Proposta de um algoritmo evolutivo assistido por um modelo de aproximação Kriging para problemas de otimização de alto custo computacional
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
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Felipe Campelo França Pinto
Michel Bessani
Rodrigo Tomás Nogueira Cardoso
Elizabeth Fialho Wanner
Michel Bessani
Rodrigo Tomás Nogueira Cardoso
Elizabeth Fialho Wanner
Resumo
Problemas de otimização que envolvem a avaliação de funções com alto custo computacional são frequentemente tratados na literatura através de estratégias baseadas em metamodelos. Um exemplo desse tipo de estratégia são os Algoritmos Evolutivos Assistidos por Metamodelo (SAEAs, Surrogate Model Assisted Evolutionary Algorithms), usualmente utilizados para a otimização de problemas computacionalmente caros de avaliar e que requerem muitas avaliações de função, como aqueles com elevado número de variáveis (atualmente, SAEAs têm sido aplicados a problemas com até 100 variáveis). Nesses métodos, o metamodelo é usado com a finalidade de conduzir o algoritmo evolutivo para regiões promissoras do espaço de busca e reduzir o número de avaliações exigidas por esses métodos. Entretanto, nesse tipo de estratégia, os custos associados à construção e atualização do metamodelo não podem ser proibitivos. Este trabalho propõe um SAEA autoadaptativo, denominado SAEAa, o qual acopla em um mesmo framework uma autoadaptação de parâmetro e um mecanismo detalhado que permite a escolha entre diferentes operadores de mutação. Especificamente incorpora-se operadores de mutação com estruturas distintas, o que permite agregar ao SAEAa uma manutenção de diversidade e maior pressão seletiva no processo evolutivo. Outra característica do SAEAa é o uso de um metamodelo Ordinary Kriging unidimensional, o que resulta em um menor custo computacional de construção/atualização de metamodelo em comparação com o uso de um modelo Kriging na sua forma usual. A descrição da estratégia proposta aborda também aspectos que influenciam diretamente na qualidade do metamodelo e diversidade da população, os quais não são tratados em SAEAs existentes na literatura. Aplicou-se o método proposto na otimização de um conjunto de funções analíticas e a análise de resultados mostrou que o método proposto apresentou um melhor desempenho, em termos de qualidade de solução e custo computacional, em comparação com estratégias recentes da literatura. Considerou-se também a aplicação do SAEAa na otimização de um projeto de antena para radar de subsolo (GPR, Ground Penetrating Radar), cujo o objetivo é encontrar uma configuração adequada de parâmetros que a antena deve apresentar para se adaptar bem a aplicação. Validou-se a solução retornada pelo SAEAa, a qual se mostrou adequada para aplicação em GPR. Além disso, foi possível evidenciar uma considerável redução de recurso computacional (tempo) a partir do emprego da abordagem proposta.
Abstract
Optimization problems that require the evaluation of functions with high computational
cost are frequently solved through metamodel-based strategies. Examples of strategies
based on metamodels are the Surrogate Model Assisted Evolutionary Algorithms (SAEAs)
that are usually employed to solve optimization problems that are computationally expensive to be evaluated and require several function evaluations, such as the ones with a large
number of variables. Currently, SAEAs have been applied in problems involving up to 100
variables. In such methods, the metamodel is used to guide the evolutionary algorithm
towards promising regions of the search space and to reduce the number of function
evaluations required. However, the cost associated with the update of the metamodel
cannot be prohibitive. This work proposes a self-adaptive SAEA, named SAEAa, which
couples in the same framework a parameter self-adaptation and a mechanism that allows
the choice between different mutation operators. More precisely, it couples mutation
operators with distinct features, adding in the SAEAa maintenance of population diversity
and selective pressure in the evolutive process. Another feature of SAEAa is that it employs a unidimensional Ordinary Kriging metamodel. Thus, it reduces the computational
cost of training this kind of metamodel compared to the standard form Kriging. The
description of the proposed strategy also addresses aspects that directly influence the
quality of metamodel and population diversity, which are not treated in SAEAs existing in
the literature. The proposed approach was employed to solve a set of analytical functions
of single-objective optimization problems. The results obtained suggest that the SAEAa
presents a better performance, in terms of solution quality and computational cost, when
compared to recent strategies. Besides, the proposed approach was employed on the
solution of a ground-penetrating radar (GPR) antenna design. The solution returned by
SAEAa was validated, and it showed to be suitable for application in GPR. Furthermore,
it was possible to show a considerable reduction in computational resources (time) from
using the proposed approach.
Assunto
Engenharia elétrica, Algoritmos, Otimização
Palavras-chave
Modelos de aproximação Kriging, Algoritmos evolutivos assistidos por metamodelos, Problemas de otimização de alto custo computacional
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