Operadores de cruzamento para o problema da árvore de Steiner em grafos

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2021
Autor(a) principal: Godoi, Giliard Almeida de
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Cornelio Procopio
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Informática
UTFPR
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: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30181
Resumo: The Steiner Tree Problems in Graphs (STPG) aims to find the lowest cost tree- graph that connects a subset of terminal nodes. The general case for this problem belongs to the NP-hard class, and several approaches have been developed to discover better solutions. Metaheuristics also have been employed, although they were not so competitive when compared with more traditional approaches. When it comes to Genetic Algorithms (GA), this worst performance might be due to inefficient representation and operators for the problem constraints. For instance, binary representation and its operators can represent unfeasible solutions such as disconnected subgraphs. Alternatively, the Edge Sets representation narrows the population to feasible solutions (connected and cycle-free subgraphs). It represents a tree just by the set of its edges, and its operators are based on algorithms that compute a spanning tree for a graph. The partition-based crossover originally proposed to recombine Hamiltonian cycles for the Travelling Salesman Problem also handles directly with the solutions' graph representation. In this research, we propose an adaptation for the partition-based crossover for the STPG, named PXST. Then, we compare the proposed operator with the others from the Edge Sets representation. Furthermore, we proposed two soft-repair operators that only improve the solutions' cost. We ran experiments with problems instance from classes B and C from OR- Library datasets. They showed that the proposed operator was competitive in terms of the best solution cost found. It also found the best global solution for all instances from class B (It had a success rate of 18% for the worst case) and for class C was also better in some cases. Regarding the execution time, the GA with PXST was faster in many cases, mainly due to the quick population convergence.
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Alternatively, the Edge Sets representation narrows the population to feasible solutions (connected and cycle-free subgraphs). It represents a tree just by the set of its edges, and its operators are based on algorithms that compute a spanning tree for a graph. The partition-based crossover originally proposed to recombine Hamiltonian cycles for the Travelling Salesman Problem also handles directly with the solutions' graph representation. In this research, we propose an adaptation for the partition-based crossover for the STPG, named PXST. Then, we compare the proposed operator with the others from the Edge Sets representation. Furthermore, we proposed two soft-repair operators that only improve the solutions' cost. We ran experiments with problems instance from classes B and C from OR- Library datasets. They showed that the proposed operator was competitive in terms of the best solution cost found. It also found the best global solution for all instances from class B (It had a success rate of 18% for the worst case) and for class C was also better in some cases. Regarding the execution time, the GA with PXST was faster in many cases, mainly due to the quick population convergence.O Problema da Árvore de Steiner em Grafos (STPG) tem por objetivo determinar uma árvore com o menor custo possível, que conecte um subconjunto de vértices terminais. O caso geral do STPG pertence à classe NP-difícil e diversas estratégias foram desenvolvidas para determinar soluções cada vez melhores. Apesar de abordagens utilizando Algoritmos Genéticos (GA) também terem sido propostas, elas não são competitivas quando comparadas com outras mais tradicionais. Esse pior desempenho pode estar relacionado ao uso de esquemas de codificação e operadores inadequados para as características do problema. Por exemplo, a representação binária e seus respectivos operadores podem codificar soluções infactíveis que se traduzem em subgrafos desconexos. Outros esquemas de codificação lidam diretamente com a representação em grafos das soluções candidatas e são capazes de representar somente soluções factíveis (árvores conexas e livres de ciclos). A representação denominada Edge Sets codifica uma árvore apenas pelo seu subconjunto de arestas e seus operadores de cruzamento são baseados em algoritmos para determinação de árvores geradoras. Outra classe de operadores, que também manipulam diretamente a representação em grafos dos indivíduos, são os operadores baseados em partição (PX, GPX, GAPX e GPX2). Eles foram originalmente propostos para o Problema do Caixeiro Viajante, cujas soluções são ciclos Hamiltonianos. Esses últimos operadores são conhecidos pelas características de transmissão de alelos (hereditariedade), respeitabilidade e tunelamento entre ótimos locais. O presente trabalho apresenta uma adaptação dos operadores baseados em partição para o STPG denominada PXST. Esse operador é então comparado com aqueles da representação por conjunto de arestas. Além disso, duas estratégias de reparo que aprimoram o custo das soluções candidatas foram investigadas. Experimentos com instâncias das classes B e C da biblioteca OR-Library demonstram que o operador PXST é competitivo, em termos de custo da melhor solução encontrada. Além disso, ele foi capaz de encontrar uma solução ótima global para todas as instâncias da classe B, com uma taxa de sucesso de 18% para o pior caso. Para as instâncias da classe C também obteve uma taxa de sucesso superior em muitos casos. Embora o GA com o operador PXST tende a ser mais rápido, isso se deve em parte à rápida estagnação da população de indivíduos.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCornelio ProcopioBrasilPrograma de Pós-Graduação em InformáticaUTFPRSanches, Danilo Sipolihttps://orcid.org/0000-0002-8972-5221http://lattes.cnpq.br/6377657274398145Sanches, Danilo Sipolihttps://orcid.org/0000-0002-8972-5221http://lattes.cnpq.br/6377657274398145Sampaio, Lucas Dias Hierahttps://orcid.org/0000-0003-1644-3634http://lattes.cnpq.br/2330964607178017Tinos, RenatoXXXGodoi, Giliard Almeida de2022-11-25T19:24:48Z2022-11-25T19:24:48Z2021-12-09info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfapplication/pdfGODOI, Giliard Almeida de. Operadores de cruzamento para o problema da árvore de Steiner em grafos. 2021. 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