scholarly journals Population Diversity in Ant-inspired Optimization Algorithms

2021 ◽  
Vol 22 (3) ◽  
Author(s):  
Aleksander Byrski ◽  
Krzysztof Węgrzyński ◽  
Wojciech Radwański ◽  
Grażyna Starzec ◽  
Mateusz Starzec ◽  
...  

Finding a balance between exploration and exploitation is very important in the case of metaheuristics optimization, especially in the systems leveraging population of individuals expressing (as in Evolutionary Algorithms, etc.) or constructing (as in Ant Colony Optimization) solutions. Premature convergence is a real problem and finding means of its automatic detection and counteracting are of great importance. Measuring diversity in Evolutionary Algorithms working in real-value search space is often computationally complex, but feasible while measuring diversity in combinatorial domain is practically impossible (cf. Closest String Problem). Nevertheless, we propose several practical and feasible diversity measurement techniques dedicated to Ant Colony Optimization algorithms, leveraging the fact that even though analysis of the search space is at least an NP problem, we can focus on the pheromone table, where the direct outcomes of the search are expressed and can be analyzed. Besides proposing the measurement techniques, we apply them to assess the diversity of several variants of ACO, and closely analyze their features for the classic ACO. The discussion of the results is the first step towards applying the proposed measurement techniques in auto-adaptation of the parameters affecting directly the exploitation and exploration features in ACO in the future.

2015 ◽  
Author(s):  
Παναγιώτης Κανάκης

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης για την επίλυση του προβλήματος της βέλτιστης επιλογής διαμέτρων των υπό πίεση αρδευτικών δικτύων που λειτουργούν με καθεστώς ελεύθερης ζήτησης, με ταυτόχρονη βελτιστοποίηση της επιλογής μανομετρικού φορτίου στα αντλιοστάσια. Ο αλγόριθμος ανήκει στην κατηγορία των Αλγορίθμων Βελτιστοποίησης Αποικίας Μυρμηγκιών (Ant Colony Optimization Algorithms, ACO Algorithms), μία κατηγορία σύγχρονων μεθευρετικών μεθόδων που βασίζονται στις διαδικασίες που χρησιμοποιούν τα αληθινά μυρμήγκια για να βρουν τη συντομότερη διαδρομή από τη φωλιά της αποικίας προς την τροφή, μέσω της απόθεσης φερομόνης στις διαδρομές που ακολουθούν. Από τη βιβλιογραφία προκύπτει ότι οι μεθευρετικές μέθοδοι υπερέχουν έναντι των κλασικών μαθηματικών μεθόδων στη βελτιστοποίηση δικτύων διανομής νερού με βρόχους, όπως είναι τα αστικά δίκτυα ύδρευσης. Δεν υπάρχουν όμως εφαρμογές σε ακτινωτά υπό πίεση αρδευτικά δίκτυα. Ο κώδικας προγραμματισμού αναπτύχθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού Fortran. Στον κώδικα ενσωματώθηκαν οι διαδικασίες ελέγχου της ορθής υδραυλικής λειτουργίας των παραγόμενων λύσεων, οι οποίες εφαρμόζονται άμεσα και αφορούν τον έλεγχο του υπολειπόμενου φορτίου στους κόμβους και τη διατήρηση φθίνουσας τάξης μεγέθους των διαμέτρων κατά μήκος των σωληνώσεων του δικτύου. Οι παροχές των αγωγών υπολογίστηκαν με τον πρώτο τύπο του Clément. Οι απώλειες φορτίου υπολογίστηκαν με τη σχέση των Hazen-Williams. Στις διαδικασίες του αλγορίθμου έχουν προστεθεί δύο νέοι μηχανισμοί που βοηθούν στην πιο γρήγορη σύγκλιση στη λύση και στη μείωση του χρόνου εκτέλεσης. Αυτοί οι μηχανισμοί ονομάστηκαν Προσθήκη Φερομόνης 2ου Σταδίου (Second Step Pheromone Addition, SSPA) και Ώθηση Εκκίνησης (Start Boost Mechanism, SBM). Η αποτελεσματικότητά τους, καθώς και η βέλτιστη επιλογή των παραμέτρων του αλγορίθμου, ερευνήθηκε μέσα από μία διαδικασία παραμετρικής ανάλυσης. Η εφαρμογή του αλγορίθμου ACO έγινε στο δίκτυο του αντλιοστασίου άρδευσης Σ9 της τέως λίμνης Γιαννιτσών. Είναι ένα υπό πίεση ακτινωτό δίκτυο ελεύθερης ζήτησης με έκταση περίπου 3000 στρέμματα, με 71 αγωγούς και 110 εγκατεστημένα υδροστόμια. Για την επιλογή των παραμέτρων που είναι απαραίτητες για την εφαρμογή του τύπου του Clément πραγματοποιήθηκε πειραματική διαδικασία στην περιοχή μελέτης. Οι μετρήσεις αφορούσαν την παροχή και πίεση στην έξοδο των υδροστομίων κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Επίσης, συλλέχθηκαν δεδομένα ζητούμενης παροχής και πίεσης από το αντλιοστάσιο καθώς και μετεωρολογικά δεδομένα. Η πειραματική διαδικασία έδειξε ότι ο σχεδιασμός του δικτύου βάσει της μελέτης του δεν ανταποκρίνεται στις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου ACO στο δίκτυο μελέτης απέδειξε ότι η παρούσα κατάσταση λειτουργίας έχει διαφορετικές απαιτήσεις από την θεωρούμενη κατά το σχεδιασμό του δικτύου. Τέλος, για την καλύτερη αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθόδου ACO, έγινε σύγκριση με τα αποτελέσματα της ασυνεχούς μεθόδου του Γραμμικού Προγραμματισμού και της συνεχούς μεθόδου του Μη Γραμμικού Προγραμματισμού.


Entropy ◽  
2020 ◽  
Vol 22 (8) ◽  
pp. 884
Author(s):  
Petr Stodola ◽  
Karel Michenka ◽  
Jan Nohel ◽  
Marian Rybanský

The dynamic traveling salesman problem (DTSP) falls under the category of combinatorial dynamic optimization problems. The DTSP is composed of a primary TSP sub-problem and a series of TSP iterations; each iteration is created by changing the previous iteration. In this article, a novel hybrid metaheuristic algorithm is proposed for the DTSP. This algorithm combines two metaheuristic principles, specifically ant colony optimization (ACO) and simulated annealing (SA). Moreover, the algorithm exploits knowledge about the dynamic changes by transferring the information gathered in previous iterations in the form of a pheromone matrix. The significance of the hybridization, as well as the use of knowledge about the dynamic environment, is examined and validated on benchmark instances including small, medium, and large DTSP problems. The results are compared to the four other state-of-the-art metaheuristic approaches with the conclusion that they are significantly outperformed by the proposed algorithm. Furthermore, the behavior of the algorithm is analyzed from various points of view (including, for example, convergence speed to local optimum, progress of population diversity during optimization, and time dependence and computational complexity).


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document