Treasure hunt : a framework for cooperative, distributed parallel optimization

Orientador: Prof. Dr. Daniel WeingaertnerCoorientadora: Profa. Dra. Myriam Regattieri DelgadoTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa : Curitiba, 27/05/2019Inclui referências: p. 18-20Área de concentração: Ciência da ComputaçãoResumo: Este trabalho propõe um framework multinível chamado Treasure Hunt, que é capaz de distribuir algoritmos de busca independentes para um grande número de nós de processamento. Com o objetivo de obter uma convergência conjunta entre os nós, este framework propõe um mecanismo de direcionamento que controla suavemente a cooperação entre múltiplas instâncias independentes do Treasure Hunt. A topologia em árvore proposta pelo Treasure Hunt garante a rápida propagação da informação pelos nós, ao mesmo tempo em que provê simutaneamente explorações (pelos nós-pai) e intensificações (pelos nós-filho), em vários níveis de granularidade, independentemente do número de nós na árvore. O Treasure Hunt tem boa tolerância à falhas e está parcialmente preparado para uma total tolerância à falhas. Como parte dos métodos desenvolvidos durante este trabalho, um método automatizado de Particionamento Iterativo foi proposto para controlar o balanceamento entre explorações e intensificações ao longo da busca. Uma Modelagem de Estabilização de Convergência para operar em modo Online também foi proposto, com o objetivo de encontrar pontos de parada com bom custo/benefício para os algoritmos de otimização que executam dentro das instâncias do Treasure Hunt. Experimentos em benchmarks clássicos, aleatórios e de competição, de vários tamanhos e complexidades, usando os algoritmos de busca PSO, DE e CCPSO2, mostram que o Treasure Hunt melhora as características inerentes destes algoritmos de busca. O Treasure Hunt faz com que os algoritmos de baixa performance se tornem comparáveis aos de boa performance, e os algoritmos de boa performance possam estender seus limites até problemas maiores. Experimentos distribuindo instâncias do Treasure Hunt, em uma rede cooperativa de até 160 processos, demonstram a escalabilidade robusta do framework, apresentando melhoras nos resultados mesmo quando o tempo de processamento é fixado (wall-clock) para todas as instâncias distribuídas do Treasure Hunt. Resultados demonstram que o mecanismo de amostragem fornecido pelo Treasure Hunt, aliado à maior cooperação entre as múltiplas populações em evolução, reduzem a necessidade de grandes populações e de algoritmos de busca complexos. Isto é especialmente importante em problemas de mundo real que possuem funções de fitness muito custosas. Palavras-chave: Inteligência artificial. Métodos de otimização. Algoritmos distribuídos. Modelagem de convergência. Alta dimensionalidade.Abstract: This work proposes a multilevel framework called Treasure Hunt, which is capable of distributing independent search algorithms to a large number of processing nodes. Aiming to obtain joint convergences between working nodes, Treasure Hunt proposes a driving mechanism that smoothly controls the cooperation between the multiple independent Treasure Hunt instances. The tree topology proposed by Treasure Hunt ensures quick propagation of information, while providing simultaneous explorations (by parents) and exploitations (by children), on several levels of granularity, regardless the number of nodes in the tree. Treasure Hunt has good fault tolerance and is partially prepared to full fault tolerance. As part of the methods developed during this work, an automated Iterative Partitioning method is proposed to control the balance between exploration and exploitation as the search progress. A Convergence Stabilization Modeling to operate in Online mode is also proposed, aiming to find good cost/benefit stopping points for the optimization algorithms running within the Treasure Hunt instances. Experiments on classic, random and competition benchmarks of various sizes and complexities, using the search algorithms PSO, DE and CCPSO2, show that Treasure Hunt boosts the inherent characteristics of these search algorithms. Treasure Hunt makes algorithms with poor performances to become comparable to good ones, and algorithms with good performances to be capable of extending their limits to larger problems. Experiments distributing Treasure Hunt instances in a cooperative network up to 160 processes show the robust scaling of the framework, presenting improved results even when fixing a wall-clock time for the instances. Results show that the sampling mechanism provided by Treasure Hunt, allied to the increased cooperation between multiple evolving populations, reduce the need for large population sizes and complex search algorithms. This is specially important on real-world problems with time-consuming fitness functions. Keywords: Artificial intelligence. Optimization methods. Distributed algorithms. Convergence modeling. High dimensionality

Point spread function estimation of solar surface images with a cooperative particle swarm optmization on GPUS

Orientador : Prof. Dr. Daniel WeingaertnerDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa: Curitiba, 21/02/3013Bibliografia : fls. 81-86Resumo: Apresentamos um método para a estimativa da função de espalhamento pontual (PSF) de imagens de superfície solar obtidas por telescópios terrestres e corrompidas pela atmosfera. A estimativa e feita obtendo-se a fase da frente de onda usando um conjunto de imagens de curta exposto, a reconstrucão de granulado optico do objeto observado e um modelo PSF parametrizado por polinómios de Zernikes. Estimativas da fase da frente de onda e do PSF sao computados atraves da minimizacao de uma funcao de erro com um metodo de otimizacão cooperativa por nuvens de partículas (CPSO), implementados em OpenCL para tirar vantagem do ambiente altamente paralelo Um metodo de calibracao e apresentado para ajustar os parâmetros do que as unidade de processamento gráfico (GPU) provem. algoritmo para resultados de baixo custo, resultando em solidas estimativas tanto para imagens de baixa frequencia quanto para imagens de alta frequencia. Os resultados mostram que o metodo apresentado possui râpida convergencia e e robusto a degradacao causada por ruídos. Experimentos executados em uma placa NVidia Tesla C2050 computaram 100 PSFs com 50 polinómios de Zernike em " 36 minutos. Ao aumentar-se o námero de coeficientes de Zernike dez vezes, de 50 para 500, o tempo de execucão aumentou somente 17%, o que demonstra que o algoritmo proposto e pouco afetado pelo numero de Zernikes utilizado.Abstract: We present a method for estimating the point spread function (PSF) of solar surface images acquired from ground telescopes and degraded by atmosphere. The estimation is done by retrieving the wavefront phase using a set of short exposures, the speckle reconstruction of the observed object and a PSF model parametrized by Zernike polynomials. Estimates of the wavefront phase and the PSF are computed by minimizing an error function with a cooperative particle swarm optimization method (CPSO), implemented in OpenCL to take advantage of highly parallel graphical processing units (GPUs). A calibration method is presented to adjust the algorithm parameters for low cost results, providing solid estimations for both low frequency and high frequency images. Results show that the method has a fast convergence and is robust to noise degradation. Experiments run on an NVidia Tesla C2050 were able to compute 100 PSFs with 50 Zernike polynomials in " 36 minutes. The increase on the number of Zernike coefficients tenfold, from 50 to 500, caused the increase of 17% on the execution time, showing that the proposed algorithm is only slightly affected by the number of Zernikes used

Treasure hunt : a framework for cooperative, distributed parallel optimization

Orientador: Prof. Dr. Daniel WeingaertnerCoorientadora: Profa. Dra. Myriam Regattieri DelgadoTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa : Curitiba, 27/05/2019Inclui referências: p. 18-20Área de concentração: Ciência da ComputaçãoResumo: Este trabalho propõe um framework multinível chamado Treasure Hunt, que é capaz de distribuir algoritmos de busca independentes para um grande número de nós de processamento. Com o objetivo de obter uma convergência conjunta entre os nós, este framework propõe um mecanismo de direcionamento que controla suavemente a cooperação entre múltiplas instâncias independentes do Treasure Hunt. A topologia em árvore proposta pelo Treasure Hunt garante a rápida propagação da informação pelos nós, ao mesmo tempo em que provê simutaneamente explorações (pelos nós-pai) e intensificações (pelos nós-filho), em vários níveis de granularidade, independentemente do número de nós na árvore. O Treasure Hunt tem boa tolerância à falhas e está parcialmente preparado para uma total tolerância à falhas. Como parte dos métodos desenvolvidos durante este trabalho, um método automatizado de Particionamento Iterativo foi proposto para controlar o balanceamento entre explorações e intensificações ao longo da busca. Uma Modelagem de Estabilização de Convergência para operar em modo Online também foi proposto, com o objetivo de encontrar pontos de parada com bom custo/benefício para os algoritmos de otimização que executam dentro das instâncias do Treasure Hunt. Experimentos em benchmarks clássicos, aleatórios e de competição, de vários tamanhos e complexidades, usando os algoritmos de busca PSO, DE e CCPSO2, mostram que o Treasure Hunt melhora as características inerentes destes algoritmos de busca. O Treasure Hunt faz com que os algoritmos de baixa performance se tornem comparáveis aos de boa performance, e os algoritmos de boa performance possam estender seus limites até problemas maiores. Experimentos distribuindo instâncias do Treasure Hunt, em uma rede cooperativa de até 160 processos, demonstram a escalabilidade robusta do framework, apresentando melhoras nos resultados mesmo quando o tempo de processamento é fixado (wall-clock) para todas as instâncias distribuídas do Treasure Hunt. Resultados demonstram que o mecanismo de amostragem fornecido pelo Treasure Hunt, aliado à maior cooperação entre as múltiplas populações em evolução, reduzem a necessidade de grandes populações e de algoritmos de busca complexos. Isto é especialmente importante em problemas de mundo real que possuem funções de fitness muito custosas. Palavras-chave: Inteligência artificial. Métodos de otimização. Algoritmos distribuídos. Modelagem de convergência. Alta dimensionalidade.Abstract: This work proposes a multilevel framework called Treasure Hunt, which is capable of distributing independent search algorithms to a large number of processing nodes. Aiming to obtain joint convergences between working nodes, Treasure Hunt proposes a driving mechanism that smoothly controls the cooperation between the multiple independent Treasure Hunt instances. The tree topology proposed by Treasure Hunt ensures quick propagation of information, while providing simultaneous explorations (by parents) and exploitations (by children), on several levels of granularity, regardless the number of nodes in the tree. Treasure Hunt has good fault tolerance and is partially prepared to full fault tolerance. As part of the methods developed during this work, an automated Iterative Partitioning method is proposed to control the balance between exploration and exploitation as the search progress. A Convergence Stabilization Modeling to operate in Online mode is also proposed, aiming to find good cost/benefit stopping points for the optimization algorithms running within the Treasure Hunt instances. Experiments on classic, random and competition benchmarks of various sizes and complexities, using the search algorithms PSO, DE and CCPSO2, show that Treasure Hunt boosts the inherent characteristics of these search algorithms. Treasure Hunt makes algorithms with poor performances to become comparable to good ones, and algorithms with good performances to be capable of extending their limits to larger problems. Experiments distributing Treasure Hunt instances in a cooperative network up to 160 processes show the robust scaling of the framework, presenting improved results even when fixing a wall-clock time for the instances. Results show that the sampling mechanism provided by Treasure Hunt, allied to the increased cooperation between multiple evolving populations, reduce the need for large population sizes and complex search algorithms. This is specially important on real-world problems with time-consuming fitness functions. Keywords: Artificial intelligence. Optimization methods. Distributed algorithms. Convergence modeling. High dimensionality