Many-core Algorithms for Combinatorial Optimization

Combinatorial Optimization is becoming ever more crucial, in these days. From natural sciences to economics, passing through urban centers administration and personnel management, methodologies and algorithms with a strong theoretical background and a consolidated real-word effectiveness is more and more requested, in order to find, quickly, good solutions to complex strategical problems. Resource optimization is, nowadays, a fundamental ground for building the basements of successful projects. From the theoretical point of view, Combinatorial Optimization rests on stable and strong foundations, that allow researchers to face ever more challenging problems. However, from the application point of view, it seems that the rate of theoretical developments cannot cope with that enjoyed by modern hardware technologies, especially with reference to the one of processors industry. In this work we propose new parallel algorithms, designed for exploiting the new parallel architectures available on the market. We found that, exposing the inherent parallelism of some resolution techniques (like Dynamic Programming), the computational benefits are remarkable, lowering the execution times by more than an order of magnitude, and allowing to address instances with dimensions not possible before. We approached four Combinatorial Optimization’s notable problems: Packing Problem, Vehicle Routing Problem, Single Source Shortest Path Problem and a Network Design problem. For each of these problems we propose a collection of effective parallel solution algorithms, either for solving the full problem (Guillotine Cuts and SSSPP) or for enhancing a fundamental part of the solution method (VRP and ND). We endorse our claim by presenting computational results for all problems, either on standard benchmarks from the literature or, when possible, on data from real-world applications, where speed-ups of one order of magnitude are usually attained, not uncommonly scaling up to 40 X factors.

Opportunistic Routing for Multi-flow Video Dissemination over Flying Ad-Hoc Networks

A reliable and robust routing service for Flying Ad-Hoc Networks (FANETs) must be able to adapt to topology changes. User experience on watching live video sequences must also be satisfactory even in scenarios with buffer overflow and high packet loss ratio. In this paper, we introduce a Cross-layer Link quality and Geographical-aware beaconless opportunistic routing protocol (XLinGO). It enhances the transmission of simultaneous multiple video flows over FANETs by creating and keeping reliable persistent multi-hop routes. XLinGO considers a set of cross-layer and human-related information for routing decisions, as performance metrics and Quality of Experience (QoE). Performance evaluation shows that XLinGO achieves multimedia dissemination with QoE support and robustness in a multi-hop, multi-flow, and mobile network environments.

MILP for the inventory and routing problem for replenishment the car assembly line.

The inbound logistic for feeding the workstation inside the factory represents a critical issue in the car manufacturing industry. Nowadays, this issue is even more critical than in the past since more types of car are being produced in the assembly lines. Consequently, as workstations have to install many types of components, they also need to have an inventory of different types of the component in a compact space. The replenishment is a critical issue since a lack of inventory could cause line stoppage or reworking. On the other hand, an excess of inventory could increase the holding cost or even block the replenishment paths. The decision of the replenishment routes cannot be made without taking into consideration the inventory needed by each station during the production time which will depend on the production sequence. This problem deals with medium-sized instances and it is solved using online solvers. The contribution of this paper is a MILP for the replenishment and inventory of the components in a car assembly line.

Premium e-grocery:exploring value in logistics integrated service solutions

E-grocery is gradually becoming viable or a necessity for many families. Yet, most e-supermarkets are seen as providers of low value "staple" and bulky goods mainly. While each store has a large number of SKU available, these products are mainly necessity goods with low marginal value for hedonistic consumption. A need to acquire diverse products (e.g., organic), premium priced products (e.g., wine) for special occasions (e.g., anniversary, birthday), or products just for health related reasons (e.g., allergies, diabetes) are yet to be served via one-stop e-tailers. In this paper, we design a mathematical model that takes into account consumers' geo-demographics and multi-product sourcing capacity for creating critical mass and profit. Our mathematical model is a variant of Capacitated Vehicle Routing Problem with Time Windows (CVRPTW), which we extend by adding intermediate locations for trucks to meet and exchange goods. We illustrate our model for the city of Istanbul using GIS maps, and discuss its various extensions as well as managerial implications.

Adaptive Routing and Multi-Agent Control for Information Flows in IP-Networks

The principles of adaptive routing and multi-agent control for information flows in IP-networks.

A new VRPPD model and a hybrid heuristic solution approach for e-tailing

We analyze a business model for e-supermarkets to enable multi-product sourcing capacity through co-opetition (collaborative competition). The logistics aspect of our approach is to design and execute a network system where “premium” goods are acquired from vendors at multiple locations in the supply network and delivered to customers. Our specific goals are to: (i) investigate the role of premium product offerings in creating critical mass and profit; (ii) develop a model for the multiple-pickup single-delivery vehicle routing problem in the presence of multiple vendors; and (iii) propose a hybrid solution approach. To solve the problem introduced in this paper, we develop a hybrid metaheuristic approach that uses a Genetic Algorithm for vendor selection and allocation, and a modified savings algorithm for the capacitated VRP with multiple pickup, single delivery and time windows (CVRPMPDTW). The proposed Genetic Algorithm guides the search for optimal vendor pickup location decisions, and for each generated solution in the genetic population, a corresponding CVRPMPDTW is solved using the savings algorithm. We validate our solution approach against published VRPTW solutions and also test our algorithm with Solomon instances modified for CVRPMPDTW.

Optimizing last mile delivery using public transport with multiagent based control

The majority of research work carried out in the field of Operations-Research uses methods and algorithms to optimize the pick-up and delivery problem. Most studies aim to solve the vehicle routing problem, to accommodate optimum delivery orders, vehicles etc. This paper focuses on green logistics approach, where existing Public Transport infrastructure capability of a city is used for the delivery of small and medium sized packaged goods thus, helping improve the situation of urban congestion and greenhouse gas emissions reduction. It carried out a study to investigate the feasibility of the proposed multi-agent based simulation model, for efficiency of cost, time and energy consumption. Multimodal Dijkstra Shortest Path algorithm and Nested Monte Carlo Search have been employed for a two-phase algorithmic approach used for generation of time based cost matrix. The quality of the tour is dependent on the efficiency of the search algorithm implemented for plan generation and route planning. The results reveal a definite advantage of using Public Transportation over existing delivery approaches in terms of energy efficiency.

基于整车配送的多仓库开路VRPTW问题的研究与实现

以整车销售物流为背景,探讨多仓库带时窗约束的车辆路线安排问题的解决方法.提出了更为复杂的基于现实的细节性要求的多配送中心开路VRPTW问题模型,并将遗传算法产生部分解和评估完整解的优化解决方法和涌现交叉算子MX1引入到带时窗的多仓库VRP问题优化中,实现了快速全局优化.提出的开路混合配送方法有利于提高车辆满载率,降低回程空载率.同时实现了运输资源的优化配置,提高车辆利用率.计算机仿真实验证明了算法的可行性.

Monitoring of urban transportation networks using wireless sensor networks

Dissertação de mestrado, Engenharia Informática, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Une heuristique à grand voisinage pour un problème de confection de tournée pour un seul véhicule avec cueillettes et livraisons et contrainte de chargement

Dans ce mémoire, nous présentons un nouveau type de problème de confection de tour- née pour un seul véhicule avec cueillettes et livraisons et contrainte de chargement. Cette variante est motivée par des problèmes similaires rapportés dans la littérature. Le véhi- cule en question contient plusieurs piles où des colis de hauteurs différentes sont empilés durant leur transport. La hauteur totale des items contenus dans chacune des piles ne peut dépasser une certaine hauteur maximale. Aucun déplacement n’est permis lors de la li- vraison d’un colis, ce qui signifie que le colis doit être sur le dessus d’une pile au moment d’être livré. De plus, tout colis i ramassé avant un colis j et contenu dans la même pile doit être livré après j. Une heuristique à grand voisinage, basé sur des travaux récents dans le domaine, est proposée comme méthode de résolution. Des résultats numériques sont rapportés pour plusieurs instances classiques ainsi que pour de nouvelles instances.

Méthodes exactes et heuristiques pour le problème de tournées de véhicules avec fenêtres de temps et réutilisation de véhicules

Cette thèse porte sur les problèmes de tournées de véhicules avec fenêtres de temps où un gain est associé à chaque client et où l'objectif est de maximiser la somme des gains recueillis moins les coûts de transport. De plus, un même véhicule peut effectuer plusieurs tournées durant l'horizon de planification. Ce problème a été relativement peu étudié en dépit de son importance en pratique. Par exemple, dans le domaine de la livraison de denrées périssables, plusieurs tournées de courte durée doivent être combinées afin de former des journées complètes de travail. Nous croyons que ce type de problème aura une importance de plus en plus grande dans le futur avec l'avènement du commerce électronique, comme les épiceries électroniques, où les clients peuvent commander des produits par internet pour la livraison à domicile. Dans le premier chapitre de cette thèse, nous présentons d'abord une revue de la littérature consacrée aux problèmes de tournées de véhicules avec gains ainsi qu'aux problèmes permettant une réutilisation des véhicules. Nous présentons les méthodologies générales adoptées pour les résoudre, soit les méthodes exactes, les méthodes heuristiques et les méta-heuristiques. Nous discutons enfin des problèmes de tournées dynamiques où certaines données sur le problème ne sont pas connues à l'avance. Dans le second chapitre, nous décrivons un algorithme exact pour résoudre un problème de tournées avec fenêtres de temps et réutilisation de véhicules où l'objectif premier est de maximiser le nombre de clients desservis. Pour ce faire, le problème est modélisé comme un problème de tournées avec gains. L'algorithme exact est basé sur une méthode de génération de colonnes couplée avec un algorithme de plus court chemin élémentaire avec contraintes de ressources. Pour résoudre des instances de taille réaliste dans des temps de calcul raisonnables, une approche de résolution de nature heuristique est requise. Le troisième chapitre propose donc une méthode de recherche adaptative à grand voisinage qui exploite les différents niveaux hiérarchiques du problème (soit les journées complètes de travail des véhicules, les routes qui composent ces journées et les clients qui composent les routes). Dans le quatrième chapitre, qui traite du cas dynamique, une stratégie d'acceptation et de refus des nouvelles requêtes de service est proposée, basée sur une anticipation des requêtes à venir. L'approche repose sur la génération de scénarios pour différentes réalisations possibles des requêtes futures. Le coût d'opportunité de servir une nouvelle requête est basé sur une évaluation des scénarios avec et sans cette nouvelle requête. Enfin, le dernier chapitre résume les contributions de cette thèse et propose quelques avenues de recherche future.

Problèmes de tournées de véhicules avec contraintes de chargement

Cette thèse s’intéresse aux problèmes de tournées de véhicules où l’on retrouve des contraintes de chargement ayant un impact sur les séquences de livraisons permises. Plus particulièrement, les items placés dans l’espace de chargement d’un véhicule doivent être directement accessibles lors de leur livraison sans qu’il soit nécessaire de déplacer d’autres items. Ces problèmes sont rencontrés dans plusieurs entreprises de transport qui livrent de gros objets (meubles, électroménagers). Le premier article de cette thèse porte sur une méthode exacte pour un problème de confection d’une seule tournée où un véhicule, dont l’aire de chargement est divisée en un certain nombre de piles, doit effectuer des cueillettes et des livraisons respectant une contrainte de type dernier entré, premier sorti. Lors d’une collecte, les items recueillis doivent nécessairement être déposés sur le dessus de l’une des piles. Par ailleurs, lors d’une livraison, les items doivent nécessairement se trouver sur le dessus de l’une des piles. Une méthode de séparation et évaluation avec plans sécants est proposée pour résoudre ce problème. Le second article présente une méthode de résolution exacte, également de type séparation et évaluation avec plans sécants, pour un problème de tournées de véhicules avec chargement d’items rectangulaires en deux dimensions. L’aire de chargement des véhicules correspond aussi à un espace rectangulaire avec une orientation, puisque les items doivent être chargés et déchargés par l’un des côtés. Une contrainte impose que les items d’un client soient directement accessibles au moment de leur livraison. Le dernier article aborde une problème de tournées de véhicules avec chargement d’items rectangulaires, mais où les dimensions de certains items ne sont pas connus avec certitude lors de la planification des tournées. Il est toutefois possible d’associer une distribution de probabilités discrète sur les dimensions possibles de ces items. Le problème est résolu de manière exacte avec la méthode L-Shape en nombres entiers.

Um algoritmo híbrido para o problema de roteamento de veículos com frotas heterogêneas

This paper aims to propose a hybrid meta-heuristics for the Heterogeneous Fleet Vehicle Routing Problem (HVRP), which is a combinatorial optimization problem NP-hard, and is characterized by the use of a limited fleet consists of different vehicles with different capacities. The hybrid method developed makes use of a memetic algorithm associated with the component optimizer Vocabulary Building. The resulting hybrid meta-heuristic was implemented in the programming language C + + and computational experiments generated good results in relation to meta-heuristic applied in isolation, proving the efficiency of the proposed method.

Um estudo algorítmico da programação da intervenção de sondas de produção

This work approaches the Scheduling Workover Rigs Problem (SWRP) to maintain the wells of an oil field, although difficult to resolve, is extremely important economical, technical and environmental. A mathematical formulation of this problem is presented, where an algorithmic approach was developed. The problem can be considered to find the best scheduling service to the wells by the workover rigs, taking into account the minimization of the composition related to the costs of the workover rigs and the total loss of oil suffered by the wells. This problem is similar to the Vehicle Routing Problem (VRP), which is classified as belonging to the NP-hard class. The goal of this research is to develop an algorithmic approach to solve the SWRP, using the fundamentals of metaheuristics like Memetic Algorithm and GRASP. Instances are generated for the tests to analyze the computational performance of the approaches mentioned above, using data that are close to reality. Thereafter, is performed a comparison of performance and quality of the results obtained by each one of techniques used