Advanced meta-heuristic approaches and their application to operational optimization in forest wildfire management

La última década ha sido testigo de un aumento vertiginoso de la cantidad y frecuencia de desastres a gran escala, principalmente debido a los fenómenos devastadores derivados de paradigmas climatológicos y ambientales a gran escala como el calentamiento global. De entre ellos son las inundaciones, huracanes y terremotos los desastres de mayor frecuencia de aparición y fatales consecuencias durante este período, tal como certifican los más de 20.000 muertos a consecuencia de un terremoto en la región de Gujarat (India) en 2001, o las 230.000 y 316.000 pérdidas humanas de los terremotos de Indonesia y Haití en 2004 y 2010, respectivamente. En este contexto, el enfoque de esta tesis se centra en una casuística concreta de desastre a media-gran escala cuya frecuencia y severidad han crecido de manera igualmente preocupante en los últimos tiempos: los incendios, definidos como un fuego de grandes dimensiones no voluntariamente iniciado por el ser humano, y que afecta a aquello que no está destinado a quemarse. Pese a la diversidad de iniciativas, campañas y procedimientos orientados a la minimización del impacto y las consecuencias de los incendios, varios sucesos fatales acontecidos en los últimos años han puesto en duda la efectividad de las políticas actuales de gestión de recursos contra incendios como aeronaves, vehículos terrestres, equipamiento de comunicaciones radio, logística de abastecimiento y las brigadas desplegadas en el área afectada. Un ejemplo manifiesto de esta falta de eficacia es la muerte de once bomberos ocurrida en un incendio de 130 kilómetros cuadrados en la zona de Guadalajara (España) en 2005, oficialmente atribuida a una deficiente coordinación entre el puesto de mando y los equipos de extinción debida, fundamentalmente, a problemas de cobertura en los sistemas de radiocomunicación. Aunque la causa de esta falta de coordinación ha sido cuestionada por las autoridades y los agentes involucrados desde entonces, lo cierto es que este suceso supone un ejemplo evidente de la necesidad de estudiar y desarrollar herramientas algorítmicas que ayuden al personal de comandancia a ejecutar óptimamente sus tareas de coordinación y control. Desafortunadamente la coyuntura de crisis económica mundial que azota con especial fuerza los países del Sur de Europa ha mermado dramáticamente las partidas presupuestarias para la prevención y extinción de incendios en beneficio de programas nacionales de reducción de déficit. A consecuencia de estos recortes, el coste ha irrumpido con fuerza como un criterio de extrema relevancia en la planificación operativa de este tipo de desastres: desde la perspectiva de un problema de optimización, los recursos contra incendios son actualmente gestionados con el objetivo fundamental de maximizar su efectividad contra incendios, sujeto a la restricción de que el coste agregado asociado a las decisiones tomadas no supere un determinado umbral presupuestario. Pese a que estas restricciones de coste están bien acotadas, en la práctica la mayoría de los procedimientos de gestión de recursos contra incendios están fuertemente determinados por la capacidad limitada del ser humano para tomar decisiones ágiles en escenarios de elevada complejidad y heterogeneidad. Por los motivos anteriormente expuestos, la presente Tesis doctoral propone la adopción de algoritmos meta-heurísticos para solventar eficientemente problemas de optimización que modelan procesos de gestión de recursos contra incendios. Esta familia de algoritmos de optimización es capaz de explorar el espacio solución de un problema dado merced a la aplicación iterativa de mecanismos inteligentes de búsqueda explorativa y explotativa, produciendo soluciones que sacrifican calidad por una complejidad computacional menor en comparación con la resultante de procesos determinísticos de búsqueda exhaustiva. En particular la Tesis plantea la búsqueda por harmonía (del inglés Harmony Search) como la técnica meta-heurística de optimización común a las herramientas diseñadas para la gestión de recursos en dos escenarios diferentes: ? El primer escenario analizado contempla el despliegue óptimo de redes de comunicación inalámbrica para la coordinación de equipos de extinción en incendios forestales de gran escala. Desde el punto de vista formal, el problema del despliegue dinámico de retransmisores que caracteriza matemáticamente este escenario consiste en estimar el número y localización de los retransmisores radio que deben ser desplegados en el área afectada por el incendio, de tal modo que el número de nodos móviles (i.e. recursos) con cobertura radio es maximizado a un coste del despliegue mínimo. A fin de reflejar la diversidad de equipamiento de retransmisión radio existente en la realidad, este problema es reformulado para considerar modelos de retransmisor con diferentes características de cobertura y coste. El problema resultante es resuelto de manera eficiente mediante sendos algoritmos mono- y bi-objetivo que conjugan 1) la Búsqueda por Harmonía como método de búsqueda global; y 2) una versión modificada del algoritmo de agrupación K-means como técnica de búsqueda local. El desempeño de los métodos propuestos es evaluado mediante experimentos numéricos basados en datos estadísticos reales de la Comunidad de Castilla la Mancha (España), merced a cuyos resultados queda certificada su practicidad a la hora de desplegar infraestructura de comunicación en este tipo de desastres. ? El segundo escenario bajo estudio se concentra en el despliegue y planificación óptima de vehículos aéreos de extinción de incendios basados en estimaciones predictivas del riesgo de incendio de una cierta área geográfica. De manera enunciativa, el problema subyacente busca la asignación de recursos a aeródromos y aeropuertos con restricciones de capacidad que maximice la utilidad de dichos recursos en relación al riesgo de incendio y minimice, a su vez, el coste de ejecutar dicha asignación. La formulación de este problema también considera, dentro de la definición de dicha función de utilidad, la distancia relativa entre aeropuerto, punto de potencial riesgo de incendio y el recurso acuífero (lago, río o mar) más cercano. Para su resolución eficiente se propone el uso de algoritmos de optimización basados, de nuevo, en la Búsqueda por Harmonía, incorporando además métodos voraces de reparación capacitiva. La aplicabilidad práctica de estos métodos es validada mediante experimentos numéricos en escenarios sintéticos y un caso práctico que incluye valores reales del riesgo de incendio, posiciones de recursos acuíferos e instalaciones aeroportuarias. En resumen, esta Tesis evidencia, desde un punto de vista práctico, que la meta-heurística moderna supone una solución algorítmica computacionalmente eficiente para tratar problemas de gestión de recursos contra incendios sujetos a restricciones de coste

Advanced meta-heuristic approaches and their application to operational optimization in forest wildfire management

La última década ha sido testigo de un aumento vertiginoso de la cantidad y frecuencia de desastres a gran escala, principalmente debido a los fenómenos devastadores derivados de paradigmas climatológicos y ambientales a gran escala como el calentamiento global. De entre ellos son las inundaciones, huracanes y terremotos los desastres de mayor frecuencia de aparición y fatales consecuencias durante este período, tal como certifican los más de 20.000 muertos a consecuencia de un terremoto en la región de Gujarat (India) en 2001, o las 230.000 y 316.000 pérdidas humanas de los terremotos de Indonesia y Haití en 2004 y 2010, respectivamente. En este contexto, el enfoque de esta tesis se centra en una casuística concreta de desastre a media-gran escala cuya frecuencia y severidad han crecido de manera igualmente preocupante en los últimos tiempos: los incendios, definidos como un fuego de grandes dimensiones no voluntariamente iniciado por el ser humano, y que afecta a aquello que no está destinado a quemarse. Pese a la diversidad de iniciativas, campañas y procedimientos orientados a la minimización del impacto y las consecuencias de los incendios, varios sucesos fatales acontecidos en los últimos años han puesto en duda la efectividad de las políticas actuales de gestión de recursos contra incendios como aeronaves, vehículos terrestres, equipamiento de comunicaciones radio, logística de abastecimiento y las brigadas desplegadas en el área afectada. Un ejemplo manifiesto de esta falta de eficacia es la muerte de once bomberos ocurrida en un incendio de 130 kilómetros cuadrados en la zona de Guadalajara (España) en 2005, oficialmente atribuida a una deficiente coordinación entre el puesto de mando y los equipos de extinción debida, fundamentalmente, a problemas de cobertura en los sistemas de radiocomunicación. Aunque la causa de esta falta de coordinación ha sido cuestionada por las autoridades y los agentes involucrados desde entonces, lo cierto es que este suceso supone un ejemplo evidente de la necesidad de estudiar y desarrollar herramientas algorítmicas que ayuden al personal de comandancia a ejecutar óptimamente sus tareas de coordinación y control. Desafortunadamente la coyuntura de crisis económica mundial que azota con especial fuerza los países del Sur de Europa ha mermado dramáticamente las partidas presupuestarias para la prevención y extinción de incendios en beneficio de programas nacionales de reducción de déficit. A consecuencia de estos recortes, el coste ha irrumpido con fuerza como un criterio de extrema relevancia en la planificación operativa de este tipo de desastres: desde la perspectiva de un problema de optimización, los recursos contra incendios son actualmente gestionados con el objetivo fundamental de maximizar su efectividad contra incendios, sujeto a la restricción de que el coste agregado asociado a las decisiones tomadas no supere un determinado umbral presupuestario. Pese a que estas restricciones de coste están bien acotadas, en la práctica la mayoría de los procedimientos de gestión de recursos contra incendios están fuertemente determinados por la capacidad limitada del ser humano para tomar decisiones ágiles en escenarios de elevada complejidad y heterogeneidad. Por los motivos anteriormente expuestos, la presente Tesis doctoral propone la adopción de algoritmos meta-heurísticos para solventar eficientemente problemas de optimización que modelan procesos de gestión de recursos contra incendios. Esta familia de algoritmos de optimización es capaz de explorar el espacio solución de un problema dado merced a la aplicación iterativa de mecanismos inteligentes de búsqueda explorativa y explotativa, produciendo soluciones que sacrifican calidad por una complejidad computacional menor en comparación con la resultante de procesos determinísticos de búsqueda exhaustiva. En particular la Tesis plantea la búsqueda por harmonía (del inglés Harmony Search) como la técnica meta-heurística de optimización común a las herramientas diseñadas para la gestión de recursos en dos escenarios diferentes: ? El primer escenario analizado contempla el despliegue óptimo de redes de comunicación inalámbrica para la coordinación de equipos de extinción en incendios forestales de gran escala. Desde el punto de vista formal, el problema del despliegue dinámico de retransmisores que caracteriza matemáticamente este escenario consiste en estimar el número y localización de los retransmisores radio que deben ser desplegados en el área afectada por el incendio, de tal modo que el número de nodos móviles (i.e. recursos) con cobertura radio es maximizado a un coste del despliegue mínimo. A fin de reflejar la diversidad de equipamiento de retransmisión radio existente en la realidad, este problema es reformulado para considerar modelos de retransmisor con diferentes características de cobertura y coste. El problema resultante es resuelto de manera eficiente mediante sendos algoritmos mono- y bi-objetivo que conjugan 1) la Búsqueda por Harmonía como método de búsqueda global; y 2) una versión modificada del algoritmo de agrupación K-means como técnica de búsqueda local. El desempeño de los métodos propuestos es evaluado mediante experimentos numéricos basados en datos estadísticos reales de la Comunidad de Castilla la Mancha (España), merced a cuyos resultados queda certificada su practicidad a la hora de desplegar infraestructura de comunicación en este tipo de desastres. ? El segundo escenario bajo estudio se concentra en el despliegue y planificación óptima de vehículos aéreos de extinción de incendios basados en estimaciones predictivas del riesgo de incendio de una cierta área geográfica. De manera enunciativa, el problema subyacente busca la asignación de recursos a aeródromos y aeropuertos con restricciones de capacidad que maximice la utilidad de dichos recursos en relación al riesgo de incendio y minimice, a su vez, el coste de ejecutar dicha asignación. La formulación de este problema también considera, dentro de la definición de dicha función de utilidad, la distancia relativa entre aeropuerto, punto de potencial riesgo de incendio y el recurso acuífero (lago, río o mar) más cercano. Para su resolución eficiente se propone el uso de algoritmos de optimización basados, de nuevo, en la Búsqueda por Harmonía, incorporando además métodos voraces de reparación capacitiva. La aplicabilidad práctica de estos métodos es validada mediante experimentos numéricos en escenarios sintéticos y un caso práctico que incluye valores reales del riesgo de incendio, posiciones de recursos acuíferos e instalaciones aeroportuarias. En resumen, esta Tesis evidencia, desde un punto de vista práctico, que la meta-heurística moderna supone una solución algorítmica computacionalmente eficiente para tratar problemas de gestión de recursos contra incendios sujetos a restricciones de coste

Evolving Spiking Neural Networks for online learning over drifting data streams

Nowadays huge volumes of data are produced in the form of fast streams, which are further affected by non-stationary phenomena. The resulting lack of stationarity in the distribution of the produced data calls for efficient and scalable algorithms for online analysis capable of adapting to such changes (concept drift). The online learning field has lately turned its focus on this challenging scenario, by designing incremental learning algorithms that avoid becoming obsolete after a concept drift occurs. Despite the noted activity in the literature, a need for new efficient and scalable algorithms that adapt to the drift still prevails as a research topic deserving further effort. Surprisingly, Spiking Neural Networks, one of the major exponents of the third generation of artificial neural networks, have not been thoroughly studied as an online learning approach, even though they are naturally suited to easily and quickly adapting to changing environments. This work covers this research gap by adapting Spiking Neural Networks to meet the processing requirements that online learning scenarios impose. In particular the work focuses on limiting the size of the neuron repository and making the most of this limited size by resorting to data reduction techniques. Experiments with synthetic and real data sets are discussed, leading to the empirically validated assertion that, by virtue of a tailored exploitation of the neuron repository, Spiking Neural Networks adapt better to drifts, obtaining higher accuracy scores than naive versions of Spiking Neural Networks for online learning environments.This work was supported by the EU project Pacific AtlanticNetwork for Technical Higher Education and Research—PANTHER(grant number 2013-5659/004-001 EMA2)

Programazioaren oinarriak: C-ko eta Java-ko praktikak

Helburuak: Ikasmaterial honen helburu nagusia ikasleek C-ko eta Java-ko klase teorikoetan lantzen dituzten ezagutzak sendotzea da. Norentzat: Programazioari buruzko lehen ezagutzak sendotu nahi dituen edozein ikasleei zuzenduta, baina bereziki telekomunikazio ikasketak egiten ari diren ikasleei.Liburu hau atal nagusi bitaz osatuta dago: C programazio lengoaiari zuzendurik dago lehen atala, teoriako oinarrizko kontzeptuak erabiliz programa erraz eta labur batetik abiaturik, kode zailago bateraino iristeko aukera emango duten praktikez osaturik dago. Bigarrena, Java programazio lengoaiari zuzenduta dago, lehen atalaren egitura bardina jarraituaz

Let nature decide its nature: On the design of collaborative hyperheuristics for decentralized ephemeral environments

The research community has traditionally aimed at the derivation and development of metaheuristic solvers, suited to deal with problems of very diverse characteristics. Unfortunately, it is often the case that new metaheuristic techniques are presented and assessed in a reduced set of cases, mostly due to the lack of computational resources to undertake extensive performance studies over a sufficiently diverse set of optimization benchmarks. This manuscript explores how ephemeral environments could be exploited to efficiently construct metaheuristic algorithms by virtue of a collaborative, distributed nature-inspired hyperheuristic framework specifically designed to be deployed over unreliable, uncoordinated computation nodes. To this end, the designed framework defines two types of nodes (trackers and peers, similarly to peer-to-peer networks), both reacting resiliently to unexpected disconnections of nodes disregarding their type. Peer nodes exchange their populations (i.e. constructed algorithms) asynchronously, so that local optima are avoided at every peer thanks to the contribution by other nodes. Furthermore, the overall platform is fully scalable, allowing its users to implement and share newly derived operators and fitness functions so as to enrich the diversity and universality of the heuristic algorithms found by the framework. Results obtained from in-lab experiments with a reduced number of nodes are discussed to shed light on the evolution of the best solution of the framework with the number of connected peers and the tolerance of the network to node disconnections.This work has been supported in part by the ELKARTEK program of the Basque Government (ref. KK-2016/00096, BID3ABI project)

On the heritability of dandelion-encoded harmony search heuristics for tree optimization problems

Tree optimization by Dandelion-coded HS heuristicsTree based optimization problems stand for those paradigms where solutions can be arranged within a tree-like graph whose nodes represent the optimization variables of the problem at hand and their interconnecting edges topological and/or hierarchical relationships between such variables. In this context, a research line of increasing interest during the last decade focuses on the derivation of intelligent solution encoding strategies capable of 1) capturing all topological constraints of this particular class of graphs; and 2) preserving their connectivity properties when they undergo combination/mutation operations within approximative evolutionary solvers. This manuscript takes a step over the state of the art by shedding light on the heri-tability properties of the Dandelion tree encoding approach under avant-garde stochastically-controlled evolutionary operators. In particular we elaborate on the topological heritability of the so-called Harmony Memory Considering Rate (HMCR) exploitative operator of the Harmony Search algorithm, a population-based meta-heuristic algorithm that has so far shown to outperform other evolutionary schemes in a wide range of optimization scenarios. Results from extensive Monte Carlo simulations are discussed in terms of the preserved structural properties of the newly produced solutions with respect to the initial Dandelion-encoded population

A Harmony Search Approach for the Selective Pick-Up and Delivery Problem with Delayed Drop-Off

In the last years freight transportation has undergone a sharp increase in the scales of its underlying processes and protocols mainly due to the ever-growing community of users and the increasing number of on-line shopping stores. Furthermore, when dealing with the last stage of the shipping chain an additional component of complexity enters the picture as a result of the fixed availability of the destination of the good to be delivered. As such, business opening hours and daily work schedules often clash with the delivery times programmed by couriers along their routes. In case of conflict, the courier must come to an arrangement with the destination of the package to be delivered or, alternatively, drop it off at a local depot to let the destination pick it up at his/her time convenience. In this context this paper will formulate a variant of the so-called courier problem under economic profitability criteria including the cost penalty derived from the delayed drop-off. In this context, if the courier delivers the package to its intended destination before its associated deadline, he is paid a reward. However, if he misses to deliver in time, the courier may still deliver it at the destination depending on its availability or, alternatively, drop it off at the local depot assuming a certain cost. The manuscript will formulate the mathematical optimization problem that models this logistics process and solve it efficiently by means of the Harmony Search algorithm. A simulation benchmark will be discussed to validate the solutions provided by this meta-heuristic solver and to compare its performance to other algorithmic counterparts.Basque Government, ETORTEK Program, IE14-38