Diversity-driven migration strategy for distributed evolutionary algorithms applied to large-scale optimization problems

dc.creatorJean Nunes Ribeiro Araujo
dc.date.accessioned2023-10-04T17:29:55Z
dc.date.accessioned2025-09-09T00:56:52Z
dc.date.available2023-10-04T17:29:55Z
dc.date.issued2023-08-17
dc.description.abstractLarge-Scale Global Optimization (LSGO) Problems usually have thousands of decision variables and can be extremely complicated to solve using traditional metaheuristics. To deal with these problems, distributed models have been successfully employed by many Evolutionary Algorithms (EAs) over the past decade. These models provide means to enable collaboration between multiple islands (subpopulations), thus allowing to design strategies to deal with premature convergence and loss of diversity. Through introducing periodic migrations, many Distributed Evolutionary Algorithms (DEAs) have been proposed to improve the balance between exploration and exploitation. In this work, we present a diversity-based migration mechanism, in which the moment to perform the migrations is determined by assessing the loss of diversityof the islands. We call this strategy Diversity-driven Migration Strategy (DDMS). Focusing on large-scale global optimization problems, we built DDMS into a Cooperative Co-evolutionary (CC) model and used DE/best/1 and SHADE as optimizers. We test DDMS by sending the best individual and call it DDMS-BEST. To compete with the DDMS-BEST, we create a strategy to try to ensure that the migrant individual is capable of generating a diversity that helps a given island to explore new regions without harming its health. For that, we use an online clustering algorithm called TEDA-Cloud to generate clouds of good fitness individuals that have been previously migrated. In this strategy, the individual to be migrated must be extracted from a cloud whose population distribution is sufficiently different from the population distribution of the requesting island. We call it DDMS-TEDA. Using the CEC’2013 large-scale optimization test suite with 1000 decision variables, we compare DDMS against traditional migration strategies, namely, fixed and probabilistic interval migrations. Computational experiments with different scenarios showed that incorporating the DDMS strategy in a Cooperative Co-evolution Distributed Evolutionary Algorithm (CCDEA) led to better results. Considering the average error values, we show that both DDMS-BEST and DDMS-TEDA are better in the vast majority of functions and scenarios tested. Regarding the diversity, we showed that DDMS-TEDA gets better results in 100% of the functions. In Appendix A of this text, we also highlight the promising results of the DDMS-TEDA in scenarios with 50 and 100 variables.
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/59128
dc.languageeng
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso Aberto
dc.subjectEngenharia elétrica
dc.subjectAlgoritmos
dc.subjectModelos matemáticos
dc.subjectOtimização
dc.subject.otherLarge-scale optimization problems
dc.subject.otherDistributed evolutionary algorithms
dc.subject.otherDiversity in evolutionary algorithms
dc.subject.otherMigration policies in distributed evolutionary algorithms
dc.titleDiversity-driven migration strategy for distributed evolutionary algorithms applied to large-scale optimization problems
dc.title.alternativeEstratégia de migração dirigida à diversidade para algoritmos evolucionários distribuídos aplicada a problemas de otimização de larga escala
dc.typeTese de doutorado
local.contributor.advisor1Lucas de Souza Batista
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9418849740691899
local.contributor.referee1Cristiano Leite de Castro
local.contributor.referee1Elizabeth Fialho Wanner
local.contributor.referee1Rodrigo César Pedrosa Silva
local.contributor.referee1André Luiz Maravilha Silva
local.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/7149480241948977
local.description.resumoProblemas de otimização global em larga escala geralmente possuem milhares de variáveis de decisão e podem ser extremamente complicados de resolver usando metaheurísticas tradicionais. Para lidar com esses problemas, modelos distribuídos têm sido empregados com sucesso por muitos algoritmos evolucionários (AEs) na última década. Esses modelos fornecem meios para permitir a colaboração entre ilhas (subpopulações), permitindo assim projetar estratégias para lidar com a convergência prematura e a perda de diversidade. Por meio de migrações periódicas, muitos algoritmos evolucionários distribuídos (AEDs) têm sido propostos para melhorar o equilíbrio entre exploração global e local. Neste trabalho, nós apresentamos um mecanismo de migração baseado em diversidade, em que o momento da migração é determinado avaliando a perda de diversidade das ilhas. Chamamos essa estratégia de Estratégia de Migração Orientada à Diversidade (DDMS). Tendo os problemas de otimização global de larga escala como foco, construímos o DDMS dentro de um modelo Cooperativo Coevolutivo (CC) e usamos o DE/best/1 e o SHADE como otimizadores. Nós testamos o DDMS enviando o melhor indivíduo e chamamos essa estratégia de DDMS-BEST. Para competir com o DDMS-BEST, nós criamos uma estratégia para tentar garantir que o indivíduo migrante seja capaz de gerar uma diversidade que ajude uma determinada ilha a explorar novas regiões sem prejudicar sua saúde. Para isso, nós usamos um algoritmo de agrupamento online chamado TEDA-Cloud para gerar nuvens de indivíduos com boa aptidão que foram migrados anteriormente. Nesta estratégia, o indivíduo a ser migrado deve ser extraído de uma nuvem cuja distribuição populacional seja suficientemente diferente da distribuição populacional da ilha que solicitou a migração. Nós chamamos essa estratégia de DDMS-TEDA. Usando o conjunto de testes de otimização em larga escala CEC’2013 com 1000 variáveis de decisão, nós comparamos as estratégias que usam o DDMS com estratégias de migração tradicionais, ou seja, migrações com intervalo fixo e probabilístico. Experimentos computacionais em diferentes cenários mostraram que a incorporação da estratégia DDMS em um algoritmo cooperativo coevolutivo evolucionário distribuído levou a melhores resultados. Considerando os valores médios de erro, mostramos que tanto o DDMS-BEST quanto o DDMS-TEDA são melhores na grande maioria das funções e cenários testados. Em relação à diversidade, mostramos que o DDMS-TEDA obtem melhores resultados em 100% das funções testadas. No Apêndice A deste texto, destacamos também os resultados promissores do DDMS-TEDA em cenários com 50 e 100 variáveis.
local.identifier.orcid0000-0003-2900-3021
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

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