Uma análise experimental de algoritmos exatos aplicados ao problema da árvore geradora multiobjetivo

The Multiobjective Spanning Tree Problem is NP-hard and models applications in several areas. This research presents an experimental analysis of different strategies used in the literature to develop exact algorithms to solve the problem. Initially, the algorithms are classified according to the approaches used to solve the problem. Features of two or more approaches can be found in some of those algorithms. The approaches investigated here are: the two-stage method, branch-and-bound, k-best and the preference-based approach. The main contribution of this research lies in the fact that no research was presented to date reporting a systematic experimental analysis of exact algorithms for the Multiobjective Spanning Tree Problem. Therefore, this work can be a basis for other research that deal with the same problem. The computational experiments compare the performance of algorithms regarding processing time, efficiency based on the number of objectives and number of solutions found in a controlled time interval. The analysis of the algorithms was performed for known instances of the problem, as well as instances obtained from a generator commonly used in the literature

Uma investigação de algoritmos exatos e metaheurísticos aplicados ao nonograma

Nonogram is a logical puzzle whose associated decision problem is NP-complete. It has applications in pattern recognition problems and data compression, among others. The puzzle consists in determining an assignment of colors to pixels distributed in a N  M matrix that satisfies line and column constraints. A Nonogram is encoded by a vector whose elements specify the number of pixels in each row and column of a figure without specifying their coordinates. This work presents exact and heuristic approaches to solve Nonograms. The depth first search was one of the chosen exact approaches because it is a typical example of brute search algorithm that is easy to implement. Another implemented exact approach was based on the Las Vegas algorithm, so that we intend to investigate whether the randomness introduce by the Las Vegas-based algorithm would be an advantage over the depth first search. The Nonogram is also transformed into a Constraint Satisfaction Problem. Three heuristics approaches are proposed: a Tabu Search and two memetic algorithms. A new function to calculate the objective function is proposed. The approaches are applied on 234 instances, the size of the instances ranging from 5 x 5 to 100 x 100 size, and including logical and random Nonograms

Algoritmos experimentais para o problema biobjetivo da árvore geradora quadrática em adjacência de arestas

The Quadratic Minimum Spanning Tree (QMST) problem is a generalization of the Minimum Spanning Tree problem in which, beyond linear costs associated to each edge, quadratic costs associated to each pair of edges must be considered. The quadratic costs are due to interaction costs between the edges. When interactions occur between adjacent edges only, the problem is named Adjacent Only Quadratic Minimum Spanning Tree (AQMST). Both QMST and AQMST are NP-hard and model a number of real world applications involving infrastructure networks design. Linear and quadratic costs are summed in the mono-objective versions of the problems. However, real world applications often deal with conflicting objectives. In those cases, considering linear and quadratic costs separately is more appropriate and multi-objective optimization provides a more realistic modelling. Exact and heuristic algorithms are investigated in this work for the Bi-objective Adjacent Only Quadratic Spanning Tree Problem. The following techniques are proposed: backtracking, branch-and-bound, Pareto Local Search, Greedy Randomized Adaptive Search Procedure, Simulated Annealing, NSGA-II, Transgenetic Algorithm, Particle Swarm Optimization and a hybridization of the Transgenetic Algorithm with the MOEA-D technique. Pareto compliant quality indicators are used to compare the algorithms on a set of benchmark instances proposed in literature.

Algoritmos experimentais para o problema biobjetivo da árvore geradora quadrática em adjacência de arestas

The Quadratic Minimum Spanning Tree (QMST) problem is a generalization of the Minimum Spanning Tree problem in which, beyond linear costs associated to each edge, quadratic costs associated to each pair of edges must be considered. The quadratic costs are due to interaction costs between the edges. When interactions occur between adjacent edges only, the problem is named Adjacent Only Quadratic Minimum Spanning Tree (AQMST). Both QMST and AQMST are NP-hard and model a number of real world applications involving infrastructure networks design. Linear and quadratic costs are summed in the mono-objective versions of the problems. However, real world applications often deal with conflicting objectives. In those cases, considering linear and quadratic costs separately is more appropriate and multi-objective optimization provides a more realistic modelling. Exact and heuristic algorithms are investigated in this work for the Bi-objective Adjacent Only Quadratic Spanning Tree Problem. The following techniques are proposed: backtracking, branch-and-bound, Pareto Local Search, Greedy Randomized Adaptive Search Procedure, Simulated Annealing, NSGA-II, Transgenetic Algorithm, Particle Swarm Optimization and a hybridization of the Transgenetic Algorithm with the MOEA-D technique. Pareto compliant quality indicators are used to compare the algorithms on a set of benchmark instances proposed in literature.

Busca heurística através de algoritmo genético e memético com construção de vocábulos para o problema de atribuição de localidades a anéis Sonet

Telecommunications play a key role in contemporary society. However, as new technologies are put into the market, it also grows the demanding for new products and services that depend on the offered infrastructure, making the problems of planning telecommunications networks, despite the advances in technology, increasingly larger and complex. However, many of these problems can be formulated as models of combinatorial optimization, and the use of heuristic algorithms can help solving these issues in the planning phase. In this project it was developed two pure metaheuristic implementations Genetic algorithm (GA) and Memetic Algorithm (MA) plus a third hybrid implementation Memetic Algorithm with Vocabulary Building (MA+VB) for a problem in telecommunications that is known in the literature as Problem SONET Ring Assignment Problem or SRAP. The SRAP arises during the planning stage of the physical network and it consists in the selection of connections between a number of locations (customers) in order to meet a series of restrictions on the lowest possible cost. This problem is NP-hard, so efficient exact algorithms (in polynomial complexity ) are not known and may, indeed, even exist

O problema biobjetivo da árvore geradora quadrática em adjacência de arestas

The Quadratic Minimum Spanning Tree Problem (QMST) is a version of the Minimum Spanning Tree Problem in which, besides the traditional linear costs, there is a quadratic structure of costs. This quadratic structure models interaction effects between pairs of edges. Linear and quadratic costs are added up to constitute the total cost of the spanning tree, which must be minimized. When these interactions are restricted to adjacent edges, the problem is named Adjacent Only Quadratic Minimum Spanning Tree (AQMST). AQMST and QMST are NP-hard problems that model several problems of transport and distribution networks design. In general, AQMST arises as a more suitable model for real problems. Although, in literature, linear and quadratic costs are added, in real applications, they may be conflicting. In this case, it may be interesting to consider these costs separately. In this sense, Multiobjective Optimization provides a more realistic model for QMST and AQMST. A review of the state-of-the-art, so far, was not able to find papers regarding these problems under a biobjective point of view. Thus, the objective of this Thesis is the development of exact and heuristic algorithms for the Biobjective Adjacent Only Quadratic Spanning Tree Problem (bi-AQST). In order to do so, as theoretical foundation, other NP-hard problems directly related to bi-AQST are discussed: the QMST and AQMST problems. Bracktracking and branch-and-bound exact algorithms are proposed to the target problem of this investigation. The heuristic algorithms developed are: Pareto Local Search, Tabu Search with ejection chain, Transgenetic Algorithm, NSGA-II and a hybridization of the two last-mentioned proposals called NSTA. The proposed algorithms are compared to each other through performance analysis regarding computational experiments with instances adapted from the QMST literature. With regard to exact algorithms, the analysis considers, in particular, the execution time. In case of the heuristic algorithms, besides execution time, the quality of the generated approximation sets is evaluated. Quality indicators are used to assess such information. Appropriate statistical tools are used to measure the performance of exact and heuristic algorithms. Considering the set of instances adopted as well as the criteria of execution time and quality of the generated approximation set, the experiments showed that the Tabu Search with ejection chain approach obtained the best results and the transgenetic algorithm ranked second. The PLS algorithm obtained good quality solutions, but at a very high computational time compared to the other (meta)heuristics, getting the third place. NSTA and NSGA-II algorithms got the last positions

O problema do Hiker Dice em tabuleiro compacto: um estudo algorítmico

The Hiker Dice was a game recently proposed in a software designed by Mara Kuzmich and Leonardo Goldbarg. In the game a dice is responsible for building a trail on an n x m board. As the dice waits upon a cell on the board, it prints the side that touches the surface. The game shows the Hamiltonian Path Problem Simple Maximum Hiker Dice (Hidi-CHS) in trays Compact Nth , this problem is then characterized by looking for a Hamiltonian Path that maximize the sum of marked sides on the board. The research now related, models the problem through Graphs, and proposes two classes of solution algorithms. The first class, belonging to the exact algorithms, is formed by a backtracking algorithm planed with a return through logical rules and limiting the best found solution. The second class of algorithms is composed by metaheuristics type Evolutionary Computing, Local Ramdomized search and GRASP (Greed Randomized Adaptative Search). Three specific operators for the algorithms were created as follows: restructuring, recombination with two solutions and random greedy constructive.The exact algorithm was teste on 4x4 to 8x8 boards exhausting the possibility of higher computational treatment of cases due to the explosion in processing time. The heuristics algorithms were tested on 5x5 to 14x14 boards. According to the applied methodology for evaluation, the results acheived by the heuristics algorithms suggests a better performance for the GRASP algorithm

Aptidão agrícola e algoritmos genéticos na organização espacial em projetos de reforma agrária

A definição das parcelas familiares em projetos de reforma agrária envolve questões técnicas e sociais. Essas questões estão associadas principalmente às diferentes aptidões agrícolas do solo nestes projetos. O objetivo deste trabalho foi apresentar método para realizar o processo de ordenamento territorial em assentamentos de reforma agrária empregando Algoritmo Genético (AG). O AG foi testado no Projeto de Assentamento Veredas, em Minas Gerais, e implementado com base no sistema de aptidão agrícola das terras.

Análise da difusão tecnológica usando algoritmos genéticos

Este artigo avalia os diferentes impactos de variáveis relevantes na descoberta e na difusão de tecnologias, em mercados de alta competitividade. O objetivo foi identificar possibilidades de convívio de diferentes grupos estratégicos, associados ao uso ou à produção de tecnologias convencionais ou inovadoras. Foi utilizado um método matemático de busca e otimização, inspirado nos mecanismos da genética e na evolução de população de seres vivos. Os resultados obtidos sugerem que a interação entre empresas inovadoras pode, simultaneamente, permitir um aprimoramento da tecnologia e criar obstáculos para a entrada de novos competidores. Apesar de ser uma simplificação que não permite incorporar toda a complexidade do mercado, o modelo possibilita uma investigação dos comportamentos corporativos e de evolução de estratégias tecnológicas, principalmente em situações em que é difícil levantar dados empíricos ou em que casos específicos não permitem generalizações de evidências.

Aprendizagem automática baseada em algoritmos genéticos

Ao me ter sido apresentado o tema focado neste trabalho, a curiosidade apoderou-se de mim para tentar perceber o que eram os algoritmos genéticos, a aprendizagem automática e a aplicação dos algoritmos genéticos sobre este tipo de aprendizagem e onde é que estas técnicas podiam ser aplicadas. Assim, neste trabalho é realizado um estudo destes temas relativamente ao seu funcionamento, aplicabilidade, problemas e soluções existentes, bem como, a comparação entre duas das mais conhecidas abordagens ao nível da aprendizagem automática baseada em algoritmos genéticos. São no fim apresentados programas exemplificativos de implementações de aplicação de algoritmos genéticos a problemas de optimização/descoberta e de aprendizagem automática. Este texto está organizado em cinco capítulos, sendo o primeiro a introdução, o segundo é uma apresentação dos algoritmos genéticos, no terceiro capítulo é apresentada a técnica de aprendizagem automática baseada em algoritmos genéticos, as suas diferentes abordagens e implementações, aplicabilidade e comparação entre abordagens. No quarto capítulo são apresentados alguns exemplos práticos que pretendem demonstrar a forma como se implementam algumas das abordagens referidas nos capítulos anteriores com o intuito de ver o seu funcionamento na prática e comparar diferentes algoritmos no mesmo problema.

Análise funcional comparativa de algoritmos de aprendizagem por reforço

De entre todos os paradigmas de aprendizagem actualmente identificados, a Aprendizagem por Reforço revela-se de especial interesse e aplicabilidade nos inúmeros processos que nos rodeiam: desde a solitária sonda que explora o planeta mais remoto, passando pelo programa especialista que aprende a apoiar a decisão médica pela experiencia adquirida, até ao cão de brincar que faz as delícias da criança interagindo com ela e adaptando-se aos seus gostos, e todo um novo mundo que nos rodeia e apela crescentemente a que façamos mais e melhor nesta área. Desde o aparecimento do conceito de aprendizagem por reforço, diferentes métodos tem sido propostos para a sua concretização, cada um deles abordando aspectos específicos. Duas vertentes distintas, mas complementares entre si, apresentam-se como características chave do processo de aprendizagem por reforço: a obtenção de experiência através da exploração do espaço de estados e o aproveitamento do conhecimento obtido através dessa mesma experiência. Esta dissertação propõe-se seleccionar alguns dos métodos propostos mais promissores de ambas as vertentes de exploração e aproveitamento, efectuar uma implementação de cada um destes sobre uma plataforma modular que permita a simulação do uso de agentes inteligentes e, através da sua aplicação na resolução de diferentes configurações de ambientes padrão, gerar estatísticas funcionais que permitam inferir conclusões que retractem entre outros aspectos a sua eficiência e eficácia comparativas em condições específicas.

Desenvolvimento de algoritmos para a determinação da máxima injeção nodal em redes de energia elétrica

A presente dissertação apresenta um conjunto de algoritmos, cujo objetivo é a determinação da capacidade máxima de energia que é possível integrar numa rede de energia elétrica, seja num único nó ou em vários nós simultaneamente. Deste modo, obtém-se uma indicação dos locais mais adequados à nova instalação de geração e quais os reforços de rede necessários, de forma a permitirem a alocação da nova energia. Foram estudados e identificados os fatores que influenciam o valor da capacidade máxima nodal, assim como as suas consequências no funcionamento da rede, em particular o carácter simultâneo associado às referidas injeções nodais. Nesse sentido, são apresentados e desenvolvidos algoritmos que têm em consideração as características técnicas da geração a ligar e as restrições físicas impostas pela rede elétrica existente. Os algoritmos desenvolvidos apresentados baseiam-se em busca gaussiana, tendo sido igualmente implementada uma heurística que tem em consideração a proximidade de outras injeções em nós adjacentes e finalmente, dada a natureza combinatória do problema, propõe-se a aplicação de algoritmos genéticos especificamente adaptados ao problema Conclui-se que os algoritmos genéticos encerram características que lhes permitem ser aplicados em qualquer topologia com resultados superiores a todos os algoritmos desenvolvidos. Os métodos apresentados foram desenvolvidos e implementados usando a linguagem de programação Python, tendo-se desenvolvido ainda um interface visual ao utilizador, baseado em wxPython, onde estão implementadas diversas ferramentas que possibilitam a execução dos algoritmos, a configuração dos seus parâmetros e ainda o acesso à informação resultante dos algoritmos em formato Excel.

Comparação do cálculo de dose com os algoritmos Analytical Anisotropic Algorithm e Pencil Beam Convolution na patologia de pulmão

Mestrado em Radioterapia.

Optimização dos parâmetros de um robô hexápode através de algoritmos genéticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores