Raport stiintific sintetic

Transcription

1 Raport stiintific sintetic privind implementarea proiectului pe toata perioada de executie pana in prezent Proiect: Noi metode hibride metaeuristice pentru rezolvarea problemelor de proiectare a retelelor Cod proiect: PN-II-RU-TE Rezumatul privind implementarea proiectului pana in prezent Pe toata perioada de executie a proiectului, echipa de cercetare a elaborat conform obiectivelor prevazute pentru anii : Noi modele matematice bazate pe programarea in numere intregi pentru probleme complexe de proiectare a retelelor statice si dinamice. Algoritmi hibrizi, euristici si metaeuristici pentru rezolvarea problemelor complexe de proiectare a retelelor statice si dinamice considerate. Algoritmi hibrizi bazati pe exploararea spatiului solutiilor folosind cautari pe vecinatati variabile (Variable Neighborhood Search). Algoritmi hibrizi obtinuti prin combinarea algoritmilor metaeuristici cu metode bazate pe programarea in numere intregi pentru rezolvarea problemelor complexe de proiectare a retelelor considerate. O analiza teoretica a metodelor propuse. Totodata, aceste metode au fost implementate si testate pe date din literatura de specialitate. A. Dupa analiza temeinica si critica a stadiului cunoasterii am propus urmatoarele modele si metode algoritmice: a. Diverse modele matematice bazate pe programarea liniara in numere intregi problemei Generalized Vehicle Routing Problem (problema generalizata a stabilirii traseelor optime) si pentru unele variante (extensii) ale ei. b. Pentru problema generalizata a stabilirii traseelor optime, problema complexa care contine un numar mare de optime locale, am elaborat algoritmi hibrizi memetici eficienti obtinuti din combinarea algoritmilor genetici cu tehnici de cautare locala, pentru o intensificare a cautarii in spatiul solutiilor acestei probleme complexe si un algoritm efficient folosind tehnici de cautare pe

2 vecinatati variabile folosind strategii eficiente de cautare locala prin definirea unor vecinatati de doua tipuri: unele care opereaza in interiorul rutelor, iar celelalte care opereaza intre rute. c. Am continuat studiul problemelor de optimizare a matricilor considerand: Matrix Bandwidth Minimization Problem, Matrix Antibandwidth Maximization Problem si Linear Ordering Problem, folosind algoritmi genetici in care am folosit diversi operatori genetici: de reproducere, mutatie si specifici acestor probleme de optimizarea a matricilor, pentru o explorare si exploatare cat mai eficienta a spatiului solutiilor. d. Am rezolvat problemele: the Number Partitioning Problem si generalizari ale acesteia acesteia the bi-dimensional two-way Number Partitioning Problem si the Multidimensional Multi-way Number Partitioning Problem folosind algoritmi euristici, metaeuristici si hibrizi obtinuti combinand algoritmii genetici cu strategii eficiente de cautare locala. e. Am elaborat o noua metoda de rezolvare a problemei Partition Graph Coloring Problem introducand un algoritm memetic obtinut prin combinarea unui algoritm genetic cu strategii eficiente de cautare locala. De asemenea, pentru aceasta problema am studiat complexitatea ei pe diverse clase de grafuri. f. Am propus noi abordari pentru problema recunoasterii caracterelor (Optical Character Recognition) in medii reale folosind retelele neuronale si k-nearest neighborhood. g. Am propus algorimi hibrizi eficienti pentru rezolvarea unor probleme de Supply Chain Network Design in care am combinat algoritmi euristici cu tehnici de cautare pe vecinatati. h. Am implementat retele neuronale artificiale pentru dezvoltarea unor ICT dispozitive pentru a susține viața independentă a persoanelor în vârstă. i. Am propus un nou mecanism de aparare, bazat pe algoritmii de tip colonia furnicilor pentru diferite atacuri de bruiaj (jamming attacks) ale retelelor wireless de senzori (Wireless Sensor Networks (WSN)). B. Au fost efectuate studii de caz privind rezolvarea problemelor de proiectare a retelelor. Aceste probleme de optimizare contin in aplicatiile practice un numar foarte mare de variabile si restrictii ceea ce face rezolvarea lor sa fie foarte dificila. C. Au fost identificate mai multe probleme deschise si directiile de cercetare pentru fazele urmatoare ale proiectului de cercetare. Cateva din problemele pe care ni le propunem sa le abordam sunt: Supply Chain Network Design Problems, Evolutionary ontologies, the Multiple-Depot Vehicle Routing Problem, the heterogeneous Vehicle Routing Problem, precum si generalizari ale acestora.

3 D. Echipa de cercetare s-a consolidat prin intalnirile avute lunar in care s-au discutat in principal aspecte legate de stadiul actual al cunoasterii in domeniul abordat si directiile de cercetare viitoare. S-a folosit capacitatea de expert a fiecarui membru al echipei de cercetare, de utilizare a competentelor fiecaruia, cat si a spiritului de echipa, prin responsabilitatea fata de obiectivele comune si necesitatea de a lucra impreuna cu randament optim. 2. Descrierea stiintifica si tehnica Problemele de proiectare a retelelor apartin clasei problemelor de optimizare combinatoriala, clasa ce se caracterizeaza prin faptul ca multimea solutiilor admisibile este discreta, sau poate fi redusa la o multime discreta, iar scopul este de a gasi solutii cat mai bune posibil. Aceste probleme isi un numar mare de aplicatii in domeniul economiei, ingineriei, informaticii, etc. Metodele matematice ale proiectarii optime ale retelelor se caracterizeaza pe cautarea unei solutii optime sau apropiata de optim (solutii sub-optimale) pentru fenomenul studiat si se bazeaza pe o mare diversitate de procedee matematice din cercetari operationale, teoria grafurilor, optimizare combinatoriala, programare matematica, teoria algoritmilor, etc. Pentru marea majoritate a problemelor de proiectare a retelelor gasirea solutiei optime in timp polinomial nu este posibila, altfel spus metodele exacte cunoscute necesita un timp de rulare care creste exponential odata cu cresterea dimensiunilor problemei rezolvate. Aceasta clasa de probleme este denumita clasa problemelor NP-hard (grele, complexe). Nu trebuie inteles ca aceste probleme complexe sunt inabordabile, pentru dimensiuni relativ moderate aceste probleme pot fi rezolvate exact in timp rezonabil, dar pentru dimensiuni mari intalnite in aplicatii acest lucru nu este posibil. Avand in vedere aceste observatii de mare importanta mai ales practica sunt metodele si algorimii care determina in timp polinomial o solutie acceptabila sub-optimala. Pentru aceste procedee numite metaeuristice, aprecierea eficacitatii lor va fi data de distanta dintre solutia sub-optimala si cea optima. Algoritmii metaeuristici hibrizi sunt metode obtinute prin combinarea unor metode exacte cu algoritmi metaeuristici bazati pe cautarea locala. Aceste doua surse de tehnici de rezolvare au propriile avantaje si dezavantaje particulare si pot fi vazute ca fiind complementare si analizandu-le pare natural sa le combinam pentru a obtine metode de rezolvare mai eficiente pentru rezolvarea problemelor de proiectare a retelelor. Obiectivul major al proiectului este de a elabora metode eficiente hibride pentru rezolvarea problemelor de proiectare a retelelor. Pentru a obtine astfel de algoritmi hibrizi am explorat spatiului solutiilor folosind cautari pe vecinatati variabile (Variable Neighborhood Search), am combinat algoritmi exacti cu algoritmi metaeuristici, algoritmi metaeuristici cu metode bazate pe programarea in numere intregi Ca urmare a analizei stadiului cercetarii si analizei critice a dificultatilor intampinate de metodele existente, problemele pe care am decis sa ne axam si sa le rezolvam sunt:

4 the Generalized Vehicle Routing Problem, the Heterogeneous Vehicle Routing Problem, the Generalized Fixed-Charge Network Design Problem, Supply Network Design Problems, the Matrix Bandwidth Minimization Problem, the Linear Ordering Problem, the Antibandwidth Maximization Problem, the Multidimensional Multi-way Number Partitioning Problem, the Partition Graph Coloring Problem. Pe parcursul derularii proiectului de cercetare alte probleme deschise de proiectare a retelelor ar putea fi studiate si rezolvate. 3. Rezultate obtinute pana in aceasta perioada a proiectului si articole in lucru a) Articole in reviste ISI I. Am scris articolul New Mathematical Models of the Generalized Vehicle Routing Problem and Extensions, autori P.C. Pop, I. Kara si A. Horvat Marc, publicat in Applied Mathematical Modelling, Elsevier, Vol. 36, Issue 1, pp , 2012, revista cu factor de impact si scor relativ de influenta II. Am scris articolul New models of the generalized fixed-charge network design problem, autori P.C. Pop and C. Pop Sitar, publicat in Carpathian Journal of Mathematics, Vol. 28, Issue 1, pp , 2012, revista cu factor de impact III. Am scris articolul An improved hybrid algorithm for solving the generalized vehicle routing problem, autori P.C. Pop, O. Matei si C. Pop Sitar, publicat in Neurocomputing, Elsevier, Vol. 36, Issue 1, pp , 2013, revista cu factor de impact si scor relativ de influenta IV. Am scris articolul A memetic algorithm approach for solving the multidimensional multi-way number partitioning problem, autori P.C. Pop si O. Matei, acceptat spre publicare la revista Applied Mathematical Modelling cu factor de impact 1.706, scor relativ de influenta V. Am scris articolul On the complexity of the selective graph coloring problem in some special classes of graphs, autori M. Demange, J. Monnot, P.C. Pop si B. Ries acceptat spre publicare la revista Theoretical Computer Science cu factor de impact 0.489, scor relativ de influenta

5 VI. Am scris articolul Optical Character Recognition in Real Environments using Neural Networks and k- Nearest Neighbor, autori O. Matei, P.C. Pop si H. Valean acceptat spre publicare la revista Applied Intelligence cu factor de impact 1.853, scor relativ de influenta VII. Am scris articolul Reducing the bandwidth of sparse matrix with a genetic algorithm, autori P.C. Pop, O. Matei si C.-A. Comes acceptat spre publicare la revista Optimization cu factor de impact 0.707, scor relativ de influenta b) Articole in reviste internationale indexate in baze de date internationale XIII. Am scris articolul Heuristic algorithms for solving the bi-dimensional two-way number partitioning problem, autori L. Fuksz, P.C. Pop si I. Zelina, articol publicat in Studia Universitatis Babes-Bolyai, Series Informatica, Vol. LVIII, No. 3, pp , c) Articole in volumele unor conferinte internationale indexate ISI I. Am scris articolul A Genetic Programming Approach for Solving the Linear Ordering Problem, autori P.C. Pop si O. Matei, publicat in volumul conferintei International Conference on Hybrid Artificial Intelligence Systems, Martie, Salamanca, Spania. Articolul a aparut in Lecture Notes in Computer Science, Springer, Vol. 7209, pp , 2012, revista care este indexata in ISI Web of Science, EI Engineering Index (Compendex and Inspec databases), ACM Digital Library, dblp, Google Scholar, IO-Port, MathSciNet, Scopus, Zentralblatt MATH. II. Am scris articolul A Hybrid Classical Approach to a Transportation Problem, autori C. Pintea C. Pop Sitar, M. Macelaru si P.C. Pop, publicat in volumul conferintei International Conference on Hybrid Artificial Intelligence Systems, Martie, Salamanca, Spania. Articolul a aparut in Lecture Notes in Computer Science, Springer, Vol. 7209, pp , 2012, revista care este indexata in ISI Web of Science, EI Engineering Index (Compendex and Inspec databases), ACM Digital Library, dblp, Google Scholar, IO-Port, MathSciNet, Scopus, Zentralblatt MATH. III. Am scris articolul A Robust Approach to Digit Recognition in Noisy Environments autori O. Matei, P.C. Pop si H. Valean, publicat in volumul conferintei IEA-AIE, 9-12 Iunie, Dalian, China. Articolul a aparut in Lecture Notes in Computer Science, Springer, Vol. 7347, pp , 2012, revista care este indexata in ISI Web of Science, EI Engineering Index, ACM Digital Library, dblp, Google Scholar, IO-Port, MathSciNet, Scopus, Zentralblatt MATH. IV. Am scris articolul Sensor Networks Security Based on Sensitive Robots Agents: A Conceptual Model, autori C. Pintea si P.C. Pop, articol publicat in volumul conferintei, CISIS, 5-7 Septembrie, 2012, Ostrava, Cehia. Articolul a aparut in Advances in Intelligent Systems and Computing, Springer, Vol. 189, pp , V. Am scris articolul Increasing the antibandwidth of sparse matrices by a genetic algorithm autori P.C. Pop si O. Matei, publicat in volumul conferintei IEA-AIE, Iunie, Amsterdam, Olanda. Articolul a aparut

6 in Lecture Notes in Computer Science, Springer, Vol. 7906, pp , 2013, revista care este indexata in ISI Web of Science, EI Engineering Index, ACM Digital Library, dblp, Google Scholar, IO-Port, MathSciNet, Scopus, Zentralblatt MATH. VI. Am scris articolul A Hybrid Genetic Algorithm with Variable Neighborhood Search Approach to the Number Partitioning Problem, autori L. Fuksz si P.C. Pop, publicat in volumul conferintei International Conference on Hybrid Artificial Intelligence Systems, Septembrie, Salamanca, Spania. Articolul a aparut in Lecture Notes in Computer Science, Springer, Vol. 8073, pp , 2013, revista care este indexata in ISI Web of Science, EI Engineering Index (Compendex and Inspec databases), ACM Digital Library, dblp, Google Scholar, IO-Port, MathSciNet, Scopus, Zentralblatt MATH. VII. Am scris articolul Application Possibilities of Hardware Implemented Hybrid Neural Networks to Support Independent Life of Elderly People, autori S. Oniga si P.C. Pop, publicat in volumul conferintei International Conference on Hybrid Artificial Intelligence Systems, Septembrie, Salamanca, Spania. Articolul a aparut in Lecture Notes in Computer Science, Springer, Vol. 8073, pp , 2013, revista care este indexata in ISI Web of Science, EI Engineering Index (Compendex and Inspec databases), ACM Digital Library, dblp, Google Scholar, IO-Port, MathSciNet, Scopus, Zentralblatt MATH. VIII. Am scris articolul Sensitive Ants for Denial Jamming Attack on Wireless Sensor Network, autori C. Pintea si P.C. Pop, articol publicat in volumul conferintei, CISIS, Septembrie, 2013, Salamanca, Olanda. Articolul a aparut in Advances in Intelligent Systems and Computing, Springer, Vol. 239, pp , d) Articole in volumele unor conferinte internationale e) Carti publicate in edituri internationale XI. Am scris articolul A memetic algorithm for the partition coloring problem, autori P.C. Pop, B. Hu si G. Raidl, prezentat la conferinta 14th International Conference on Computer Aided Systems Theory, Februarie, Gran Canaria, Spania. Articolul extins intitulat A Memetic Algorithm with Two Distinct Solution Representations for the Partition Graph Coloring Problem va aparea in Lecture Notes in Computer Science, Springer. XII. Am scris articolul A genetic algorithm approach for the multidimensional two-way number partitioning problem, autori P.C. Pop si O. Matei, prezentat la conferinta Learning and Intelligent Optimization Conference, LION 2013, 7-11 Ianuarie 2013, Catania, Italia. Articolul va aparea in Lecture Notes in Computer Science, Springer. XIV. Am finalizat articolul An improved immigration memetic algorithm for solving the heterogeneous fixed fleet vehicle routing problem, autori O. Matei, P.C. Pop I. Sas si C. Chira, articol trimis spre publicare la revista Neurocomputing (factor de impact si scor relativ de influenta 0.987).

7 XV. Am finalizat articolul An improved hybrid algorithm for solving a capacitated fixed-charge transportation problem, autori C. Pintea si P.C. Pop, articol trimis spre publicare la revista Logic Journal of IJPL (factor de impact 1.136, scor relativ de influenta 0.833). XVI. Am finalizat articolul A Variable Neighborhood Search Approach for Solving the Generalized Vehicle Routing Problem, autori P.C. Pop, L. Fuksz and A. Horvat Marc, articol trimis spre publicare la revista IMA Journal of Management Mathematics (factor de impact 0.593). Am prezentat articolele A survey on algorithmic approaches to the generalized vehicle routing problem and On the generalized vehicle routing and its variants la conferintele internationale VeRoLog 2013, 7-10 Iulie, Southampton, UK si EURO Working Group on Location Analysis (EWGLA XX), Aprilie 2013, Ankara, Turcia. Articole in lucru: Efficient hybrid algorithms for solving the clustered generalized vehicle routing problem An Efficient Hybrid Heuristic Algorithm for Solving a Sustainable Supply Chain Network Design Problem Applying Evolutionary Computation for Evolutionary Ontologies. 4. Concluzii Cercetarile efectuate au vizat aspecte esentiale legate de rezolvarea problemelor complexe de proiectare a retelelor prin metode hibride metaeuristice. Au fost propuse mai multe abordari noi bazate pe algoritmi hibrizi, euristici si metaeuristici pentru o serie de probleme complexe de proiectare a retelelor incluzand: the Generalized Vehicle Routing Problem and some variants the Capacitated Fixed-Charge Transportation Problem and an extension the Matrix Bandwidth Minimization Problem, the Antibandwith maximization problem, the Multidimensional Multi-way Number Partitioning Problem, the Partition Graph Coloring Problem.

8 Metodele pe care le-am propus au fost implementate, validate si testate pe date din literatura de specialitate. Rezultatele obtinute au imbunatatit rezultatele existente in cazul problemelor de proiectare a retelelor considerate dovedind eficienta metodelor hibride metaeuristice pe care le-am elaborat. Putem aprecia ca obiectivele propuse pentru aceasta perioada au fost indeplinite, iar rezultatele obtinute reprezinta o contributie semnificativa in acest domeniu de cercetare. Director proiect, Conf. univ. dr. Petrica Pop Sitar