Investigação da adição de métodos de aprendizado e programação matemática em uma arquitetura de hibridização de meta-heurísticas para problemas de otimização com decisões em múltiplos níveis

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Machado, Murilo Oliveira
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Brasil
UFRN
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS E COMPUTAÇÃO
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/55323
Resumo: The hybridization of metaheuristics is a topic that several researchers have studied due to its potential to produce more efficient heuristics than those based on a single technique. However, hybridization is not easy, as there are several ways to operationalize it. The task becomes even more challenging when three or more metaheuristic methods need to hybridize or when someone wants to add Mathematical Programming methods, thus creating “matheuristics.” Various methods have been proposed to hybridize metaheuristics, including some techniques that automate hybridization, such as multi-agent architectures. A few of these architectures use learning techniques, and an even smaller number deal with matheuristics. This work extends the capabilities of the Multi-agent Architecture for Metaheuristic Hybridization by including learning techniques and Mathematical Programming. The application of learning techniques is innovative, considering the agents’ choice of heuristics to apply at different search stages. This work proposes a new form of hierarchical hybridization for Combinatorial Optimization problems with multiple decision levels. The algorithmic proposals are tested on the Traveling Car Renter with Passengers and the Cable Routing Problem in Wind Farms. These problems belong to the NP-hard class and require decision-making at multiple levels. In the case of the Traveling Car Renter with Passengers, there are three decision levels: route, car types, and customers’ transport demand. Cable routing in wind farms requires decisions concerning the cable locations and the cable type used in each section. The experiments for the Traveling Car Renter with Passengers were conducted on three classes of instances, totaling ninety-nine test cases ranging from four to eighty cities, two to five vehicles, and ten to a hundred forty people requiring transportation. Experiments for The Cable Routing Problem in Wind Farms involved a set of two hundred instances. These instances are simulations of real situations developed in collaboration with domain experts. The approaches proposed in this work are compared to state-of-the-art algorithms for both problems.
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The task becomes even more challenging when three or more metaheuristic methods need to hybridize or when someone wants to add Mathematical Programming methods, thus creating “matheuristics.” Various methods have been proposed to hybridize metaheuristics, including some techniques that automate hybridization, such as multi-agent architectures. A few of these architectures use learning techniques, and an even smaller number deal with matheuristics. This work extends the capabilities of the Multi-agent Architecture for Metaheuristic Hybridization by including learning techniques and Mathematical Programming. The application of learning techniques is innovative, considering the agents’ choice of heuristics to apply at different search stages. This work proposes a new form of hierarchical hybridization for Combinatorial Optimization problems with multiple decision levels. The algorithmic proposals are tested on the Traveling Car Renter with Passengers and the Cable Routing Problem in Wind Farms. These problems belong to the NP-hard class and require decision-making at multiple levels. In the case of the Traveling Car Renter with Passengers, there are three decision levels: route, car types, and customers’ transport demand. Cable routing in wind farms requires decisions concerning the cable locations and the cable type used in each section. The experiments for the Traveling Car Renter with Passengers were conducted on three classes of instances, totaling ninety-nine test cases ranging from four to eighty cities, two to five vehicles, and ten to a hundred forty people requiring transportation. Experiments for The Cable Routing Problem in Wind Farms involved a set of two hundred instances. These instances are simulations of real situations developed in collaboration with domain experts. The approaches proposed in this work are compared to state-of-the-art algorithms for both problems.A hibridização de meta-heurísticas é um tópico que vem sendo estudado por diversos pesquisadores dado ao seu potencial de produzir heurísticas mais eficientes do que aquelas baseadas em uma única técnica. Tal hibridização, entretanto, não é uma tarefa fácil, uma vez que existem diversas maneiras de operacionalizá-la. A tarefa se torna ainda mais difícil quando existem três ou mais métodos meta-heurísticos a serem hibridizados ou quando se deseja adicionar métodos de Programação Matemática, construindo, assim, matheurísticas. Diversos métodos foram propostos para hibridizar meta-heurísticas, incluindo algumas técnicas que automatizam a hibridização, como é o caso de arquiteturas multi-agentes. Um pequeno número dessas arquiteturas se utiliza de técnicas de aprendizado e um número ainda mais restrito lida com matheurísticas. Este trabalho estende os recursos da Arquitetura Multiagentes para Hibridização de Meta-heurísticas incluindo técnicas de aprendizado e de Programação Matemática. A forma da aplicação das técnicas de aprendizado é inovadora contemplando a escolha feita pelos agentes de heurísticas a serem aplicadas em diferentes momentos da busca. Este trabalho propõe uma nova forma de hibridização hierárquica para problemas de Otimização Combinatória que possuem múltiplos níveis de decisão. As propostas algorítmicas são testadas no Caixeiro Viajante Alugador com Passageiros e no Problema de Cabeamento em Usinas Eólicas. Esses problemas pertencem à classe NP-difícil e exigem a tomada de decisão em mais de um nível. No caso do Caixeiro Viajante Alugador com Passageiros a tomada de decisão se dá em três níveis: rota, tipos de carros utilizados e atendimento de demanda por caronas. No caso do cabeamento em usinas eólicas são exigidas decisões do local de cabeamento e tipo de cabo a ser empregado em cada trecho. Os experimentos para o Caixeiro Viajante Alugador com Passageiros foram feitos para três classes de instâncias, em um total de noventa e nove casos de teste com tamanho variando de 4 a 80 cidades, 2 a 5 veículos e 10 a 240 pessoas demandando transporte. O Problema de Cabeamento em Usinas Eólicas foi alvo de experimentos que envolveram um conjunto de 200 instâncias. Essas instâncias são simulações de situações reais desenvolvidas em colaboração com especialistas da área. As abordagens propostas neste trabalho são comparadas a algoritmos do estado-da-arte para ambos os problemas.Universidade Federal do Rio Grande do NorteBrasilUFRNPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS E COMPUTAÇÃOGoldbarg, Elizabeth Ferreira Gouveahttp://lattes.cnpq.br/2888641121265608Almeida, Carolina de PaulaSabry, Gustavo de AraújoFernandes, Islame Felipe da CostaMenezes, Matheus da SilvaMaia, Silvia Maria Diniz Monteirohttp://lattes.cnpq.br/1498104590221901Machado, Murilo Oliveira2023-11-13T23:29:14Z2023-11-13T23:29:14Z2023-08-02info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfMACHADO, Murilo Oliveira. Investigação da adição de métodos de aprendizado e programação matemática em uma arquitetura de hibridização de meta-heurísticas para problemas de otimização com decisões em múltiplos níveis. Orientadora: Dra. Elizabeth Ferreira Gouvêa Goldbarg. 2023. 208f. 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