Solving Hard Combinatorial Optimization Problems using Cooperative Parallel Metaheuristics

par Danny Munera Ramirez

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Carine Souveyet et de Daniel Diaz.

Soutenue le 27-09-2016

à Paris 1 , dans le cadre de École doctorale de Management Panthéon-Sorbonne (Paris) , en partenariat avec Université Paris 1 Panthéon-Sorbonne. Centre de recherche en informatique (équipe de recherche) .

Le président du jury était Salvador Abreu.

Le jury était composé de Carine Souveyet, Daniel Diaz, Bénédicte Le Grand.

Les rapporteurs étaient Didier El Baz, Christine Solnon.

  • Titre traduit

    Utilisation de méta-heuristiques coopératives parallèles pour la résolution de problèmes d'optimisation combinatoire difficiles


  • Résumé

    Les Problèmes d’Optimisation Combinatoire (COP) sont largement utilisés pour modéliser et résoudre un grand nombre de problèmes industriels. La résolution de ces problèmes pose un véritable défi en raison de leur inhérente difficulté, la plupart étant NP-difficiles. En effet, les COP sont difficiles à résoudre par des méthodes exactes car la taille de l’espace de recherche à explorer croît de manière exponentielle par rapport à la taille du problème. Les méta-heuristiques sont souvent les méthodes les plus efficaces pour résoudre les problèmes les plus difficiles. Malheureusement, bien des problèmes réels restent hors de portée des meilleures méta-heuristiques. Le parallélisme permet d’améliorer les performances des méta-heuristiques. L’idée de base est d’avoir plusieurs instances d’une méta-heuristique explorant de manière simultanée l’espace de recherche pour accélérer la recherche de solution. Les meilleures techniques font communiquer ces instances pour augmenter la probabilité de trouver une solution. Cependant, la conception d’une méthode parallèle coopérative n’est pas une tâche aisée, et beaucoup de choix cruciaux concernant la communication doivent être résolus. Malheureusement, nous savons qu’il n’existe pas d’unique configuration permettant de résoudre efficacement tous les problèmes. Ceci explique que l’on trouve aujourd’hui des systèmes coopératifs efficaces mais conçus pour un problème spécifique ou bien des systèmes plus génériques mais dont les performances sont en général limitées. Dans cette thèse nous proposons un cadre général pour les méta-heuristiques parallèles coopératives (CPMH). Ce cadre prévoit plusieurs paramètres permettant de contrôler la coopération. CPMH organise les instances de méta-heuristiques en équipes ; chaque équipe vise à intensifier la recherche dans une région particulière de l’espace de recherche. Cela se fait grâce à des communications intra-équipes. Des communications inter-équipes permettent quant a` elles d’assurer la diversification de la recherche. CPMH offre à l’utilisateur la possibilité d’ajuster le compromis entre intensification et diversification. De plus, ce cadre supporte différentes méta-heuristiques et permet aussi l’hybridation de méta-heuristiques. Nous proposons également X10CPMH, une implémentation de CPMH, écrite en langage parallèle X10. Pour valider notre approche, nous abordons deux COP du monde industriel : des variantes difficiles du Problème de Stable Matching (SMP) et le Problème d’Affectation Quadratique (QAP). Nous proposons plusieurs méta-heuristiques originales en version séquentielle et parallèle, y compris un nouvelle méthode basée sur l’optimisation extrémale ainsi qu’un nouvel algorithme hybride en parallèle coopératif pour QAP. Ces algorithmes sont implémentés grâce à X10CPMH. L’évaluation expérimentale montre que les versions avec parallélisme coopératif offrent un très bon passage à l’échelle tout en fournissant des solutions de haute qualité. Sur les variantes difficiles de SMP, notre méthode coopérative offre des facteurs d’accélération super-linéaires. En ce qui concerne QAP, notre méthode hybride en parallèle coopératif fonctionne très bien sur les cas les plus difficiles et permet d’améliorer les meilleures solutions connues de plusieurs instances.


  • Résumé

    Combinatorial Optimization Problems (COP) are widely used to model and solve real-life problems in many different application domains. These problems represent a real challenge for the research community due to their inherent difficulty, as many of them are NP-hard. COPs are difficult to solve with exact methods due to the exponential growth of the problem’s search space with respect to the size of the problem. Metaheuristics are often the most efficient methods to make the hardest problems tractable. However, some hard and large real-life problems are still out of the scope of even the best metaheuristic algorithms. Parallelism is a straightforward way to improve metaheuristics performance. The basic idea is to perform concurrent explorations of the search space in order to speed up the search process. Currently, the most advanced techniques implement some communication mechanism to exchange information between metaheuristic instances in order to try and increase the probability to find a solution. However, designing an efficient cooperative parallel method is a very complex task, and many issues about communication must be solved. Furthermore, it is known that no unique cooperative configuration may efficiently tackle all problems. This is why there are currently efficient cooperative solutions dedicated to some specific problems or more general cooperative methods but with limited performances in practice. In this thesis we propose a general framework for Cooperative Parallel Metaheuristics (CPMH). This framework includes several parameters to control the cooperation. CPMH organizes the explorers into teams; each team aims at intensifying the search in a particular region of the search space and uses intra-team communication. In addition, inter-team communication is used to ensure search diversification. CPMH allows the user to tune the trade-off between intensification and diversification. However, our framework supports different metaheuristics and metaheuristics hybridization. We also provide X10CPMH, an implementation of our CPMH framework developed in the X10 parallel language. To assess the soundness of our approach we tackle two hard real-life COP: hard variants of the Stable Matching Problem (SMP) and the Quadratic Assignment Problem (QAP). For all problems we propose new sequential and parallel metaheuristics, including a new Extremal Optimization-based method and a new hybrid cooperative parallel algorithm for QAP. All algorithms are implemented thanks to X10CPMH. A complete experimental evaluation shows that the cooperative parallel versions of our methods scale very well, providing high-quality solutions within a limited timeout. On hard and large variants of SMP, our cooperative parallel method reaches super-linear speedups. Regarding QAP, the cooperative parallel hybrid algorithm performs very well on the hardest instances, and improves the best known solutions of several instances.

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