Memetic algorithms for training feedforward neural networks: an approach based on gravitational search algorithm

The backpropagation (BP) algorithm is a gradient-based algorithm used for training a feedforward neural network (FNN). Despite the fact that BP is still used today when FNNs are trained, it has some disadvantages, including the following: (i) it fails when non-differentiable functions are addressed, (ii) it can become trapped in local minima, and (iii) it has slow convergence. In order to solve some of these problems, metaheuristic algorithms have been used to train FNN. Although they have good exploration skills, they are not as good as gradient-based algorithms at exploitation tasks. The main contribution of this article lies in its application of novel memetic approaches based on the Gravitational Search Algorithm (GSA) and Chaotic Gravitational Search Algorithm (CGSA) algorithms, called respectively Memetic Gravitational Search Algorithm (MGSA) and Memetic Chaotic Gravitational Search Algorithm (MCGSA), to train FNNs in three classical benchmark problems: the XOR problem, the approximation of a continuous function, and classification tasks. The results show that both approaches constitute suitable alternatives for training FNNs, even improving on the performance of other state-of-the-art metaheuristic algorithms such as ParticleSwarm Optimization (PSO), the Genetic Algorithm (GA), the Adaptive Differential Evolution algorithm with Repaired crossover rate (Rcr-JADE), and the Covariance matrix learning and Bimodal distribution parameter setting Differential Evolution (COBIDE) algorithm. Swarm optimization, the genetic algorithm, the adaptive differential evolution algorithm with repaired crossover rate, and the covariance matrix learning and bimodal distribution parameter setting differential evolution algorithm.El algoritmo de retropropagación (BP) es un algoritmo basado en gradientes que se utiliza para entrenar una red neuronal feedforward (FNN). A pesar de que BP todavía se usa hoy en día cuando se entrenan las FNN, tiene algunas desventajas, incluidas las siguientes: (i) falla cuando se abordan funciones no diferenciables, (ii) puede quedar atrapada en mínimos locales y (iii) ) tiene convergencia lenta. Para resolver algunos de estos problemas, se han utilizado algoritmos metaheurísticos para entrenar FNN. Aunque tienen buenas habilidades de exploración, no son tan buenos como los algoritmos basados ​​en gradientes en las tareas de explotación. La principal contribución de este artículo radica en la aplicación de nuevos enfoques meméticos basados ​​en los algoritmos Gravitational Search Algorithm (GSA) y Chaotic Gravitational Search Algorithm (CGSA), llamados respectivamente Algoritmo de búsqueda gravitacional memético (MGSA) y Algoritmo de búsqueda gravitacional caótico memético (MCGSA), para entrenar FNN en tres problemas de referencia clásicos: el problema XOR, la aproximación de una función continua y tareas de clasificación. Los resultados muestran que ambos enfoques constituyen alternativas adecuadas para el entrenamiento de FNN, incluso mejorando el rendimiento de otros algoritmos metaheurísticos de última generación como ParticleSwarm Optimization (PSO), el Algoritmo Genético (GA), el algoritmo de Evolución Diferencial Adaptativa con Tasa de cruce reparada (Rcr-JADE) y el algoritmo de evolución diferencial (COBIDE) de configuración de parámetros de distribución bimodal y aprendizaje de matriz de covarianza. Optimización de enjambre, el algoritmo genético, el algoritmo de evolución diferencial adaptativo con tasa de cruce reparada

A Memetic Chaotic Gravitational Search Algorithm for unconstrained global optimization problems

Metaheuristic optimization algorithms address two main tasks in the process of problem solving: i) exploration (also called diversification) and ii) exploitation (also called intensification). Guaranteeing a trade-off between these operations is critical to good performance. However, although many methods have been proposed by which metaheuristics can achieve a balance between the exploration and exploitation stages, they are still worse than exact algorithms at exploitation tasks, where gradient-based mechanisms outperform metaheuristics when a local minimum is approximated. In this paper, a quasi-Newton method is introduced into a Chaotic Gravitational Search Algorithm as an exploitation method, with the purpose of improving the exploitation capabilities of this recent and promising population-based metaheuristic. The proposed approach, referred to as a Memetic Chaotic Gravitational Search Algorithm, is used to solve forty-five benchmark problems, both synthetic and real-world, to validate the method. The numerical results show that the adding of quasi-Newton search directions to the original (Chaotic) Gravitational Search Algorithm substantially improves its performance. Also, a comparison with the state-of-the-art algorithms: Particle Swarm Optimization, Genetic Algorithm, Rcr-JADE, COBIDE and RLMPSO, shows that the proposed approach is promising for certain real-world problems.Los algoritmos de optimización metaheurística abordan dos tareas principales en el proceso de resolución de problemas: i) exploración (también llamada diversificación ) y ii) explotación (también llamada intensificación ). Garantizar una compensación entre estas operaciones es fundamental para un buen desempeño. Sin embargo, aunque se han propuesto muchos métodos mediante los cuales las metaheurísticas pueden lograr un equilibrio entre las etapas de exploración y explotación , siguen siendo peores que los algoritmos exactos en las tareas de explotación, donde los mecanismos basados ​​en gradientes superan a las metaheurísticas cuando se aproxima a un mínimo local. En este artículo, se introduce un método cuasi-Newton en un sistema caóticoAlgoritmo de Búsqueda Gravitacional como método de explotación, con el propósito de mejorar las capacidades de explotación de esta reciente y prometedora metaheurística basada en población. El enfoque propuesto, denominado algoritmo de búsqueda gravitacional caótica memética, se utiliza para resolver cuarenta y cinco problemas de referencia, tanto sintéticos como del mundo real, para validar el método. Los resultados numéricos muestran que la adición de direcciones de búsqueda cuasi-Newton al algoritmo de búsqueda gravitacional original (caótico) mejora sustancialmente su rendimiento. Además, una comparación con los algoritmos de última generación: Particle Swarm Optimization, Genetic Algorithm, Rcr-JADE, COBIDE y RLMPSO, muestra que el enfoque propuesto es prometedor para ciertos problemas del mundo real

Evaluando la participación con aprovechamiento en clase: de lo cualitativo a lo cuantitativo

Sin duda, uno de los ítems de evaluación más difíciles de valorar por su intrínseco carácter cualitativo es la participación con aprovechamiento en clase, la cual es un denominador común en muchas asignaturas de los grados de ingeniería. En este artículo se describen dos experimentos preliminares realizados para cuantificar la participación y el aprovechamiento de la misma. Para ello, se ha utilizado Kahoot y los clickers de Turning Technologies en la asignatura de informática de los grados de ingeniería eléctrica e ingeniería mecánica. La realización de estos experimentos y los resultados preliminares obtenidos demuestran que constituyen una buena medida no solo para evaluar la participación con aprovechamiento en clase sino también para que el docente pueda autoevaluarse y ser consciente de las necesidades de sus estudiantes además de para reducir el absentismo.There is no doubt that one of the most difficult items used to evaluate students due to its intrinsic qualitative characteristics is the participation with progress in the classroom, which is common in most subjects in the Engineering bachelor´s degree. In this article two preliminary experiments are described which were carried out to quantify both participation and progress. To do this, Kahoot and Turning technologies clickers were used in the subject “Computer Science” for both Electrical and Mechanical Engineering students. The carrying out and the preliminary results show they constitute a good tool not only to assess the students' necessities in the classroom but also to provide a self-assessment tool for teachers which will enable them to be fully aware of the students' necessities as well as a help to avoid absenteeism

Una experiencia de uso de herramientas de lectura interactiva para la exposición de trabajos al revés

Uno de los ítems de evaluación presentes en la gran mayoría de asignaturas de los grados en ingeniería es la realización de un trabajo teórico-práctico y su posterior exposición oral en público. Por desgracia, estas exposiciones, lejos de ser sesiones con preguntas por parte de los estudiantes y debate entre ellos, se convierten en monólogos de los estudiantes durante su intervención seguidos de un silencio abrumador que solo el profesor es capaz de romper y que únicamente sirve para despertar al público adormecido. Este artículo presenta una experiencia de uso de herramientas de lectura interactiva para mejorar el rendimiento de estas sesiones. En concreto, se ha utilizado la herramienta Perusall de forma que cada grupo de estudiantes debía leer y valorar uno de los trabajos de sus compañeros, de modo que, al llegar a la sesión de exposición, cada grupo debía haber preparado su defensa y revisado el trabajo de un grupo de compañeros. Así, se ha introducido el paradigma de la clase al revés en esta parte de la asignatura, mejorando cualitativamente la actividad con respecto a otros cursos anteriores.One of the assessment items present in most subjects of the engineering bachelor´s degree is the carrying out of a both theoretical and practical project as well as an oral defense of the project. Unluckily enough these presentations far from being sessions including questions on the students side and debates, they become real monologues which are usually followed by a crushing silence, this silence is only broken by the teacher who is the only one able to arise questions in order to wake up the sleepy audience. This article presents the experience carried out by the use of interactive reading tools to improve the learning outcomes of our students in these sessions. In particular, we have used Perusall so that each group had to read and assess one of their classmates` projects in such a way that when it came to the oral defense of the projects, each group had to prepare the oral defense of a project chosen by their classmates. In this way, the paradigm of the flipped class is an important part of the subject, improving the quality of this activity in comparison with previous years

A bilevel approach to enhance prefixed traffic signal optimization

The segmentation of multivariate temporal series has been studied in a wide range of applications. This study investigates a challenging segmentation problem on traffic engineering, namely, identification of time-of-day breakpoints for pre-fixed traffic signal timing plans. A large number of urban centres have traffic control strategies based on time-of-day intervals. We propose a bilevel optimization model to address simultaneously the segmentation problems and the traffic control problems over these time intervals. Efficient memetic algorithms have been developed for the bilevel model based on the hybridization of the particle swarm optimization, genetic algorithms or simulated annealing with the Nelder–Mead method. Numerically the effectiveness of the algorithms using real and synthetic data sets is demonstrated. We address the problem of automatically estimating the number of time-of-day segments that can be reliably discovered. We adapt the Bayesian Information Criterion, the PETE algorithm and a novel oriented-problem approach. The experiments show that this last method gives interpretable results about the number of reliably necessary segments from the traffic-engineering perspective. The experimental results show that the proposed methodology provides an automatic method to determine the time-of-day segments and timing plans simultaneously.La segmentación de series temporales multivariadas ha sido estudiada en una amplia gama de aplicaciones. Este estudio investiga un problema de segmentación desafiante en la ingeniería de tráfico, a saber, la identificación de puntos de interrupción de la hora del día para planes de sincronización de señales de tráfico prefijados. Un gran número de centros urbanos tienen estrategias de control de tráfico basadas en intervalos de tiempo del día. Proponemos un modelo de optimización binivel para abordar simultáneamente los problemas de segmentación y los problemas de control de tráfico en estos intervalos de tiempo. Se han desarrollado algoritmos meméticos eficientes para el modelo binivel basados ​​en la hibridación de la optimización del enjambre de partículas , algoritmos genéticos o recocido simulado con el método Nelder-Mead. Numéricamente se demuestra la eficacia de los algoritmos utilizando conjuntos de datos reales y sintéticos. Abordamos el problema de estimar automáticamente la cantidad de segmentos de hora del día que se pueden descubrir de manera confiable. Adaptamos el Criterio de Información Bayesiano, el algoritmo PETE y un enfoque novedoso orientado al problema. Los experimentos muestran que este último método da resultados interpretables sobre el número de segmentos fiablemente necesarios desde la perspectiva de la ingeniería de tráfico. Los resultados experimentales muestran que la metodología propuesta proporciona un método automático para determinar los segmentos de tiempo del día y los planes de tiempo simultáneament

Passenger Centric Train Timetabling Problem with elastic demand

A wide taxonomy of the adopted design criterion in models for Train Timetabling Problem (TTP), considers two kinds of models: operations-centric models, which are focused on railway operations and assume the demand has been considered and modeled in the design stage of the railway network, and passenger-centric models, which tries to maximize customers satisfaction. The first models have been widely studied since historically, the train operating companies (TOC) had a monopoly in the railway market. Currently, and because of the European directive (EU Directive 91/440) which allows the competition between different TOC, the research interest in the second kind of models is increasing. This paper proposes a mathematical model for TTP which includes the elasticity of the demand against the characteristics of supply. To do that, the proposed model is based on the concept of strategy and by means of the use of radial-basis functions, the demand model allows to estimate the number of passengers in each strategy on the network, taking into account the existing correlation between strategies

Problemas y dinámicas reales para evaluaciones más reales: un caso de estudio

Son muchas las propuestas metodológicas existentes en la actualidad para el diseño de actividades y pruebas de evaluación. Sin embargo, a pesar de esto, diseñar de forma adecuada y correcta las pruebas de evaluación de una asignatura ha sido y sigue siendo un desafío para los docentes. Este trabajo presenta un caso práctico en el que una parte de la evaluación de los estudiantes se ha realizado a través de la resolución de un problema real que debían resolver, en primera instancia, de forma individual. Después, y con las soluciones obtenidas, los estudiantes debían trabajar por parejas para, finalmente, y de forma grupal, obtener la solución completa del problema propuesto. El desarrollo de esta experiencia ha sido cualitativamente satisfactorio tanto para los estudiantes como para el profesorado, que señala la ventaja de haber podido evaluar competencias técnicas individuales y competencias transversales a nivel grupal gracias a esta dinámica de aprendizaje y evaluación.Currently there are many methodological proposals in the design of activities and assessment tests. Nevertheless, designing assessment tests in a correct and proper way, is and it has been quite a challenge for teachers. This paper presents a practical case in which the students’ assessment was firstly carried out by means of a real problem solving test for each student. Afterwards, the students had to work in pairs and finally in groups to get to the solution of the given problem. The development of this experience has been qualitatively satisfactory for both students and teachers, as it proves the advantage of using individual technical skills and cross curricular competencies for groups thanks to this learning and assessing methodology

La Escape Room como actividad de formación, evaluación y mejora de la motivación del estudiante: una experiencia en Ofimática Aplicada a la Ingeniería

El diseño de actividades de evaluación en los últimos cursos de los grados universitarios no es una tarea trivial. Menos aún lo es en asignaturas optativas en las cuales, y de forma paradójica, la motivación de los estudiantes no es frecuentemente muy alta y el esfuerzo que ellos perciben que deben realizar para superar la asignatura dista en ocasiones del trabajo y el rendimiento establecido en los planes de estudios. En este artículo se presenta una experiencia piloto de evaluación de una asignatura optativa de cuarto curso en la que los exámenes parciales han sido sustituidos por la realización de dos pruebas de tipo escape room: una de ellas de forma virtual y otra de forma real. Los resultados obtenidos en las pruebas, así como la satisfacción de los estudiantes y el profesorado, revelan el aumento de la motivación de los estudiantes en la materia así como las potenciales posibilidades de este tipo de actividades implementadas a largo plazo.The design of different assessment activities in the last years of the bachelor’s degree at University level is not a trivial or insignificant matter. Least of all it is for those optional subjects, in which, paradoxically the students’ motivation is not very high and the effort they perceive to pass the subject is far from the hard work and performance found in the students’ curricula and study programs. This article presents a pilot scheme of assessment in an optional subject in the fourth year where midterms exams have been replaced by two tests of the kind escape room: One of them is carried out virtually and online and the other one face to face. The obtained results in the tests as well as the teachers and students’ fulfilment reveal the increase of the students’ motivation with the subject as well as potential possibilities with this kind of activities which might be implemented in the long term

Competitividad agroindustrial en El Carmen de Bolívar: Análisis de capacidades productivas según clases agrológicas y aptitud de suelos

In recent years, competition has been a hotly debated topic among the institutions responsible for formulating public policies to promote economic development, that due to the need to increase in the productive sectors of the regions. For this investigation there carried out an approximation to the agroindustrial potential of Carmen of Bolivar of agreement to the analysis of the productive capacities of the municipality according to the agrologic classes and aptitude of available land in the area. Likewise, a diagnosis of competitiveness was realized using the methodology of 5 forces of Porter (Rivalry between producers, clients, suppliers, substitutes, potential competition). The obtained results allowed to identify the implications of the variations of use in the mixture of disposition of lands for cultures on the added value and employment generated by every link of the chain.En los últimos años, la competitividad ha sido una temática muy debatida entre las instituciones encargadas de formular políticas públicas para el fomento del desarrollo económico, esto como consecuencia de la necesidad de incrementarla en los diferentes sectores productivos de las regiones. Para esta investigación se realizó un acercamiento al potencial agroindustrial de El Carmen de Bolívar de acuerdo al análisis de las capacidades productivas del municipio según las clases agrológicas y aptitud de suelos disponibles en la zona. Así mismo, se realizó un diagnostico de competitividad utilizando la metodología de las 5 fuerzas de Porter (Rivalidad entre productores, clientes, proveedores, sustitutos, competencia potencial). Los resultados obtenidos permitieron identificar las implicaciones de las variaciones de uso en la mezcla de disposición de tierras para cultivos sobre el valor agregado y empleo generado por cada eslabón de la cadena.

IAA : Información y actualidad astronómica (24)

Sumario : Máseres en el espacio.-- Venus Express.-- El complejo cinturón de asteroides.-- DECONSTRUCCIÓN Y otros ENSAYOS : Rotación diferencial y oscilaciones estelares.-- ACTUALIDAD.-- ENTRE BASTIDORES .-- HISTORIAS DE ASTRONOMÍA: El astrónomo de vista prodigiosa.-- CIENCIA: PILARES E INCERTIDUMBRES : Ondas gravitatorias.-- ACTIVIDADES IAA.Esta revista se publica con la ayuda FCT-08-0130 del Programa Nacional de Fomento de la Cultura Científica y Tecnológica 2008.N