Dissertação
Heurísticas e algoritmos evolutivos para formulações mono e multiobjetivo do problema do roteamento multicast
Registro en:
BUENO, Marcos Luiz de Paula. Heurísticas e algoritmos evolutivos para formulações mono e multiobjetivo do problema do roteamento multicast. 2010. 131 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Exatas e da Terra) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2010.
Autor
Bueno, Marcos Luiz de Paula
Institución
Resumen
In this work, we investigate evolutionary models applied to the Multicast Routing
Problem (MRP), in which we want to calculate multicast trees from a connected weighted
graph, optimizing one or more objective functions related to Quality of Service and Trac
Engineering requirements. MRP can be seen as an extension of the well-known Steiner
Tree Problem, which is in the NP-hard class of problems. Thus, starting from models
based on Canonical and Multiobjective Genetic Algorithms from the literature, we
propose three heuristics to be used in crossover and mutation operators of the resultant
evolutionary model, which are based on more determinists strategies (using Dijkstra's
algorithm), more random ones or a combination of these. The usage of such heuristic
occurs in a crossover/mutation phase known as subtrees reconnection, which guides the
generation of new solutions combining common parts of parents and new parts added by
such reconnection algorithm.
MRP was considered under several formulations (one mono-objective and seven multiobjective
ones under Pareto dominance), aiming to achieve a comprehensive experimental
evaluation of the proposed methods. Three well-known algorithms (NSGA-II, SPEA and
SPEA2) were used as underlying search mechanism, in which two variations of a mating
selection of parents based on neighborhood (Neighborhood Crossover) were also evaluated.
From a set of eight instances taken from Routing and Steiner problems literature,
the experimental results indicated that besides xing a heuristic that could potentially
generate invalid individuals, the new heuristics returned good results in the considered
convergence and diversity metrics. More specically, the combined heuristic provided the
best results in most cases, showing that the strategy of combining a shortest path with
randomness along the reconnections was benecial. The use of Neighborhood Crossover,
in turn, was more noticeable on the MRP formulation in which the network instances had
larger Pareto-optimal sets. Statistical signicance tests were performed, supporting the
evidences showed by punctual and interval estimations. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Mestre em Ciência da Computação Neste trabalho são investigados modelos evolutivos aplicados ao Problema do Roteamento
Multicast (PRM), cujo objetivo é calcular árvores multicast a partir de um grafo
conectado ponderado, otimizando uma ou mais funções objetivo relacionadas a requisitos
de Qualidade de Serviço e Engenharia de Tráfego. O PRM pode ser visto como uma extens
ão ao conhecido Problema da Árvore de Steiner, o qual sabe-se estar na classe NP-difícil.
Assim, partindo de modelos baseados em Algoritmos Genéticos Clássicos e Multiobjetivo
da literatura, propomos três heurísticas a serem utilizadas nos operadores de cruzamento
e mutação do modelo evolutivo resultante, sendo baseadas em estratégias mais deterministas
(por meio do algoritmo de Dijkstra), mais aleatórias ou uma combinação destas.
A aplicação da heurística ocorre numa fase do cruzamento/mutação conhecida como reconex
ão de subárvores, a qual guia a geração de novas soluções combinando partes comuns
aos pais a novas partes adicionadas pelo algoritmo de reconexão.
O PRM foi considerado sob uma série de formulações (uma mono-objetivo, e sete
multiobjetivo usando a dominância de Pareto), com o intuito de realizar uma extensa
avaliação experimental dos métodos propostos. Foram utilizados três algoritmos evolutivos
conhecidos (NSGA-II, SPEA e SPEA2) como mecanismo de busca subjacente, sobre
os quais duas variações de seleção de pais (Cruzamento pela Vizinhança) também foram
avaliadas.
A partir de um conjunto de oito instâncias retiradas da literatura dos problemas de
Roteamento e Steiner, os resultados experimentais indicaram que além de corrigir uma
heurística que potencialmente gerava indivíduos inválidos, as novas heurísticas forneceram
bons resultados nas métricas de convergência e diversidade consideradas. Especi-
camente, a heurística combinada proveu os melhores resultados na maioria dos casos,
mostrando que a estratégia de combinar um menor caminho com aleatoriedade durante as
reconexões foi benéco. Por sua vez, o uso do Crossover pela Vizinhança trouxe benefícios
mais nitidamente na formulação com maior número de objetivos, na qual as instâncias
apresentaram conjuntos Pareto-ótimos com maior cardinalidade. Testes de signicância
estatística foram aplicados, conrmando o que as estimativas pontuais e por intervalo
haviam evidenciado na maior parte dos casos.