Ευρετικές Μέθοδοι. Ενότητα 3: Ευρετικές μέθοδοι αρχικοποίησης και βελτίωσης για το TSP. Άγγελος Σιφαλέρας. Μεταπτυχιακό Εφαρμοσμένης Πληροφορικής

Σχετικά έγγραφα
ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ

Διοίκηση Εφοδιαστικής Αλυσίδας

Ευρετικές Μέθοδοι. Ενότητα 6: Αναζήτηση μεταβλητής γειτνίασης. Άγγελος Σιφαλέρας. Μεταπτυχιακό Εφαρμοσμένης Πληροφορικής ΕΥΡΕΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ

Ευρετικές Μέθοδοι. Ενότητα 1: Εισαγωγή στις ευρετικές μεθόδους. Άγγελος Σιφαλέρας. Μεταπτυχιακό Εφαρμοσμένης Πληροφορικής ΕΥΡΕΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ

ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ

Θεωρία Λήψης Αποφάσεων

ΤΕΧΝΗΤΗ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗ. Ενότητα 5: Παραδείγματα. Ρεφανίδης Ιωάννης Τμήμα Εφαρμοσμένης Πληροφορικής

Παναγιώτης Καρακώστας (mai1321) ΠΜΣ Εφαρμοσμένης Πληροφορικής Συστήματα Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Μακεδονίας

Ευρετικές Μέθοδοι. Ενότητα 2: Βασικές έννοιες των σύγχρονων ευρετικών μεθόδων. Άγγελος Σιφαλέρας. Μεταπτυχιακό Εφαρμοσμένης Πληροφορικής

6 η Διάλεξη. Ενδεικτικές λύσεις ασκήσεων

Construction heuristics

Μοντελοποίηση Λογικών Κυκλωμάτων

ΒΟΗΘΗΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ

ΑΛΓΟΡΙΘΜΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ

ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

Επιχειρησιακή Έρευνα

Επιχειρησιακή Έρευνα

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου. Ενότητα Α: Γραμμικά Συστήματα

Πληροφοριακά Συστήματα & Περιβάλλον Ασκήσεις

Το Πρόβλημα του Περιοδεύοντος Πωλητή - The Travelling Salesman Problem

Ε ανάληψη. Α ληροφόρητη αναζήτηση

Ποσοτικές Μέθοδοι στη Διοίκηση Επιχειρήσεων ΙΙ Σύνολο- Περιεχόμενο Μαθήματος

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους Ενότητα 9η Άσκηση - Αλγόριθμος Prim

Μαθηματικά. Ενότητα 7: Μη Πεπερασμένα Όρια. Σαριαννίδης Νικόλαος Τμήμα Λογιστικής και Χρηματοοικονομικής

ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ

Εφαρμογές Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Τίτλος Μαθήματος: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ

ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑ Ενότητα 7:

ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΟΥ ΠΛΑΝΟΔΙΟΥ ΠΩΛΗΤΗ ΜΕ ΧΡΟΝΙΚΑ ΠΑΡΑΘΥΡΑ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ VNS.

Λειτουργικά Συστήματα

ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕ ΧΡΗΣΗ Η/Υ

ΤΕΧΝΗΤΗ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗ. Ενότητα 2: Δένδρο αναζήτησης. Ρεφανίδης Ιωάννης Τμήμα Εφαρμοσμένης Πληροφορικής

Δομές Δεδομένων Ενότητα 1

Εισαγωγή στην Διοίκηση Επιχειρήσεων

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Ενδεικτικές λύσεις ασκήσεων διαχείρισης έργου υπό συνθήκες αβεβαιότητας

ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΠΕΡΣΕΦΟΝΗ ΠΟΛΥΧΡΟΝΙΔΟΥ ΤΜΗΜΑ ΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΤΕ

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύ

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΦΟΔΙΑΣΤΙΚΗΣ ΑΛΥΣΙΔΑΣ

Οργανωσιακή Συμπεριφορά Ενότητα 1: Η έννοια της οργάνωσης και διοίκησης

ΑΛΓΟΡΙΘΜΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

Εκκλησιαστικό Δίκαιο. Ενότητα 10η: Ιερά Σύνοδος της Ιεραρχίας και Διαρκής Ιερά Σύνοδος Κυριάκος Κυριαζόπουλος Τμήμα Νομικής Α.Π.Θ.

{ int a = 5; { int b = 7; a = b + 3;

Προγραμματισμός και Εφαρμογές Υπολογιστών

Εφαρμογές Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών

ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΑΡΚΕΤΙΝΓΚ (PL 0114)

ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΠΡΟΤΥΠΩΝ. ΕΝΟΤΗΤΑ: Γραμμικές Συναρτήσεις Διάκρισης. ΔΙΔΑΣΚΟΝΤΕΣ: Βλάμος Π. Αυλωνίτης Μ. ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ

Λογιστική Κόστους Ενότητα 12: Λογισμός Κόστους (2)

Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνων

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

Επιχειρησιακή Έρευνα

Λογιστικές Εφαρμογές Εργαστήριο

Προγραμματισμός Ηλεκτρονικών Υπολογιστών 1

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

Προσεγγιστικοί Αλγόριθμοι για NP- ύσκολα Προβλήματα

Πρόβλημα συντομότερης διαδρομής - Shortest path problem. Κηρυττόπουλος Κωνσταντίνος Επ. Καθηγητής ΕΜΠ

Προγραμματισμός και Εφαρμογές Υπολογιστών

ΤΕΧΝΗΤΗ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗ. Ενότητα 6: Προβλήματα ικανοποίησης περιορισμών. Ρεφανίδης Ιωάννης Τμήμα Εφαρμοσμένης Πληροφορικής

Θεωρία τησ Πληροφορίασ (Θ) ΔΙΔΑΚΩΝ: Δρ. Αναςτάςιοσ Πολίτησ

Υδραυλικά & Πνευματικά ΣΑΕ

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους Ενότητα 10η Άσκηση Αλγόριθμος Dijkstra

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

Αλγόριθμοι και Δομές Δεδομένων(Θ) Ευάγγελος Γ. Ούτσιος

Εισαγωγή στην πληροφορική

Σχεδίαση Δικτύων Υπολογιστών

Επιχειρησιακή Έρευνα

ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ

Ιστορία της μετάφρασης

Πληροφορική. Εργαστηριακή Ενότητα 3 η : Επεξεργασία Κελιών Γραμμών & Στηλών. Ι. Ψαρομήλιγκος Τμήμα Λογιστικής & Χρηματοοικονομικής

Συστήματα Επιχειρηματικής Ευφυίας. Εισαγωγικές έννοιες Υπολογιστικής Νοημοσύνης

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

Μικροβιολογία & Υγιεινή Τροφίμων

Ψηφιακή Σχεδίαση. Ενότητα: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ No:05. Δρ. Μηνάς Δασυγένης. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Οικονομική Γεωργικών Εκμεταλλεύσεων

ΤΕΧΝΗΤΗ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗ. Ενότητα 3: Αλγόριθμοι πληροφορημένης αναζήτησης. Ρεφανίδης Ιωάννης Τμήμα Εφαρμοσμένης Πληροφορικής

Θεωρία Πιθανοτήτων & Στατιστική

Υπολογιστικά Συστήματα

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ

Θερμοδυναμική - Εργαστήριο

Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

3 η ΕΝΟΤΗΤΑ Συναρτήσεις στο MATLAB

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους Φροντιστήριο 4

Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας

Συστήματα Αναμονής. Ενότητα 5: Ανέλιξη Poisson. Αγγελική Σγώρα Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ

ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΠΡΟΤΥΠΩΝ. ΕΝΟΤΗΤΑ: Αναγωγή _ Εξαγωγή & Έλεγχος. ΔΙΔΑΣΚΟΝΤΕΣ: Βλάμος Π. Αυλωνίτης Μ. ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

Θερμοδυναμική - Εργαστήριο

Αλληλεπίδραση Ανθρώπου- Υπολογιστή & Ευχρηστία

ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ. Ενότητα 12: Αντιμετώπιση Περιορισμών Αλγοριθμικής Ισχύος

Transcript:

Ευρετικές Μέθοδοι Ενότητα 3: Ευρετικές μέθοδοι αρχικοποίησης και βελτίωσης για το TSP Μεταπτυχιακό Εφαρμοσμένης Πληροφορικής

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

Ευρετικές μέθοδοι αρχικοποίησης (construction heuristics) Ευρετικές μέθοδοι μιας εφαρμογής (single-pass heuristics) Κατασκευάζουν μια αρχική λύση εκ του μηδενός Σειρά βημάτων Σε κάθε βήμα κατασκευάζεται μόνο ένα μέρος της λύσης Συνήθως μια μεταβλητή απόφασης ανά βήμα Τερματισμός με την ολοκλήρωση υπολογισμού μιας λύσης Δεν εφαρμόζονται βήματα περαιτέρω βελτίωσης 4

Ευρετικές μέθοδοι βελτίωσης (improvement heuristics) Εκκινούν από μια πλήρη αρχική λύση Βελτιώνουν την αρχική λύση Αρκετά βήματα Πιθανές κινήσεις ορίζουν μια «γειτονιά» Δεν υπάρχει η έννοια της διαφοροποίησης (diversification): η αντικειμενική τιμή συνεχώς βελτιώνεται Τερματισμός όταν δεν είναι δυνατή περαιτέρω βελτίωση 5

Άπληστη αναζήτηση (greedy search) Οι ευρετικές μέθοδοι κατασκευής & βελτίωσης αποτελούν συνήθως άπληστες τεχνικές. Επιλέγουμε εκείνη την εναλλακτική λύση με τη μεγαλύτερη αντικειμενική τιμή (σε πρόβλημα μεγιστοποίησης) Δεν βλέπουμε μπροστά & αποτελεί μια γρήγορη, μυωπική αναζήτηση που οδηγεί σε υπό-βέλτιστες λύσεις. 6

Μέθοδοι κατασκευής μιας αρχικής διαδρομής για το TSP 7

Insertion Heuristics για το TSP Για προβλήματα με Ευκλείδειες αποστάσεις, μπορούμε να βρούμε μια καλή αρχική υπό-διαδρομή εάν ακολουθήσουμε το κυρτό περίβλημα (convex hull) όλων των κόμβων. 8

Μέθοδοι βελτίωσης μιας αρχικής διαδρομής για το TSP 9

Improving Solutions: 2-opt Οι διαδρομές που έχουν υπολογιστεί με κάποιο από τα διάφορα construction heuristics της προηγούμενης ενότητας συνήθως είναι μέτριας ποιότητας Έστω ότι τώρα μας ενδιαφέρει να βελτιώσουμε μια ήδη υπάρχουσα διαδρομή. Γενικά, οι ευρετικές μέθοδοι βελτίωσης μιας λύσης χαρακτηρίζονται από μια συγκεκριμένη ενέργεια τροποποίησης της υπάρχουσας διαδρομής. Παράδειγμα τρόπου βελτίωσης είναι η ευρετική μέθοδος 2-opt η οποία πραγματοποιεί κινήσεις 2-exchange. Εποπτική παρουσίαση των παραπάνω: http://www-e.uni-magdeburg.de/mertens/tsp 10

Βιβλιογραφία στο TSP David L. Applegate, Robert E. Bixby, Vasek Chvátal & William J. Cook, The Traveling Salesman Problem: A Computational Study, Princeton University Press, 2006. William J. Cook, In Pursuit of the Traveling Salesman: Mathematics at the Limits of Computation, Princeton University Press, 2012. 11

Ενδεικτικές παραλλαγές του TSP Asymmetric Traveling Salesman Problem Symmetric Traveling Salesman Problem Time-dependent TSP TSP with time windows... 12

Λύτης προβλημάτων TSP Concorde TSP solver (διατίθεται δωρεάν για ακαδημαϊκή χρήση): http://www.tsp.gatech.edu//concorde/downloads /downloads.htm 13

Συλλογές μετρόπροβλημάτων (benchmark problems) 14

Υλικό για TSP Καλές πηγές ενημέρωσης: TSP: http://www.tsp.gatech.edu Animated Examples of Heuristic Algorithms: http://www-e.uni-magdeburg.de/mertens/tsp Benchmark problems TSPLIB: http://elib.zib.de/pub/mp-testdata/tsp/tsplib/tsplib.html - Περισσότερα από 100 στιγμιότυπα με έως και 85.900 κόμβους - Κάποια στιγμιότυπα είναι από πραγματικές εφαρμογές - Στιγμιότυπα από σχεδίαση ψηφιακών κυκλωμάτων - Τυχαία κατασκευασμένα Ευκλείδεια στιγμιότυπα (είτε ομοιόμορφα κατανεμημένα είτε συσταδοποιημένα) - Μερικά στιγμιότυπα παρέχονται από το 8 th DIMACS challenge http://dimacs.rutgers.edu/challenges/tsp 15

Μορφοποίηση benchmark προβλημάτων.tsp NAME: example_1 TYPE: TSP COMMENT: Generated by CCutil_writetsplib DIMENSION: 11 EDGE_WEIGHT_TYPE: EUC_2D NODE_COORD_SECTION 1 72.743919 16.071047 2 4.153569 41.981262 3 79.027680 95.034639 4 14.145329 40.690329 5 66.258736 70.360424 6 22.656941 52.076785 7 82.680746 31.058687 8 88.995025 35.560167 9 29.037801 83.519553 10 44.845361 29.608939 11 10.309278 91.061453 16

OR Library Το δυαδικό 0-1 πολυδιάστατο πρόβλημα σακιδίου (0-1 Multidimensional Knapsack Problem ή MKP) έχει μελετηθεί ιδιαίτερα και κάποιες από τις πρώτες εφαρμογές του σχετίζονται με capital budgeting και επιλογή έργων. Τα 270 στιγμιότυπα της OR Library προτάθηκαν στην παρακάτω εργασία: P. C. Chu and J. E. Beasley. A Genetic Algorithm for the Multidimensional Knapsack Problem, J. Heuristics 4(1):63-86 (1998). URL: http://www.cs.nott.ac.uk/~jqd/mkp 17

Άλλες ενδεικτικές συλλογές μετρόπροβλημάτων SATLIB - The Satisfiability Library URL: http://www.cs.ubc.ca/~hoos/satlib/benchm.html Jamil, Momin & Xin She Yang (2013). A literature survey of benchmark functions for global optimisation problems, International Journal of Mathematical Modelling and Numerical Optimisation, 4(2): 150-194. URL: http://dx.doi.org/10.1504/ijmmno.2013.055204 Floudas, C.A., Pardalos, P.M., Adjiman, C., Esposito, W.R., Gümüs, Z.H., Harding, S.T., Klepeis, J.L., Meyer, C.A., Schweiger, C.A.. Handbook of Test Problems in Local and Global Optimization, in Noncovex Optimization and Its Applications, volume 33, Kluwer Academic Publishers, 1999. 18

Κατηγοριοποίηση μεθευρετικών Οι μεθευρετικοί αλγόριθμοι μπορούν να χωριστούν σε δυο κατηγορίες: Trajectory-based Ένας trajectory-based αλγόριθμος τυπικά χρησιμοποιεί μια λύση κάθε φορά, η οποία θα ακολουθήσει κάποιο μονοπάτι καθώς προχωρούν οι επαναλήψεις, (π.χ., hill-climbing, simulated annealing). Population-based μεθόδων Οι population-based αλγόριθμοι όπως ο Particle Swarm Optimization (PSO), χρησιμοποιεί πολλαπλούς πράκτορες οι οποίοι αλληλοεπιδρούν και ακολουθούν πολλαπλά μονοπάτια. 19

Μοντέρνες ευρετικές μέθοδοι Μοντέρνες ευρετικές μέθοδοι Μπορούν να εφαρμοστούν σε ένα ευρύ φάσμα προβλημάτων Κατά της διάρκεια αναζήτησης χρησιμοποιούν βήματα εντατικοποίησης (intensification) για εκμετάλλευση (exploitation) & διαφοροποίησης (diversification) για εξερεύνηση (exploration). Η εντατικοποίηση βοηθάει στη βελτίωση της ποιότητας της λύσης. Η διαφοροποίηση εξερευνά νέες περιοχές του χώρου αναζήτησης, ταυτόχρονα με αποδοχή ολόκληρων ή μερικών λύσεων οι οποίες είναι κατώτερες της τρέχουσας λύσης. 20

Τέλος Ενότητας