Разработка и анализ генетических и гибридных алгоритмов для решения задач дискретной оптимизации
Диссертация
Предложен и реализован новый вариант генетического алгоритма для задачи о наименьшем покрытии множества, в котором используется новый оператор кроссинговера, основанный на решении вспомогательной оптимизационной задачи. Разработана комбинация метода перебора L-классов с генетическим алгоритмом и другими эвристиками. Экспериментальные исследования показали перспективность предложенных алгоритмов… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Постановки задач и методы их решения
- 1. 1. Формулировки задач и некоторые
- приложения
- 1. 2. Генетические алгоритмы
- 1. 3. Генетический алгоритм для задачи целочисленного линейного программирования
- 1. 4. Алгоритм перебора L-классов для задачи целочисленного линейного программирования
- 1. 5. Гибридный алгоритм для задачи целочисленного линейного программирования
- Глава 2. Генетический и гибридный алгоритмы для задачи о наименьшем покрытии множества
- 2. 1. Представление решений и общая схема предлагаемого генетического алгоритма щ 2.2 Основные операторы генетического алгоритма с недвоичным представлением решений
- 2. 3. Гибридный алгоритм
- 2. 4. Вычислительный эксперимент
- Глава 3. Приближенные алгоритмы для задачи вершинно-го покрытия
- 3. 1. О сложности решения задачи о вершинном покрытии с априорной оценкой точности
- 3. 2. Приближенное решение задачи о вершинном покрытии на графе с плотными весами
- 3. 3. Генетический алгоритм для задачи о вершинном покрытии
- 3. 4. Вычислительный эксперимент
- Глава 4. Моделирование и анализ одного эволюционного процесса
- 4. 1. Схема алгоритма и некоторые известные результаты
- 4. 2. Описание предлагаемой модели
- 4. 3. Оценки доли особей с заданной пригодностью
- 4. 4. Примеры использования модели
- 4. 5. Вычислительный эксперимент
Список литературы
- Александров Д.А. Алгоритм муравьиной колонии для задачи о минимальном покрытии //XI междунар. Байкальская школа-семинар «Методы оптимизации и их приложения»: Труды, Т.З. -Иркутск, 1998. С.17−20.
- Берж К. Теория графов и ее приложения. М.: ИЛ, 1962. — 316 с.
- Батищев Д.И. Генетические алгоритмы решения экстремальных задач // Учебное пособие. Воронеж: Воронеж, гос. техн. ун-т, 1995. — 69 с.
- Бахтин А.Б., Колоколов А. А., Коробкова З. В. Дискретные задачи производственно-транспортного типа. Новосибирск: Наука, 1978. — 167 с.
- Береснев В.Л., Гимади Э. Х., Деменьтьев В. Т. Экстремальные задачи стандартизации. Новосибирск: Наука, 1978. — 385 с.
- Букатова И.Л. Эволюционное моделирование и его приложения.- М.: Наука, 1979. 231 с.
- Букатова И.Л., Михасев Ю. И., Шаров A.M. Эвоинформатика: Теория и практика эволюционного моделирования М.: Наука, 1991.- 206 с.
- Булатов В.П. Методы погружения в задачах оптимизации. Новосибирск: Наука, 1977. — 161 с.
- Герман О.В., Ефремов О. В. Алгоритм решения обобщенной задачи о покрытии // Экон. и мат. методы. 1998. Т. 34. — N 4. -С.134−140.
- Гончаров Е. Н., Кочетов Ю. А. Поведение вероятностных жадных алгоритмов для многостадийной задачи размещения // Дискретный анализ и исследование операций 1999. — Серия 2, Т. 6, N 1. — С.12−32.
- Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины и труднорешае-мые задачи. -М.: Мир, 1982. 416 с.
- Девятерикова М.В., Колоколов А. А. Об устойчивости дробных накрытий задач целочисленного программирования / / Между-нар. конф. «Проблемы оптимизации и экономические приложения»: Тез. докл. Омск, 1997. — С.59−61.
- Еремеев А.В. Анализ эффективности генетического алгоритма для некоторых задач дискретной оптимизации //11 Всерос. конф. «Математическое программирование и приложения»: Тез. докл.-Информ. бюлл. АМП N 8. Екатеринбург, 1999. — С.98.
- Еремеев А.В. Генетические алгоритмы и некоторые задачи дискретной оптимизации // Междунар. конф. «Проблемы оптимизации и экономические приложения»: Тез. докл. Омск, 1997. -С.68.
- Еремеев А.В. Генетический алгоритм для задачи о наименьшем покрытии множества // Междунар. конф. по исследованию операций: Тез. докл. Новосибирск, 1998. — С.107.
- Еремеев А.В. Исследование приближенного алгоритма для всюду плотной задачи вершинного покрытия //XI междунар. Байкальская школа-семинар «Методы оптимизации и их приложения»: Труды, Т.1. Иркутск, 1998. — С.131−134.
- Еремин И.И. Теория линейной оптимизации. Екатеринбург: Изд-во ИММ, 1998. — 247 с.
- Емеличев В.А., Ковалев М. М., Кравцов М. К. Многогранники, графы, оптимизация (комбинаторная теория алгоритмов). -М.: Наука, 1981. 344 с.
- Жихалкина Н.Ф., Файзулин Р. Т. Гравитационная и генетическая аналогии в задаче безусловной оптимизации //Междунар. конф. «Проблемы оптимизации и экономические приложения»: Тез. докл. Омск, 1997. — С.71.
- Заблоцкая О.А. Нижняя оценка числа итераций для одного алгоритма лексикографической оптимизации// Дискретная оптимизация и численные методы решения прикладных задач. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1986. — С.21−27.
- Загоруйко Н.Г. Прикладные методы анализа данных и знаний. -Новосибирск: Изд-во Ин-та математики, 1999. 270 с.
- Заикина Г. М., Колоколов А. А., Леванова Т. В. Экспериментальное сравнение некоторых методов целочисленного программирования // Методы решения и анализа задач дискретной оптимизации. Омск, 1992. — С.25−41.
- Заозерская Л.А. Об одном алгоритме перебора L-классов для решения задачи о покрытии множества // XI междунар. Байкальская школа-семинар «Методы оптимизации и их приложения»: Труды, Т.1. Иркутск, 1998. — С.139−142.
- Заозерская JI.А. Исследование и решение некоторых классов задач целочисленного программирования на основе регулярных разбиений: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Омск, 1998. -16 с.
- Зыков А.А. Основы теории графов. М.: Наука, — 1987. — 384 с.
- Ивахненко А.Г. Системы эвристической самоорганизации в технической кибернетике. Киев: Техника, — 1971. — 372 с.
- Ильев В.П., Леванова Т. В. Анализ градиентного алгоритма минимизации супермодулярной функции на матроиде// XI между-нар. Байкальская школа-семинар «Методы оптимизации и их приложения»: Труды, Т.1. Иркутск, 1998. — С.143−146.
- Кемени Дж., Снелл Дж. Конечные цепи Маркова. Наука, 1970. -272 с.
- Ковалев М.М. Дискретная оптимизация (целочисленное программирование). Минск: БГУ, 1977. — 192 с.
- Колоколов А.А. Методы дискретной оптимизации // Учебное пособие. Омск: ОмГУ, 1984. — 75 с.
- Колоколов А.А. О лексикографической структуре некоторых выпуклых многогранных множеств// Тез. докл. V Всесоюз. конф. по проблемам теоретической кибернетики. Новосибирск, — 1980. — С.77−79.
- Колоколов А.А. Регулярные разбиения в целочисленном программировании / / Методы решения и анализа задач дискретной оптимизации. Омск: ОмГУ, 1992. — С.67−93.
- Колоколов А.А. Регулярные разбиения и отсечения в целочисленном программировании // Сиб. журн. исслед. операций. Новосибирск. — 1994. — Т.1, N 2. — С.18−39.
- Колоколов А.А., Девятерикова М. В. Регулярные разбиения и устойчивость задач целочисленного программирования //11 Все-рос. конф. «Математическое программирование и приложения»: Тез. докл.- Информ. бюлл. АМП N 8. Екатеринбург, 1999. — С.161 — 162.
- Колоколов А.А., Леванова Т. В. Алгоритмы декомпозиции и перебора L-классов для решения некоторых задач размещения // Вестник Омского университета. Омск: ОмГУ, 1996. — N 1. — С.21−23.
- Корбут А.А., Сигал И. Х., Финкелынтейн Ю. Ю. Гибридные методы в дискретной оптимизации // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1988. — N 1. — С.65−77.
- Корбут А.А., Финкелыптейн Ю. Ю. Дискретное программирование. М.: Наука, 1969. — 368 с.
- Крамер Г. Математические методы статистики. М.: Мир, 1975. — 648 с.
- Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978. — 432 с.
- Кузюрин Н.Н. О связи оптимумов в задачах линейного и целочисленного линейного программирования / / Дискретная математика. 1991. — Т. З, Вып.1. — С.98−104.
- Мину М. Математическое программирование. Теория и алгоритмы. М.: Наука, 1990. — 488 с.
- Мухин В.И., Неймарк Ю. И., Ронин Е. И. Автоматная оптимизация с эволюционной адаптацией // Проблемы случайного поиска. Рига: Зинатне, 1973. — С.83−98.
- Попков В.К. Математические модели живучести сетей связи. -Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1990. 235 с.
- Растригин JI.A. Статистические методы поиска. М.: Наука, 1968. — 376 с.
- Сергиенко И.В. Математические модели и методы решения задач дискретной оптимизации. Киев: Наук, думка, 1988. — 472 с.
- Симанчев Р.Ю. О вполне регулярных отсечениях для задач целочисленной оптимизации // Управляемые системы. Новосибирск: ИМ СО АН СССР, 1990. — Вып.ЗО. — С.61−71.
- Стрекаловский А.С., Цевээндоржийн И., Кузнецова А. А. Один способ решения задач «{0,1} программирования» //Междунар. конф. «Проблемы оптимизации и экономические приложения»: Тез. докл. — Омск, 1997. — С.150.
- Схрейвер А. Теория линейного и целочисленного программирования. Т.2. М.: Мир. 1991. — 342 с.
- Фогель JL, Оуэне А., Уолш М. Искусственный интеллект и эволюционное моделирование. М.: Мир, 1969. — 230 с.
- Ху Т. Целочисленное программирование и потоки в сетях. М.: Мир. — 1974. — 520 с.
- Шевченко В.Н. Качественные вопросы целочисленного программирования. М.: Физмат лит. — 1995. — 190 с.
- Aggarwal С.С., Orlin J.B., Tai R.P. An Optimized Crossover for Maximum Independent Set // Operations Research. 1997. — Vol.45.- P.225−234.
- Al-Sultan K., Hussain M., J. Nizami M. A Genetic Algorithm for the Set Covering Problem // J. Oper. Res. Soc. 1996. — Vol. 47. — P.702−709.
- Arora S., Karger D., Karpinski M. Polynomial Time Approximation Schemes for Dense Instances of iVP-Hard Problems // Proc. of 27th ACM Symposium on Theory of Computing. 1995. P.284−293.
- Arora S., Lund C. Hardness of approximations // Approximation Algorithms for NP-Hard Problems/ Ed. by S.D.Hochbaum. PWS Publishing Company, 1995. — P.399−446.
- Back T. The Interaction of Mutation Rate, Selection, and Self-Adaptation Within a Genetic Algorithm // Proc. of Parallel Problem Solving from Nature (PPSN II) / Ed. by R. Manner, B. Manderick.- North Holland, 1993. -P.85−94.
- Balas E., Carrera M.C. A Dynamic Subgradient-Based Branch and Bound Procedure for Set Covering // Oper. Res. 1996. — Vol. 44, N 6. — P.875−890.
- Balash E., Ho A. Set Covering Algorithms Using Cutting Planes, Heuristics and Subgradient Optimization: A Computational Study // Math. Programming. 1980. — Vol. 12. — P.37−60.
- Balas E., Niehaus W. Optimized Crossover-Based Genetic Algorithms for the Maximum Cardinality and Maximum Weight Clique Problems // Journ. of Heuristics. 1998. — Vol. 4, N 4, -P.107−122.
- Battiti R., Protasi M. Reactive Local Search for the Maximum Clique Problem. Report No. TR-95−052. Berkeley: International Computer Science Institute, 1995.
- Bar-Yehuda R., Even S. A Linear Time Approximation Algorithm for the Weighted Vertex Cover Problem // Journal of Algorithms. -1981. Vol. 2. — P.198−203.
- Bar-Yehuda R., Even S. A Local-Ratio Theorem for Approximating the Weighted Vertex Cover Problem // Annals of Discrete Mathematics. 1985. — Vol. 25. — P.27−45.
- Beasley J.E. OR-Library: Distributing Test Problems by Electronic Mail // J. Oper. Res. Soc. 1990. — Vol. 41, N 11. — P.1069−1072.
- Beasley J.E., Chu P.C. A Genetic Algorithm for the Set Covering Problem // European J. Oper. Res. 1996. — Vol. 94, N 2. — P.394−404.
- Beasley J.E., Jornsten K. Enhancing an Algorithm for Set Covering Problems // European J. Oper. Res. 1992. — Vol. 58. — P.293−300.
- Bellare M., Goldreich O., Sudan M. Free Bits and Non-Approximability Towards Tight Results. // Proc. of 36th Annual IEEE Symposium on Foundations of Computer Sciense, 1995. -P.422−431.
- Benders J.F. Partitioning Procedures for Solving of Mixed-Variables Programming Problems// Numer. Math. -1962. Vol. 4, N 3. — P.238−252.
- Caprara A., Fischetti M., Toth P. Algorithms for the Set Covering Problem. Report No. OR-98−3. Bologna: DEIS, University of Bologna, 1998.
- Caprara A., Fischetti M., Toth P., Vigo D. Modeling and Solving the Crew Rostering Problem // Oper. Res. 1998. — Vol. 46 — P.820−830.
- Chvatal V. A Greedy Heuristic for the Set Covering Problem // Mathematics of Oper. Res. 1979. — Vol. 4, N 3. — P.233−235.
- Clementi A.E.F., Trevisan, L. Improved Non-Approximability Results for Vertex Cover with Density Constraints // Proc. of 2nd Computing and Combinatorics Conference (COCOON'96). Berlin: Springer Verlag, 1996. — P.333−342.
- Davis L. Handbook of Genetic Algorithms. New York: Van Nostrand Reinhold, 1991. — 371 p.
- Day R.H. On Optimal Extracting from a Multiple File Data Storage System: An Application of Integer Programming // Oper. Res. -1965. Vol. 13. N 3. — P.482−494.
- Dongarra J.J. Performance of Various Computers Using Standard Linear Equations Software. Report No. CS-89−85. Tennessee: University of Tennessee, 1998.
- Dorigo M., Maniezzo V., Colorny A. Ant System: An Autocatalytic Optimizing Process. Report No. TR-91−016. Milan: Politecnico di Milano, 1991.
- Erdos P. On a Combinatorial Problem // Nordisk Mat. Tidskrift. -1963. Vol. 11. — P.5−10.
- Eremeev A.V. A Genetic Algorithm for Set Covering Problem// International Conference on Operations Research: Abstr. Zurich: ETH, 1998. — P.42.
- Eremeev A.V. A Genetic Algorithm with a Non-Binary Representation for the Set Covering Problem // Proc. of Operations Research (OR'98). Springer Verlag, 1999. — P.175−181.
- Eremeev A.V., Kolokolov A.A. A Hybrid of Genetic and L-class Enumeration Algorithms for Linear Integer Programming Problem // International Conference «Optimal Discrete Structures and Algorithms»: Abstr. Rostock, 1997. — P.21.
- Eremeev A.V. Modeling and Analysis of Genetic Algorithm with Tournament Selection // Proc. of The 4th Artificial Evolution Conference. Dunkerque, 1999. — P.215−226.
- Eremeev A.V. On Some Approximation Algorithms for Dense Vertex Cover Problem // Proc. of Simposium on Operations Research (SOR'99). Springer Verlag, 2000. — P.58−62.
- Eremeev A.V. Some Approximate Algorithms for the Vertex Cover Problem // Simposium on Operations Research (SOR'99): Abstr. -Magdeburg, 1999. -P.46.
- Eremeev A.V., Kolokolov A.A. An Application of Genetic Algorithm and L-class Enumeration to the Integer Programming Problem // Proc. of the 1st Online Workshop on Soft Computing. Nagoya, 1996. — P.104−106.
- Eremeev A.V., Kolokolov A.A. An Application of Genetic Algorithm and L-class Enumeration to the Integer Programming Problem // Proc. of the 4th European Congress on Intelligent Techniques and Soft Computing. Aachen, 1996. — P.476−477.
- Eremeev A.V., Kolokolov A.A. On Some Genetic and L-class Enumeration Algorithms in Integer Programming // Proc. of the First International Conference on Evolutionary Computation and Its Applications. Moscow, 1996. — P.297−303.
- Feige U., Goldwasser S., Lovasz L., Safra S., Szegedy M. Approximating Clique is Almost NP-complete // Proceedings of the 32nd IEEE Symposium on Foundations of Computer Science. 1991. P.2−12.
- Fisher M.L., Kedia P. Optimal Solution of Set Covering Problem Using Dual Heuristics // Manag. Sci. 1990. — Vol. 36, N 8. — P.674−688.
- Fogel L., Owens A.J., Walsh M.J. Intelligent Decisionmaking Though a Simulation of Evolution // IEEE Trans. Prof. Techn. Group on Human Factors in Electronics. 1964. — Vol. 6, N 1. — P.13−23.
- Fulkerson D.R., Nemhauser G.L., Trotter L.E. Two Computationally Difficult Set Covering Problems that Arise in Computing the 1-Width of Incidence Matrices of Steiner Triple Systems // Math. Programming Study. 1974. — Vol. 2. — P.72−81.
- Garey M.R., Johnson D.S., Stockmeyer L. Some Simplified NP-Complete Graph Problems// Theoret. Comput. Sci. 1976. — Vol. 1. — P.237−267.
- Goldberg D.E. Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning. Reading: Addison Wesley, 1989. — 412 p.
- Goldberg M.K., Russell H. Toward Computing m (4) // Ars Combinatoria 1995. — Vol. 3, N 9. — P.139−148.
- Grossman Т., Wool A. Computational Experience with Approximation Algorithms for the Set Covering Problem // European J. Oper. Res. 1997. — Vol. 101, N 1. — P.81−92.
- Halldorsson M.M., Radhakrishnan J. Greed is good: Approximating Independent Sets in Sparse and Bounded-Degree Graphs // Algorithmica. 1997. — Vol. 18. — P.143−163.
- Hasselberg J., Pardalos P.M., Vairaktarakis G. Test Case Generators and Computational Results for the Maximum Clique Problem// Journal of Global Optimization. 1993. N 3. — P.463−482.
- Hastad J. Some Optimal Inapproximability Results. Report No. TR-97−037. Trier: Electronic Colloquium on Computational Complexity, 1997.
- Hochbaum D.S. Approximating Covering and Packing Problems: Set Cover, Vertex Cover, Independent Set, and Related Problems // Approximation Algorithms for ЖР-Hard Problems. / Ed. by S.D.Hochbaum. PWS Publishing Company, 1995. — P.94−143.
- Holland J.H. Outline For a Logical Theory of Adaptive Systems // Journal of the Association for Computing Machinery. 1962. — Vol. 3. — P.297−314.
- Holland J.H. Genetic Algorithms and the Optimal Allocations of Trials // SIAM Journal of Computing. 1973. — Vol. 2, N 2. — P.88−105.
- Karpinski M., Zelikovsky A. Approximating Dense Cases of Covering Problems. Report No. TR-97−001. Trier: Electronic Colloquium on Computational Complexity, 1997.
- Kolokolov A.A., Eremeev A.V., Zaozerskaya L.A. On Hybrid L-class Enumeration and Genetic Algorithm for Set Covering Problem //15-th Conference of Interational Federation of Operational Research Societies (IFORS'99): Abstr. Pekin, 1999. -P.117.
- Korostensky С., Gonnet G. Gap Heuristics and Tree Construction Using Gaps. Report No. 321. Zurich: ETH, Institute of Scientific Computing, 1999.
- Koza J.R. Genetic Programming II: Automatic Discovery of Reusable Programs (Complex Adaptive Systems). MIT Press, 1994.- 746 p.
- Lagarias J.C., Shor P.W. Keller’s Cube-Tiling Conjecture is False in High Dimensions // Bulletin of the AMS. 1992. — Vol. 27, N 2. -P.279−283.
- Mannino C., Sassano A. Solving Hard Set Covering Problems // Oper. Res. Letters. 1995. — Vol. 18. — P. l-5.
- Miihlenbein H. How Genetic Algorithms Really Work: I. Mutation and Hillclimbing // Proceedings of Parallel Problem Solving from Nature (PPSN II) / Ed. by R. Manner and B. Manderick. North Holland, 1993. — P. 15−26.
- Nix A. and Vose M. D. Modeling Genetic Algorithms with Markov Chains // Annals of Mathematics and Artificial Intelligence. 1992.- Vol. 5, P. 79−88.
- Rechenberg I., Evolutionsstrategie: Optimerung Technischer Systeme nach Prinzipen der Biologischen Evolution. Stuttgart: Formann-Holzboog Verlag, 1973. — 170 p.
- Reeves C.R. Genetic Algorithms for the Operations Researcher// INFORMS Journal on Computing. 1997. — Vol. 9, N 3. — R231−250.
- Revelle C., Marks D., Liebman J.C. An Analysis of Private and Public Sector Facilities Location Models // Management Sci. 1970. — Vol. 16, N 12. — P.692−707.
- Ross P. What are Genetic Algorithms Good at? // INFORMS Journal on Computing. 1997. — Vol. 9, N 3. — P.260−262.
- Rudolph G. Convergence Analysis of Canonical Genetic Algorithms // IEEE Transactions on Neural Networks. -1994. Vol. 5, N 1. — P. 96−101.
- Salveson M.E. The Assembly Line Balancing Problem // J. Industrial Engineering. 1955. — Vol. 6. — P.18−25.
- Soriano P., Gendreau M. Solving the Maximum Clique Problem Using a Tabu Search Approach // Annals of Operations Reserach. -1993. Vol. 41. — P.385−403.
- Trauth C.A., Woolsey R.E.D., Integer Programming: a Study in Computational Efficiency // Manag. Science. 1969. — Vol. 15, N 9. — P.481−493.
- Vose M. D. Modeling Simple Genetic Algorithms // Evolutionary Computation. -1995. Vol. 3, N 4. — P.453−472.
- Vose M. D. and Wright A.H. The Walsh Transform and the Theory of the Simple Genetic Algorithm // Genetic Algorithms for Pattern Recognition / Ed. by S.K. Pal, P.P. Wang, 1995. -P. 25−44.
- Walker W. Application of the Set Covering Problem to the Assignment of Ladder Trucks to Fire Houses // Oper. Res. 1974. -Vol. 22. — P.275−277.