Νοήμονες υπολογιστικές μέθοδοι εμπνευσμένες από τον φυσικό κόσμο για την βελτιστοποίηση συστημάτων: αλγόριθμος βελτιστοποίησης εμπνευσμένης από τον ηχοεντοπισμό

Abstract

Η εποχή που διανύουμε φέρνει στο προσκήνιο την Τεχνητή Νοημοσύνη, καθότι διάφοροι κλάδοι ενσωματώνουν εντυπωσιακές εφαρμογές της. Πολλές αναφορές γίνονται στην 4η Βιομηχανική Επανάσταση, η οποία έχει πλέον την Τεχνητή Νοημοσύνη ως κύριο πυλώνα της. Ήδη από τη δεκαετία του 1950 αναπτύσσονταν νοήμονα συστήματα λήψης απόφασης, τα οποία συνήθως είχαν υποστηρικτικό ρόλο για έναν λήπτη απόφασης. Προβλήματα στα οποία έπρεπε να βρεθεί μια βέλτιστη στρατηγική, τα επονομαζόμενα προβλήματα βελτιστοποίησης, εμφανίζονται σε διάφορα πεδία όπως η Χρηματοοικονομική Μηχανική (Financial Engineering), η Μηχανική της Διοίκησης (Management Engineering) και η Επιχειρησιακή Έρευνα (Operational Research). Πολλά εκ των προβλημάτων που καλείται να λύσει ένας Μηχανικός ανήκουν στα προβλήματα βελτιστοποίησης. Και καθώς τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η βιομηχανία γίνονται ολοένα και πιο δύσκολα, αυξάνεται η χρησιμότητα των Νοημόνων Υπολογιστικών Μεθόδων και η ενσωμάτωσή τους στους σχετικούς κλάδους της βιομηχανίας. Το φάσμα των Νοημόνων Υπολογιστικών Μεθόδων είναι ευρύ και εκτείνεται από τις μεθόδους Μηχανικής Μάθησης (Machine Learning) μέχρι και τις Νοήμονες Μεθόδους που είναι Εμπνευσμένες από τη Φύση (Nature-inspired Intelligent Methods). Οι τελευταίες, παρόλο που άρχισαν να αναπτύσσονται από τα μέσα της δεκαετίας του ’80, αποτέλεσαν ξεχωριστή κατηγορία Νοημόνων Υπολογιστικών Μεθόδων στη βιβλιογραφία στις αρχές του 2000. Λόγω της ικανότητάς τους να επιλύουν δύσκολα προβλήματα βελτιστοποίησης πολλών διαστάσεων, οι Νοήμονες Υπολογιστικές Μέθοδοι Εμπνευσμένες από τον Φυσικό Κόσμο έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον των ερευνητών διεθνώς ήδη από την προηγούμενη δεκαετία. Στην παρούσα διατριβή συλλέχθηκαν και μελετήθηκαν όλες οι Νοήμονες Υπολογιστικές Μέθοδοι που είναι Εμπνευσμένες από τον Φυσικό Κόσμο με σκοπό να εντοπιστούν τα χαρακτηριστικά που μπορούν να βελτιώσουν την απόδοσή τους. Επιπρόθετα, η μελέτη εστίασε και στα προβλήματα (χώρους εφαρμογής) που εφαρμόζονται οι παραπάνω μέθοδοι. Από αυτή την εκτενή μελέτη της βιβλιογραφίας προέκυψαν κάποιες παρατηρήσεις, οι οποίες αποτυπώθηκαν σε ένα πλαίσιο εργασίας (framework), το οποίο μπορεί να ακολουθήσει ο ενδιαφερόμενος ερευνητής, ώστε να αναπτύξει ή να βελτιώσει κάποια υπάρχουσα Νοήμονα Υπολογιστική Μέθοδος Εμπνευσμένη από τον Φυσικό Κόσμο. Επιπλέον, σε συμφωνία με το προτεινόμενο πλαίσιο εργασίας και με βάση τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά, αναπτύχθηκε μια νέα νοήμων υπολογιστική μέθοδος εμπνευσμένη από τους νόμους της υποθαλάσσιας ακουστικής, η οποία αποδεικνύεται αποτελεσματική στην επίλυση διαφόρων πρακτικών εφαρμογών από το χώρο της Μηχανικής των Αποφάσεων (Βελτιστοποίηση Χαρτοφυλακίου, Βέλτιστη Εξισορρόπηση Πόρων στη Διοίκηση Έργων, Οικονομική Κατανομή Φορτίου, Βελτιστοποίηση Γραμμών Παραγωγής). Μάλιστα, τα αποτελέσματα της προτεινόμενης μεθόδου συγκρίνονται με αυτά άλλων κλασικών μεθόδων της βιβλιογραφίας ή μεθόδων που ανήκουν εξίσου στην κατηγορία των Υπολογιστικών Μεθόδων που είναι Εμπνευσμένες από τον Φυσικό Κόσμο, τις οποίες και ξεπερνάει σε απόδοση. Κατά τη διάρκεια της έρευνας, εφαρμόζοντας την προτεινόμενη μέθοδο σε προβλήματα των χώρων εφαρμογής που αναφέρονται παραπάνω, βελτιώθηκαν μηχανισμοί της μεθόδου, ενώ αναπτύχθηκαν μηχανισμοί που βοήθησαν στην αντιμετώπιση διάφορων προβλημάτων που αντιμετωπίζουν οι Νοήμονες Υπολογιστικές Μέθοδοι που είναι Εμπνευσμένες από τον Φυσικό Κόσμο. Μάλιστα, οι μηχανισμοί που αναπτύχθηκαν αποτελούν και μέρος της συνεισφοράς της παρούσας διατριβής, καθώς μπορούν να υιοθετηθούν και από άλλες μεθόδους Υπολογιστικής Νοημοσύνης. Τέλος, σε ορισμένες περιπτώσεις αναπτύχθηκαν και υβριδικά σχήματα που περιέχουν την υπολογιστική μέθοδο που προτείνεται στην παρούσα διατριβή με σκοπό την βελτίωση της απόδοσής της.

The current era brings Artificial Intelligence to the forefront, as various industries incorporate impressive applications. Many references are made to the 4th Industrial Revolution, which now has Artificial Intelligence (AI) as its main pillar. As early as the 1950s, intelligent decision-making systems were being developed, which usually played a supporting role for a decision-maker. Problems in which an optimal strategy had to be found, the so-called optimization problems, arise in a variety of areas such as Financial Engineering, Management Engineering and Operational Research. Many of the problems that an engineer has to solve are optimization problems. While the problems that the industry faces become more and more difficult, the usefulness of Intelligent Computing and its integration into the relevant industry sectors is increasing. The range of Computational Intelligence oriented methods is wide, ranging from Machine Learning to Nature-inspired Intelligent (NII) Methods. Although NII methods initially appeared back in the mid-80s, they constituted a separate category of Computational Intelligent (CI) only in the early 2000's. Due to their ability to solve difficult multi-dimensional optimization problems, Computational Intelligence oriented methods have attracted the interest of researchers over the past decade. In this thesis, all Computational Intelligence oriented methods inspired by nature have been collected and studied in order to identify the features that can improve their performance. Moreover, this study focuses also on the application areas that these methods are used. As a result from this comprehensive literature review, some conclusions have been drawn. These conclusions constitute a framework that can be carried out for the development or improvement of Nature-inspired Intelligent Method. In addition, based on this framework and the aforementioned features, a new Nature-Inspired Intelligent approach inspired by the laws of underwater acoustics, has been developed. This approach has been proved to be effective in various application domains (Portfolio Optimization, Resource Leveling in Project Management, Economic Load Dispatch, Production Lines Optimization). What is more, compared with other state-of-the-art methods of literature and other Nature-Inspired Algorithms, the proposed approach obtains a superior performance. Throughout the conducted research, the main mechanisms of the proposed algorithm have been improved, based on the experimentation in the aforementioned application areas. Furthermore, some novel mechanisms (in respect of autotuning and balancing exploration and exploitation) have been implemented in the proposed approach. These mechanisms are part of the contribution of this thesis, since they can be implemented also in several Computational Intelligence oriented methods, in order to overcome problems that these methods usually face off. Furthermore, in some cases, hybrid intelligent schemes have been developed containing the proposed approach, in order to obtain improved performance.