Algoritmos Meméticos con Propiedades Self-* para la Optimización de Problemas Complejos

269 Pages·2015·6 MB·Spanish

by  Rafael Nogueras Sánchez

Algoritmos Mem´eticos con Propiedades
Self-(cid:63) para la Optimizacio´n de
Problemas Complejos
Tesis presentada por Rafael Nogueras Sa´nchez
bajo la supervisio´n del Dr. Carlos Cotta Porras
para obtener el grado de Doctor por la Universidad de Ma´laga
2015
Programa Tecnolog´ıas de la Informacio´n
Departamento de Lenguajes y Ciencias de la Computacio´n
Escuela T´ecnica Superior de Ingenier´ıa Inform´atica
Universidad de M´alaga
AUTOR: Rafael Nogueras Sánchez
http://orcid.org/0000-0002-2456-5925

EDITA: Publicaciones y Divulgación Científica. Universidad de Málaga

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Esta Tesis Doctoral está depositada en el Repositorio Institucional de la Universidad de
Málaga (RIUMA): riuma.uma.es
D. Carlos Cotta Porras, Profesor Titular de Universidad del Departamento de
Lenguajes y Ciencias de la Computacio´n de la Universidad de Ma´laga
CERTIFICA
que D. Rafael Nogueras S´anchez, Ingeniero en Inform´atica por la Univer-
sidad de Ma´laga ha realizado en el Departamento de Lenguajes y Ciencias de
la Computacio´n de la Universidad de M´alaga, bajo su direccio´n, el trabajo de
investigaci´on correspondiente a su Tesis Doctoral titulada
Algoritmos Mem´eticos con Propiedades Self-(cid:63) para la Optimizaci´on de Proble-
mas Complejos
Revisado el presente trabajo, estimo que puede ser presentado al tribunal que
ha de juzgarlo, y autorizo la presentacio´n de esta Tesis Doctoral en la Universi-
dad de Ma´laga.
En M´alaga, 22 de Julio de 2015
Firmado: Carlos Cotta Porras
Profesor Titular de Universidad
Dpto. Lenguajes y Ciencias de la Computacio´n
Universidad de M´alaga

Agradecimientos
Esta tesis doctoral ha supuesto un enorme esfuerzo para muchas personas a
las que quiero agradecer su compromiso y atenci´on, en unas facetas o en otras,
lo que ha permitido que pudiera llegar a su conclusio´n.
EnprimerlugaramimujerMamenyamihijoJavier,porsuapoyoconstante,
su tolerancia y su confianza absoluta. Siempre estar´e en deuda con ambos por el
tiempo que les he robado. Tambi´en debo expresar mi gratitud a mis padres, por
su completa entrega y dedicacio´n, tanto en este como en otros cap´ıtulos de mi
formacio´n acad´emica. Y no puedo olvidarme de mi hermano Rub´en, Ingeniero en
Informa´tica como yo, que siempre ha sabido resolver todas mis dudas t´ecnicas y
me ha dado muy acertados consejos.
Finalmente, mi reconocimiento y admiraci´on m´as sinceros para el director de
estetrabajo,elDr.CarlosCotta.Quieroagradecerlesupacienciaydisponibilidad,
mayores de lo que podr´ıa haber esperado, as´ı como su enorme capacidad docente.
Quiero tambi´en darle las gracias por haberme transmitido sus conocimientos y
su entusiasmo por lo que hace, dos pilares ba´sicos para el desarrollo de esta tesis.
Adema´s, ha sabido ensen˜arme a investigar, a que siempre hay otra pregunta que
se podr´ıa formular y otra hipo´tesis que se podr´ıa plantear. Es justo reconocer
que este trabajo nunca habr´ıa podido finalizarse sin su ayuda plena. Carlos es sin
duda alguna, el mejor ejemplo a seguir y el mejor modelo a imitar.
I
II Agradecimientos
´
Indice de contenidos
Agradecimientos I
´Indice de contenidos II
´Indice de acro´nimos VII
´Indice de algoritmos X
´Indice de tablas XI
´Indice de figuras XVIII
1. Introduccio´n 1
1.1. Planteamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3. Estructura de la Tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4. Contribuciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5. Listado de Publicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Antecedentes y Conceptos Previos 7
2.1. La Complejidad de Resolver Problemas . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1. Problemas y Optimizacio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2. Complejidad Computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3. Clases de Complejidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2. Metaheur´ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.1. Concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2. Clasificaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3. Computacio´n Evolutiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.1. Evoluci´on Biolo´gica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.2. Algoritmia en la Computaci´on Evolutiva . . . . . . . . . . 26
2.3.3. Variantes de los Algoritmos Evolutivos . . . . . . . . . . . 32
2.4. Computacio´n Mem´etica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1. Antecedentes y Necesidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.2. Algoritmos Mem´eticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.3. Factores de Disen˜o de un MA . . . . . . . . . . . . . . . . 40
III
´
IV Indice de contenidos
2.4.4. Hacia la Computacio´n con Memes . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5. Propiedades Self-(cid:63) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.1. Concepto y Necesidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.2. Formalizacio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.3. Propiedades Self-(cid:63) en Computacio´n Evolutiva y Mem´etica 52
2.6. Computacio´n Paralela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.1. Arquitecturas de Computacio´n Paralela . . . . . . . . . . . 58
2.6.2. Computaci´on Distribuida y Algoritmos Bioinspirados . . . 64
3. An´alisis de Algoritmos Mem´eticos con Auto-Generacio´n 79
3.1. Algoritmos Multimem´eticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.1.1. Estructura de un MMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.1.2. Representacio´n de Memes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.1.3. Estructura Espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2. Ana´lisis de la Propagaci´on de Memes . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2.1. Modelo Selecto-lamarckiano . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.2.2. Propagaci´on de Memes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.2.3. Simulaciones Num´ericas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2.4. Resultados Experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.5. Discusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.3. Auto-Adaptacio´n en Algoritmos Multimem´eticos . . . . . . . . . . 99
3.3.1. Esquema auto-adaptativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.3.2. An´alisis Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.3.3. Discusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4. Algoritmos de Estimaci´on de Distribuciones Multimem´eticos . . . 104
3.4.1. Aproximaci´on Probabil´ıstica . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.4.2. An´alisis Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.4.3. Discusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4. Algoritmos Multimem´eticos basados en Islas 113
4.1. El Modelo de Islas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.1.1. Descripcio´n del Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.1.2. Estrategias de Migracio´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.1.3. An´alisis Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.1.4. Discusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2. Tolerancia a Fallos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.2.1. Necesidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.2.2. Modelos del Entorno Computacional . . . . . . . . . . . . 123
4.2.3. Estrategias de Gestio´n de Fallos . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2.4. An´alisis Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.5. Discusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.3. Ana´lisis de Sensibilidad de la Estrategia de Checkpoint . . . . . . 138
4.3.1. Topolog´ıas de Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.3.2. An´alisis Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
´
Indice de contenidos V
4.3.3. Discusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5. Auto-Escalado y Auto-Reparacio´n en el Modelo de Islas 147
5.1. Algoritmos Multimem´eticos con Equilibrado de Carga . . . . . . . 148
5.1.1. El Modelo Selecto-Lamarckiano Basado en Islas . . . . . . 149
5.1.2. Estrategias de Auto-equilibrado . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.1.3. An´alisis Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.1.4. Discusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.2. Ana´lisis de Topolog´ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.2.1. Modelo Computacional Dina´mico . . . . . . . . . . . . . . 162
5.2.2. An´alisis Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.2.3. Discusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.3. Estrategias de Auto-Muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.3.1. Uso de Modelos Probabil´ısticos . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.3.2. An´alisis Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.3.3. Discusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.4. Estrategias de Auto-Cableado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.4.1. Auto-Cableado Dina´mico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.4.2. An´alisis Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.4.3. Discusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.5. Auto-Cableado con Auto-Muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.5.1. An´alisis Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.5.2. Discusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6. Discusio´n Final 183
6.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.2. Trabajo Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A. Descripcio´n de las Funciones de Test 189
A.1. TRAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
A.2. H-IFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
A.3. H-XOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
A.4. MMDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
A.5. SAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
B. Datos Num´ericos 193
B.1. Datos Num´ericos Cap´ıtulo 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
B.2. Datos Num´ericos Cap´ıtulo 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Bibliograf´ıa 207
´Indice alfab´etico 239
´
VI Indice de contenidos