Técnicas de aumento de eficiência para metaheurísticas aplicadas a otimização global contínua e discreta

• Main Author: Melo, Vinícius Veloso de
• Other Authors: Delbem, Alexandre Cláudio Botazzo
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2009
• Subjects: Algoritmos de estimação de distribuição; Amostragem inteligente; Estimation of; Global optimization; Metaheurísticas; Otimização global; Promising regions; Regiões promissoras; Smart sampling; Técnicas de aumento de eficiência
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-14042010-112304/

Vários problemas do mundo real podem ser modelados como problemas de otimização global, os quais são comuns em diversos campos da Engenharia e Ciência. Em geral, problemas complexos e de larga-escala não podem ser resolvidos de forma eficiente por técnicas determinísticas. Desse modo, algoritmos probabilísticos, como as metaheurísticas, têm sido amplamente empregados para otimização global. Duas das principais dificuldades nesses problemas são escapar de regiões sub-ótimas e evitar convergência prematura do algoritmo. À medida que a complexidade do problema aumenta, devido a um grande número de variáveis ou de regiões sub-ótimas, o tempo computacional torna-se grande e a possibilidade de que o algoritmo encontre o ótimo global diminui consideravelmente. Para solucionar esses problemas, propõe-se o uso de técnicas de aumento ou melhoria de eficiência. Com essas técnicas, buscase desenvolver estratégias que sejam aplicáveis a diversos algoritmos de otimização global, ao invés de criar um novo algoritmo de otimização ou um algoritmo híbrido. No contexto de problemas contínuos, foram desenvolvidas técnicas para determinação de uma ou mais regiões promissoras do espaço de busca, que contenham uma grande quantidade de soluções de alta qualidade, com maior chance de conterem o ótimo global. Duas das principais técnicas propostas, o Algoritmo de Otimização de Domínio (DOA) e a arquitetura de Amostragem Inteligente (SS), foram testadas com sucesso significativo em vários problemas de otimização global utilizados para benchmark na literatura. A aplicação do DOA para metaheurísticas produziu melhoria de desempenho em 50% dos problemas testados. Por outro lado, a aplicação da SS produziu reduções de 80% da quantidade de avaliações da função objetivo, bem como aumentou a taxa de sucesso em encontrar o ótimo global. Em relação a problemas discretos (binários), foram abordados problemas nos quais existem correlações entre as variáveis, que devem ser identificadas por um modelo probabilístico. Das duas técnicas de aumento de eficiência propostas para esses problemas, a técnica denominada Gerenciamento do Tamanho da População (PSM) possibilita a construção de modelos probabilísticos mais representativos. Com o PSM foi possível atingir uma redução de cerca de 50% na quantidade de avaliações, mantendo a taxa de sucesso em 100%. Em resumo, as técnicas de aumento de eficiência propostas mostramse capazes de aumentar significativamente o desempenho de metaheurísticas, tanto para problemas contínuos quanto para discretos === Several real-world problems from various fields of Science and Engineering can be modeled as global optimization problems. In general, complex and large-scale problems can not be solved eficiently by exact techniques. In this context, Probabilistic algorithms, such as metaheuristics, have shown relevant results. Nevertheless, as the complexity of the problem increases, due to a large number of variables or several regions of the search space with sub-optimal solutions, the running time augments and the probability that the metaheuristics will find the global optimum is significantly reduced. To improve the performance of metaheuristics applied to these problems, new eficiency-enhancement techniques (EETs) are proposed in this thesis. These EETs can be applied to different types of global optimization algorithms, rather than creating a new or a hybrid optimization algorithm. For continuous problems, the proposed EETs are the Domain Optimization Algorithm (DOA) and the Smart Sampling (SS) architecture. In fact, they are pre-processing algorithms that determine one or more promising regions of the search-space, containing a large amount of high-quality solutions, with higher chance of containing the global optimum. The DOA and SS were tested with signicant success in several global optimization problems used as benchmark in the literature. The application of DOA to metaheuristics produced a performance improvement in 50% of problems tested. On the other hand, the application of SS have produced reductions of 80% of the evaluations of the objective function, as well as increased the success rate of finding the global optimum. For discrete problems (binary), we focused on metaheuristics that use probabilistic models to identify correlations among variables that are frequent in complex problems. The main EET proposed for discrete problems is called Population Size Management (PSM), which improves the probabilistic models constructed by such algorithms. The PSM produced a reduction of 50% of function evaluations maintaining the success rate of 100%. In summary, the results show that the proposed EETs can significantly increase the performance of metaheuristics for both discrete and continuous problems