Hybrid Self-Adaptive Evolution Strategies Guided by Neighborhood Structures for Combinatorial Optimization Problems

2016 ◽  
Vol 24 (4) ◽  
pp. 637-666 ◽  
Author(s):  
V. N. Coelho ◽  
I. M. Coelho ◽  
M. J. F. Souza ◽  
T. A. Oliveira ◽  
L. P. Cota ◽  
...  

This article presents an Evolution Strategy (ES)--based algorithm, designed to self-adapt its mutation operators, guiding the search into the solution space using a Self-Adaptive Reduced Variable Neighborhood Search procedure. In view of the specific local search operators for each individual, the proposed population-based approach also fits into the context of the Memetic Algorithms. The proposed variant uses the Greedy Randomized Adaptive Search Procedure with different greedy parameters for generating its initial population, providing an interesting exploration–exploitation balance. To validate the proposal, this framework is applied to solve three different [Formula: see text]-Hard combinatorial optimization problems: an Open-Pit-Mining Operational Planning Problem with dynamic allocation of trucks, an Unrelated Parallel Machine Scheduling Problem with Setup Times, and the calibration of a hybrid fuzzy model for Short-Term Load Forecasting. Computational results point out the convergence of the proposed model and highlight its ability in combining the application of move operations from distinct neighborhood structures along the optimization. The results gathered and reported in this article represent a collective evidence of the performance of the method in challenging combinatorial optimization problems from different application domains. The proposed evolution strategy demonstrates an ability of adapting the strength of the mutation disturbance during the generations of its evolution process. The effectiveness of the proposal motivates the application of this novel evolutionary framework for solving other combinatorial optimization problems.

Author(s):  
Bahram Alidaee ◽  
Gary Kochenberger ◽  
Haibo Wang

Modern metaheuristic methodologies rely on well defined neighborhood structures and efficient means for evaluating potential moves within these structures. Move mechanisms range in complexity from simple 1-flip procedures where binary variables are “flipped” one at a time, to more expensive, but more powerful, r-flip approaches where “r” variables are simultaneously flipped. These multi-exchange neighborhood search strategies have proven to be effective approaches for solving a variety of combinatorial optimization problems. In this paper, we present a series of theorems based on partial derivatives that can be readily adopted to form the essential part of r-flip heuristic search methods for Pseudo-Boolean optimization. To illustrate the use of these results, we present preliminary results obtained from four simple heuristics designed to solve a set of Max 3-SAT problems.


2013 ◽  
Author(s):  
Θεόδωρος Γκεβεζές

Το Shortest Superstring Problem (SSP) είναι ένα πρόβλημα συνδυαστικής βελτιστοποίησης που έχει προσελκύσει το ενδιαφέρων πολλών ερευνητών, λόγω των εφαρμογών του. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε προβλήματα Υπολογιστικής Μοριακής Βιολογίας όπως η αλληλούχιση του DNA και σε προβλήματα της επιστήμης υπολογιστών όπως η συμπίεση δεδομένων. Το SSP είναι ένα NP-hard πρόβλημα. Ένα άρθρο ανασκόπησης για το SSP παρουσιάζεται στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής με έναν περιεκτικό και σαφή τρόπο, καλύπτοντας ολόκληρη τη σχετική βιβλιογραφία, αναδεικνύοντας την κατακτημένη γνώση και βοηθώντας στην μελλοντική έρευνα.Η μέθοδος GRASP (Greedy Randomized Adaptive Search Procedure) είναι μια επαναληπτική ευρετική μέθοδος για συνδυαστική βελτιστοποίηση. Η μέθοδος Path Relinking (PR) αποτελεί έναν τρόπο ενοποίησης των στρατηγικών εντατικοποίησης και διαφοροποίησης στην αναζήτηση για βέλτιστες λύσεις. Η PR στα πλαίσια του GRASP εισήχθη ως μηχανισμός μνήμης για την αξιοποίηση των δεδομένων από καλές λύσεις που έχουν ήδη βρεθεί. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η υλοποίηση της μεθόδου GRASP με PR για το SSP. Η νέα μέθοδος λύνει στιγμιότυπα μεγάλης κλίμακας και υπερτερεί του φυσικού άπληστου αλγόριθμου στη συντριπτική πλειοψηφία των στιγμιοτύπων που δοκιμάστηκαν. Η προτεινόμενη μέθοδος είναι ικανή να παράγει πολλαπλές λύσεις κοντά στο βέλτιστο, γεγονός το οποίο είναι σημαντικό για την πρακτική της αλληλούχισης του DNA και επιτρέπει μια φυσική και εύκολη παράλληλη υλοποίηση. Ένα σύνολο αναφοράς στιγμιοτύπων με γνωστή βέλτιστη λύση κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας μια νέα Διατύπωση Ακέραιου Προγραμματισμού (Integer Programming Formulation) για το SSP.Η οικογένεια των γράφων επικάλυψης αποτελεί ένα κατάλληλο είδος δομής δεδομένων για την περίπτωση του SSP. Έχουν εφαρμογές στην αλληλούχιση γονιδιώματος, στην συμπίεση ακολουθιών και στον χρονοπρογραμματισμό μηχανών. Ένας κατευθυνόμενος γράφος με βάρη είναι γράφος επικάλυψης αν υπάρχει ένα σύνολο από ακολουθίες, οι οποίες βρίσκονται σε ένα προς ένα αντιστοιχία με τις κορυφές του γράφου, έτσι ώστε κάθε βάρος του γράφου να ισούται με την επικάλυψη μεταξύ των αντίστοιχων ακολουθιών. Στο τρίτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, παρουσιάζεται ένα θεώρημα χαρακτηρισμού των γράφων επικάλυψης και ο αντίστοιχος αλγόριθμος αναγνώρισής τους.Το Quadratic Assignment Problem (QAP) είναι ένα από τα δυσκολότερα προβλήματα συνδυαστικής βελτιστοποίησης. Το QAP είναι ένα NP-hard πρόβλημα, ενώ η εύρεση ενός ε-προσεγγιστικού αλγόριθμου για αυτό είναι επίσης δύσκολη. Ο κλασικός άπληστος αλγόριθμος για διακριτά προβλήματα βελτιστοποίησης όπου η βέλτιστη λύση είναι ένα μεγιστοτικό ανεξάρτητο υποσύνολο ενός πεπερασμένου συνόλου βάσης με στοιχεία με βάρη, μπορεί να οριστεί με δύο διαφορετικούς τρόπους που είναι δυϊκοί ο ένας προς το άλλο. Τον άπληστο-εισαγωγής (greedy-in) αλγόριθμο, όπου μια λύση κατασκευάζεται από ένα κενό σύνολο με την εισαγωγή του επόμενου καλύτερου στοιχείου, ενός κάθε φορά, μέχρι να προκύψει μια μη εφικτή λύση και τον άπληστο-εξαγωγής (greedy-out) αλγόριθμο, όπου ξεκινώντας από το σύνολο βάσης, διαγράφεται το επόμενο χειρότερο στοιχείο, ένα κάθε φορά, μέχρι να προκύψει κάποια εφικτή λύση. Έχει αποδειχτεί ότι ενώ ο πρώτος αλγόριθμος παρέχει έναν παράγοντα προσέγγισης για τα προβλήματα μεγιστοποίησης, η απόδοσή του στην χειρότερη περίπτωση δεν είναι φραγμένη για τα προβλήματα ελαχιστοποίησης και το αντίστροφο για τον δεύτερο αλγόριθμο. Στο τέταρτο κεφάλαιο αυτής της διατριβής, παρουσιάζεται ο άπληστος-εξαγωγής αλγόριθμος για το QAP, αφότου αναπτύσσεται ένας συνδυαστικός χαρακτηρισμός των λύσεων του προβλήματος.


2010 ◽  
Vol 1 (1) ◽  
pp. 93-109 ◽  
Author(s):  
Bahram Alidaee ◽  
Gary Kochenberger ◽  
Haibo Wang

Modern metaheuristic methodologies rely on well defined neighborhood structures and efficient means for evaluating potential moves within these structures. Move mechanisms range in complexity from simple 1-flip procedures where binary variables are “flipped” one at a time, to more expensive, but more powerful, r-flip approaches where “r” variables are simultaneously flipped. These multi-exchange neighborhood search strategies have proven to be effective approaches for solving a variety of combinatorial optimization problems. In this paper, we present a series of theorems based on partial derivatives that can be readily adopted to form the essential part of r-flip heuristic search methods for Pseudo-Boolean optimization. To illustrate the use of these results, we present preliminary results obtained from four simple heuristics designed to solve a set of Max 3-SAT problems.


Author(s):  
RONG-LONG WANG ◽  
XIAO-FAN ZHOU ◽  
LI-QING ZHAO ◽  
ZE-WEI XIA

A multi-colony ant system (MAS) is proposed for the combinatorial optimization problems. The proposed MAS is inspired by the knowledge that there are many colonies of ants in the natural world and organized with multiple colonies of ants. At first, ants perform solution search procedure by cooperating with each other in the same colony until no better solution is found after a certain time period. Then, communication between different colonies is performed to build new pheromone distributions for each colony, and ants start their search procedure again in each separate colony, based on the new pheromone distribution. The proposed algorithm is tested by simulating the traveling salesman problem (TSP). Simulation results show that the proposed method performs better than the traditional ACO.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document