feromonas serão percorridos por mais formigas. Por outro lado, se o caminho de ida e volta até ao alimento for mais curto, mais vezes será percorrido e maior será a concentração de feromona nesse caminho. O resultado destes dois tipos de reforço positivo nas concentrações de feromona nos trajetos percorridos pelas formigas, aliados ao facto de que existe evaporação do químico (a concentração de feromona diminui nos caminhos menos percorridos ao longo do tempo) dá origem aos \carreirinhos" de formigas que se podem observar na natureza e que normalmente representam o caminho mais curto entre o alimento e a Colónia de formigas. Considere-se o problema em questão em que se tem n nodos e p produtos. Para a representação das soluções, em vez de se considerar uma matriz binária n χ n χ p, onde o valor 1 representa uma afetação, considerou-se uma matriz n χ p, em que cada entrada representa, para cada produto, o hub ao qual o nodo foi afecto. O caso em que um nodo é afecto a si mesmo indica que esse nodo é hub para o produto correspondente. Este tipo de representação permite reduzir o tamanho da matriz e diminuir o uso da memória computacional. Antes da construção de uma solução, é aplicado um pré-processamento que vai evitar, com base nas restrições do problema, que certas componentes da solução sejam consideradas durante o processo de construção da solução. Deste modo, reduz-se o espaço de procura de soluções e algum esforço computacional. Para a construção de uma solução, escolhe-se o tamanho da colonia (o número de formigas que pertencem à colónia) e cada formiga vai escolhendo, sucessivamente, componentes da solução através de uma regra pseudo-aleatória onde algumas componentes da solução são escolhidas de um modo greedy e outras são escolhidas através de roulette wheel selection. A cada componente da solução é atribuído um valor inicial de feromona e, à medida que cada formiga vai adicionando componentes à solução, o valor da feromona associado à componente adicionada vai decrescendo, o que resulta na diminuição da probabilidade de que essa componente seja escolhida pela próxima formiga, dando origem à diversificação do conjunto de soluções construído por cada colónia. No fim, depois de todas as formigas terem construído uma solução, escolhe-se a melhor solução e reforça-se a concentração de feromona na melhor solução construída pela colónia. Se, por acaso, uma formiga der origem a uma solução não admissível, a solução construída por essa formiga não é considerada. Para mais detalhe em relação a este processo consultar Dorigo et al. [20]. Este tipo de algoritmo permite a inclusão de métodos de pesquisa local de modo a que a solução obtida por cada colónia seja melhorada. Com o objectivo de obter um algoritmo mais eficiente, escolheu-se incluir esta possibilidade e procedeu-se ao reforço da concentração de feromona após feita uma pesquisa local. Na pesquisa local efectuada, usaram-se três tipos de vizinhança. Um deles fecha os hubs dedicados que só servem a si próprios e realoca-os a outros já abertos para esse mesmo produto. Outro, escolhe aleatoriamente um nodo alocado a um hub dedicado para um dado produto e realoca-o a outro hub dedicado ao mesmo produto. Um terceiro, escolhe um hub aleatoriamente e transforma-o num nodo, realocando-o a outro hub dedicado ao mesmo tipo de produto. De modo a obter soluções iniciais melhores, explora-se a possibilidade de atribuir valores iniciais de feromona mais altos às componentes de solução pertencentes à solução da relaxação linear, na proporção do valor correspondente no caso das variáveis 0-1. Uma outra variação explorada consiste em fazer o reforço do valor de feromona às componentes da solução, apenas quando esta é a melhor de todas encontrada até ao momento, permitindo que haja evaporação de certas componentes de solução que poderão estar a ser escolhidas consecutivamente e permitindo que se escape mais facilmente de óptimos locais. Após implementação do algoritmo procede-se à fase dos testes computacionais em instâncias do problema com 10, 20, 25 e 40 nodos, 1, 2 e 3 produtos e hubs que processam 1, 2 e 3 produtos. As instâncias usadas nos testes computacionais pertencem ao Australian Post data set e foram adaptados por Correia et al. [17] de modo a que se tivesse dados para mais do que um tipo de produto.In this thesis, an heuristic procedure is proposed for the the multi-product capacitated single-allocation hub location problem. When addressing a problem in which it is necessary to determine the transportation of large commodity flows between many origin-destination (O-D) pairs, instead of using direct links, it becomes more efficient to design the networks in such a way that some of the nodes become consolidation centers or hubs. The Multi-Product Capacitated Single-Allocation Hub Location Problem (MP-CSAHLP according to Correia et al. [17]), is a NP-Hard problem in which several types of ow are considered, making it possible to consider the case when multiple types of products are to be shipped between each O-D pair. It can be seen as an extension of the classical Capacitated Single-Allocation Hub Location Problem. In the problem investigated in this work, no more than one hub can be located in each node and the hubs can be either dedicated (each hub can only handle one type of product) or non-dedicated (one hub can handle more than one type product). The hubs have capacity limitations regarding the incoming flow. Furthermore, the hub network is complete for each product but, when considering the hub network as a whole, it does not necessarily have to be complete. The goal is to locate the hubs in the network, allocate the non-hub nodes to the opened hubs and route the flow between each O-D pair. The objective is to minimize the total ow routing cost plus the setup costs of the hubs and costs of preparing the hubs to handle the different types of products. In order to obtain feasible solutions to the above problem, an Ant Colony Optimization procedure is proposed, which is a constructive, population-based meta-heuristic based in the foraging behavior of ants. Indirect communication between the ants through pheromones reflects the colony search experience. High-quality solutions are found as an outcome of the global cooperation among all the ants of the colony. A preprocessing procedure is also proposed in which some solution components are forbidden based on the problems restrictions. Such preprocessing reduces the search space and thus may reduce the computational effort. The proposed heuristic uses a single ant colony, which simultaneously chooses the hubs and allocates the nodes to the hubs. Once these solutions are found, the routing of the flow is computed in a short amount of time, using the optimization models for the MP-CSAHLP in which some variables (location and allocation) are fixed. The results show that the proposed heuristic has the potential to find good quality solutions for the MP-CSAHLP and that its performance can be improved with finer parameter tuning, longer runs and more intense local search

Solving a capacitated waste collection problem using an open-source tool

Increasing complexity in municipal solid waste streams worldwide is pressing Solid Waste Management Systems (SWMS), which need solutions to manage the waste properly. Waste collection and transport is the first task, traditionally carried out by countries/municipalities responsible for waste management. In this approach, drivers are responsible for decision-making regarding collection routes, leading to inefficient resource expenses. In this sense, strategies to optimize waste collection routes are receiving increasing interest from authorities, companies and the scientific community. Works in this strand usually focus on waste collection route optimization in big cities, but small towns could also benefit from technological development to improve their SWMS. Waste collection is related to combinatorial optimization that can be modeled as the capacitated vehicle routing problem. In this paper, a Capacitated Waste Collection Problem will be considered to evaluate the performance of metaheuristic approaches in waste collection optimization in the city of Bragança, Portugal. The algorithms used are available on Google OR-tools, an open-source tool with modules for solving routing problems. The Guided Local Search obtained the best results in optimizing waste collection planning. Furthermore, a comparison with real waste collection data showed that the results obtained with the application of OR-Tools are promising to save resources in waste collection.This work has been supported by FCT - Fundação para a Ciência e Tecnologia within the R &D Units Project Scope: UIDB/05757/2020, UIDB/00690/2020, UIDB/50020/2020, and UIDB/00319/2020. Adriano Silva was supported by FCT-MIT Portugal PhD grant SFRH/BD/151346/2021, and Filipe Alves was supported by FCT PhD grant SFRH/BD/143745/2019

개미알고리즘을 이용한 드론의 제설 경로 최적화

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 건설환경공학부, 2022.2. 김동규.Drones can overcome the limitation of ground vehicles by replacing the congestion time and allowing rapid service. For sudden snowfall with climate change, a quickly deployed drone can be a flexible alternative considering the deadhead route and the labor costs. The goal of this study is to optimize a drone arc routing problem (D-ARP), servicing the required roads for snow removal. A D-ARP creates computational burden especially in large network. The D-ARP has a large search space due to its exponentially increased candidate route, arc direction decision, and continuous arc space. To reduce the search space, we developed the auxiliary transformation method in ACO algorithm and adopted the random walk method. The contribution of the work is introducing a new problem and optimization approach of D-ARP in snow removal operation and reduce its search space. The optimization results confirmed that the drone travels shorter distance compared to the truck with a reduction of 5% to 22%. Furthermore, even under the length constraint model, the drone shows 4% reduction compared to the truck. The result of the test sets demonstrated that the adopted heuristic algorithm performs well in the large size networks in reasonable time. Based on the results, introducing a drone in snow removal is expected to save the operation cost in practical terms.드론은 혼잡시간대를 대체하고 빠른 서비스를 가능하게 함으로써 지상차량의 한계를 극복할 수 있다. 최근 기후변화에 따른 갑작스런 강설의 경우에, 드론과 같이 빠르게 투입할 수 있는 서비스는 운행 경로와 노동비용을 고려했을 때도 유연한 운영 옵션이 될 수 있다. 본 연구의 목적은 드론 아크 라우팅(D-ARP)을 최적화하는 것이며, 이는 제설에 필요한 도로를 서비스하는 경로를 탐색하는 것이다. 드론 아크 라우팅은 특히 큰 네트워크에서 컴퓨터 부하를 생성한다. 다시 말해D-ARP는 큰 검색공간을 필요로 하며, 이는 기하급수적으로 증가하는 후보 경로 및 호의 방향 결정 그리고 연속적인 호의 공간으로부터 기인한다. 검색공간을 줄이기 위해, 우리는 개미알고리즘에 보조변환방법을 적용하는 방안을 도입하였으며 또한 랜덤워크 기법을 채택하였다. 본 연구의 기여는 제설 운영에 있어 D-ARP라는 새로운 문제를 설정하고 최적화 접근법을 도입하였으며 검색공간을 최소화한 것이다. 최적화 결과, 드론은 지상트럭에 비해 약 5% ~ 22%의 경로 비용 감소를 보였다. 나아가 길이 제약 모델에서도 드론은 4%의 비용 감소를 보였다. 또한 실험결과는 적용한 휴리스틱 알고리즘이 큰 네트워크에서도 합리적 시간 내에 최적해를 찾음을 입증하였다. 이러한 결과를 바탕으로, 드론을 제설에 도입하는 것은 미래에 제설 운영 비용을 실질적으로 감소시킬 것으로 기대된다.Chapter 1. Introduction 4 1.1. Study Background 4 1.2. Purpose of Research 6 Chapter 2. Literature Review 7 2.1. Drone Arc Routing problem 7 2.2. Snow Removal Routing Problem 8 2.3. The Classic ARPs and Algorithms 9 2.4. Large Search Space and Arc direction 11 Chapter 3. Method 13 3.1. Problem Statement 13 3.2. Formulation 16 Chapter 4. Algorithm 17 4.1. Overview 17 4.2. Auxilary Transformation Method 18 4.3. Ant Colony Optimization (ACO) 20 4.4. Post Process for Arc Direction Decision 23 4.5. Length Constraint and Random Walk 24 Chapter 5. Results 27 5.1. Application in Toy Network 27 5.2. Application in Real-world Networks 29 5.3. Application of the Refill Constraint in Seoul 31 Chapter 6. Conclusion 34 References 35 Acknowledgment 40석

Optimization for Decision Making II

In the current context of the electronic governance of society, both administrations and citizens are demanding the greater participation of all the actors involved in the decision-making process relative to the governance of society. This book presents collective works published in the recent Special Issue (SI) entitled “Optimization for Decision Making II”. These works give an appropriate response to the new challenges raised, the decision-making process can be done by applying different methods and tools, as well as using different objectives. In real-life problems, the formulation of decision-making problems and the application of optimization techniques to support decisions are particularly complex and a wide range of optimization techniques and methodologies are used to minimize risks, improve quality in making decisions or, in general, to solve problems. In addition, a sensitivity or robustness analysis should be done to validate/analyze the influence of uncertainty regarding decision-making. This book brings together a collection of inter-/multi-disciplinary works applied to the optimization of decision making in a coherent manner

Search based software engineering: Trends, techniques and applications

© ACM, 2012. This is the author's version of the work. It is posted here by permission of ACM for your personal use. Not for redistribution. The definitive version is available from the link below.In the past five years there has been a dramatic increase in work on Search-Based Software Engineering (SBSE), an approach to Software Engineering (SE) in which Search-Based Optimization (SBO) algorithms are used to address problems in SE. SBSE has been applied to problems throughout the SE lifecycle, from requirements and project planning to maintenance and reengineering. The approach is attractive because it offers a suite of adaptive automated and semiautomated solutions in situations typified by large complex problem spaces with multiple competing and conflicting objectives. This article provides a review and classification of literature on SBSE. The work identifies research trends and relationships between the techniques applied and the applications to which they have been applied and highlights gaps in the literature and avenues for further research.EPSRC and E