Decomposition methods for mixed-integer nonlinear programming

En esta tesis se pueden distinguir dos líneas principales de investigación. La primera se ocupa de los métodos de Aproximación Externa (Outer Approximation), mientras que la segunda estudia un solución basada en el método de Generación de Columnas (Column Generation). En esta tesis investigamos y analizamos aspectos teóricos y prácticos de ambas ideas dentro del marco de la descomposición. El objetivo principal de este estudio es desarrollar métodos sistemáticos basados en la descomposición para resolver problemas de gran escala utilizando los métodos de Aproximación Externa y Generación de Columnas. En el capítulo 1 se introduce un concepto importante necesario para la descomposición. Este concepto consiste en una reformulación separable en bloques del problema de programación no lineal de enteros mixtos. En el capítulo 1 también se hace una descripción de los métodos mencionados anteriormente, incluyendo los de Ramificación y Acotación, además de otros conceptos clave que son necesarios para esta tesis, como por ejemplo los de Aproximación Interior, etc. Los capítulos 2, 3 y 4 investigan el uso del concepto de Aproximación Externa. Específicamente, en el capítulo 2 se presenta un algoritmo de Aproximación Externa basado en descomposición para resolver problemas de programación no-lineales convexos enteros-mixtos, basados en la construcción de hiperplanos soporte para un conjunto factible. El capítulo 3 amplia el marco de aplicación de un algoritmo de Aproximación Externa basado en descomposición, a problemas de programación no lineales no convexos enteros mixtos, introduciendo una Aproximación Externa convexa por partes de un conjunto factible no convexo. Otra perspectiva de la definición de Aproximación Externa para problemas no convexos se considera en el capítulo 4, que presenta un algoritmo de Refinamiento Interno y Externo basado en descomposición, que construye una Aproximación Externa al mismo tiempo que calcula la Aproximación Interna usando Generación de Columnas. La Aproximación Externa usada en el algoritmo de Refinamiento Interno y Externo se basa en la visión multiobjetivo de la denominada versión recursos restringidos del problema original. Dos capítulos están dedicados a la Generación de Columnas. En el capítulo 4 se presenta un algoritmo de Generación de Columnas para calcular una Aproximación Interna del problema original. Además se describe un algoritmo heurístico basado en particiones que usa un refinamiento de la Aproximación Interna. El capítulo 5 analiza varias técnicas de aceleración para la Generación de Columnas, donde se describe un algoritmo heurístico general basado en la Generación de Columnas, que puede generar varias soluciones candidatas de alta calidad. El capítulo 6 contiene una breve descripción de la implementación en Python de DECOGO (software de programación no lineal de enteros mixtos).La programación no lineal de enteros mixtos es un campo de optimización importante y desafiante. Este tipo de problemas pueden contener variables continuas e enteras, así como restricciones lineales y no lineales. Esta clase de problemas tiene un papel fundamental en la ciencia y la industria, ya que proporcionan una forma precisa de describir fenómenos en diferentes áreas como ingeniería química y mecánica, cadena de suministro, gestión, etc. La mayoría de los algoritmos de última generación para resolver los problemas de programación no lineal de enteros mixtos no convexos están basados en los métodos de ramificación y acotación. El principal inconveniente de este enfoque es que el árbol de búsqueda puede crecer muy rápido impidiendo que el algoritmo encuentre una solución de alta calidad en un tiempo razonable. Una posible alternativa que evite la generación de grandes árboles consiste en hacer uso del concepto de descomposición para hacer que el procedimiento sea más manejable. La descomposición proporciona un marco general en el que el problema original se divide en pequeños subproblemas y sus resultados se combinan en un problema maestro más sencillo. Esta tesis analiza los métodos de descomposición para la programación no lineal de enteros mixtos. El principal objetivo de esta tesis es desarrollar métodos alternativos al de ramificación y acotación, basados en el concepto de descomposición. Para la industria y la ciencia, es importante calcular una solución óptima, o al menos, mejorar la mejor solución disponible hasta ahora. Además, esto debe hacerse en un plazo de tiempo razonable. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis es diseñar algoritmos eficientes que permitan resolver problemas de gran escala que tienen una aplicación práctica directa. En particular, nos centraremos en modelos que pueden ser aplicados en la planificación y operación de sistemas energéticos

Towards Multi-tree Methods for Large-Scale Global Optimization

© 2020, Springer Nature Switzerland AG. In this paper, we present a new multi-tree approach for solving large scale Global Optimization Problems (GOP), called DECOA (Decomposition-based Outer Approximation). DECOA is based on decomposing a GOP into sub-problems, which are coupled by linear constraints. It computes a solution by alternately solving sub- and master-problems using Branch-and-Bound (BB). Since DECOA does not use a single (global) BB-tree, it is called a multi-tree algorithm. After formulating a GOP as a block-separable MINLP, we describe how piecewise linear Outer Approximations (OA) can be computed by reformulating nonconvex functions as a Difference of Convex functions. This is followed by a description of the main- and sub-algorithms of DECOA, including a decomposition-based heuristic for finding solution candidates. Finally, we present preliminary results with MINLPs and conclusions

On decomposition and multiobjective-based column and disjunctive cut generation for MINLP

Most industrial optimization problems are sparse and can be formulated as block-separable mixed-integer nonlinear programming (MINLP) problems, defined by linking low-dimensional sub-problems by (linear) coupling constraints. This paper investigates the potential of using decomposition and a novel multiobjective-based column and cut generation approach for solving nonconvex block-separable MINLPs, based on the so-called resource-constrained reformulation. Based on this approach, two decomposition-based inner- and outer-refinement algorithms are presented and preliminary numerical results with nonconvex MINLP instances are reported

SrPt3In2 \u2013 an orthorhombically distorted coloring variant of SrIn5

The new intermetallic phase SrPt3In2 was synthesized by induction-melting of the elements in a sealed tantalum ampoule followed by long-term annealing for crystal growth. The SrPt3In2 structure was refined from single crystal X-ray diffraction data: Imma, a = 1674.7(6), b = 921.2(4), c = 971.2(4) pm, wR(2) = 0.0551, 1192 F-2 values and 55 variables. Electronic structure calculations indicate strong covalent Pt-In bonding and a substantial charge transfer from the strontium atoms to the three-dimensional [Pt3In2](delta-) polyanionic network. The strontium atoms fill larger cavities within the network and the bonding of strontium to the polyanion is of the electrostatic type. The Bader charge calculations classify SrPt3In2 as a ternary platinide. The close relationship between the SrPt3In2 structure and the aristotype CaCu5 is discussed on the basis of a group-subgroup scheme in the Barnighausen formalism along with other CaCu5 coloring variants and superstructures