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(1)1 Introduction 1 1.1 Motivation

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Academic year: 2021

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(1)

1 Introduction 1

1.1 Motivation . . . 1

1.2 Main contributions . . . 4

1.3 Structure of the thesis . . . 7

2 Background 9 2.1 Introduction . . . 9

2.2 Combinatorial optimization . . . 10

2.3 Quadratic assignment problem . . . 11

2.4 Examples of real world QAP applications . . . 12

2.4.1 Hospital layout problem . . . 12

2.4.2 Keyboard layout problem . . . 12

2.4.3 Backboard wiring problem . . . 14

2.4.4 Turbine balancing problem . . . 14

2.4.5 Other QAP applications . . . 14

2.5 Computational complexity . . . 15

2.6 Solving the QAP . . . 18

2.6.1 Exact algorithms . . . 19

2.6.2 Approximate algorithms . . . 20

2.7 Iterative improvement algorithms for the QAP . . . 22

2.8 Metaheuristics . . . 26

2.8.1 Simulated Annealing . . . 27

2.8.2 Tabu Search . . . 29

(2)

vi Contents

2.8.3 Iterated Local Search . . . 30

2.8.4 Ant Colony Optimization . . . 32

2.8.5 Evolutionary Algorithms . . . 35

2.9 Multi-objective QAP . . . 36

2.10 SLS algorithms for multi-objective combinatorial optimization problems . . . 39

2.11 Conclusions . . . 40

3 Experimental design 41 3.1 Introduction . . . 41

3.2 Analysis of QAP instances . . . 41

3.2.1 Characterization of QAP instances . . . 42

3.2.2 Search space analysis of the QAP . . . 43

3.3 Publicly available instances . . . 45

3.3.1 QAPLIB instances . . . 46

3.3.2 Drezner’s and Taillard’s instances . . . 47

3.3.3 Microarray instances . . . 49

3.3.4 QAP instances with known optimal solutions. . . 51

3.4 Generated instances. . . 51

3.4.1 Structured flow matrix . . . 53

3.4.2 Euclidean distance matrix . . . 53

3.4.3 Grid distance matrix . . . 54

3.4.4 Random distance matrix . . . 55

3.4.5 Search space analysis of generated instances . . . 55

3.5 Parameter tuning - F-Race and Iterated F-Race . . . 56

3.6 Conclusions . . . 60

(3)

4 New Algorithm Variants 61

4.1 Introduction . . . 61

4.2 Hierarchical Iterated Local Search . . . 62

4.2.1 Algorithm: Hierarchical Iterated Local Search . . . 63

4.2.2 Benchmark instances . . . 65

4.2.3 Choice of local search. . . 65

4.2.4 Experimental study of HILS combinations . . . 66

4.2.5 Performance comparison of HILS and ILS variants. . . 66

4.2.6 Comparison of HILS, ILS-ES, ILSts, and RoTS . . . . 70

4.2.7 HILS(3) . . . 71

4.2.8 Discussion . . . 72

4.3 Comparison of SA and TS . . . 74

4.3.1 Algorithms . . . 75

4.3.2 Benchmark instances . . . 76

4.3.3 Experimental results . . . 77

4.3.4 Discussion . . . 84

4.4 Conclusions . . . 85

5 Stochastic Local Search algorithms for the QAP 87 5.1 Introduction . . . 87

5.2 SLS algorithms for the QAP . . . 88

5.2.1 Simulated Annealing . . . 88

5.2.2 Tabu Search . . . 89

5.2.3 Iterated Local Search . . . 92

5.2.4 Ant Colony Optimization . . . 96

5.2.5 Evolutionary Algorithms . . . 97

(4)

viii Contents

5.3 Experimental setup . . . 101

5.4 Performance comparison on benchmarks . . . 103

5.4.1 QAPLIB instances . . . 103

5.4.2 Taillard’s instances . . . 104

5.4.3 Microarray instances . . . 107

5.4.4 Drezner’s instances . . . 111

5.5 Tuning results . . . 111

5.5.1 Results of tuning Simulated Annealing . . . 113

5.5.2 Results of tuning Robust Tabu Search . . . 114

5.5.3 Results of tuning Iterated Local Search . . . 115

5.5.4 Results of tuning MMAS . . . 118

5.5.5 Results of tuning Evolutionary Algorithms . . . 119

5.5.6 Results of tuning Hierarchical ILS . . . 120

5.6 Default vs. tuned parameter settings . . . 120

5.7 Overall performance comparison . . . 123

5.8 Additional performance comparison on ES instances . . . 131

5.9 General result of algorithms . . . 139

5.10 Conclusions . . . 139

6 SLS algorithms for bi-objective QAP 141 6.1 Introduction . . . 141

6.2 Bi-objective QAP . . . 141

6.3 bQAP Instances. . . 142

6.4 Performance of SLS algorithms for MOP . . . 143

6.4.1 Empirical attainment function . . . 144

6.4.2 Hypervolume indicator . . . 146

(5)

6.5 SLS Algorithms for multi-objective combinatorial optimization

problems . . . 146

6.6 SLS Algorithms for bQAP . . . 148

6.6.1 Two-phase Local Search . . . 149

6.6.2 Pareto Local Search . . . 151

6.6.3 Multi Objective Ant Colony Optimization . . . 152

6.6.4 Strength Pareto Evolutionary Algorithm 2 . . . 153

6.7 Hybrid TPLS-PLS algorithms . . . 153

6.8 Experimental results . . . 157

6.9 Conclusions . . . 163

7 Conclusions 167 7.1 Contributions . . . 167

7.2 Future work . . . 171

Bibliography 173

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