Νοήμονες μέθοδοι και μηχανική των αποφάσεων

Abstract

Τα τελευταία χρόνια η αυξανόμενη πολυπλοκότητα των προβλημάτων της βιομηχανίας έχει φέρει στο προσκήνιο την εφαρμογή μεθόδων Τεχνητής Νοημοσύνης, οι οποίες καλούνται να προσεγγίσουν την βέλτιστη στρατηγική ενός προβλήματος λήψης απόφασης. Τα εν λόγω προβλήματα βελτιστοποίησης είναι συνήθως αυξημένης πολυπλοκότητας και εμφανίζονται σε διάφορα πεδία της Μηχανικής (Engineering). Η παρούσα έρευνα στοχεύει στην ανάπτυξη και εφαρμογή τέτοιων νοημόνων μεθοδολογιών για την επιτυχή λήψη αποφάσεων σε μια σειρά από προβλήματα βελτιστοποίησης. Η μελέτη εστιάζει σε δύο διαφορετικά μεταξύ τους προβλήματα, όπου η εφαρμογή των εν λόγω μεθοδολογιών εμφανίζει σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον. Πιο συγκεκριμένα, τα προβλήματα που επιλέχθηκαν προέρχονται από τον χώρο της Μηχανικής της Αξιοπιστίας (Reliability Engineering) και της Εφοδιαστικής Αλυσίδας (Logistics). Ως αποτέλεσμα, η έρευνα χωρίζεται σε δύο άξονες. Ο κύριος στόχος της παρούσας εργασίας είναι να διερευνήσει εάν τέτοιες μεθοδολογίες αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο για την επίλυση πολύπλοκων προβλημάτων Βελτιστοποίησης. Στο πρώτο μέρος της έρευνας επιλύονται προβλήματα κατανομής αξιοπιστίας-εφεδρείας (reliability-redundancy allocation) χρησιμοποιώντας νοήμονα υβριδικά σχήματα που απαρτίζονται από αλγόριθμους που είναι εμπνευσμένοι από τη φύση (Nature Inspired Algorithms). Τα προβλήματα αυτά αποτελούν τον συνδυασμό των προβλημάτων κατανομής αξιοπιστίας (reliability allocation) και κατανομής εφεδρείας (redundancy allocation). Τα εν λόγω προβλήματα στοχεύουν στην επίτευξη του υψηλότερου επιπέδου αξιοπιστίας ενός συστήματος, κατά το οποίο πρέπει να προσδιοριστεί η κατάλληλη προδιαγραφή αξιοπιστίας των εξαρτημάτων (κατανομή αξιοπιστίας) καθώς και το πλήθος των εξαρτημάτων (κατανομή εφεδρείας) για κάθε ένα από τα υποσυστήματα. Στόχος είναι να διερευνηθεί εάν ο υβριδισμός είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος προσέγγισης προβλημάτων με πολλαπλούς στόχους. Ως εκ τούτου, για τον σχεδιασμό των υβριδικών σχημάτων επιλέχθηκαν γνωστοί αλγόριθμοι που έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία σε προβλήματα κατανομής αξιοπιστίας και κατανομής εφεδρείας στη βιβλιογραφία. Η ιδέα πίσω από αυτό είναι να μελετηθεί εάν ένα αποτελεσματικό υβριδικό σχήμα είναι το αποτέλεσμα της υβριδοποίησης (επιμέρους) αποδοτικών αλγορίθμων. Για τον έλεγχο της προτεινόμενης προσέγγισης προτείνονται εννέα (9) εναλλακτικά μεθοδολογικά σχήματα. Η απόδοση των εννέα προτεινόμενων σχημάτων και των επιμέρους (μεμονωμένων) αλγορίθμων ελέγχεται σε δέκα γνωστές τεχνητές και πραγματικές μελέτες περίπτωσης, από τον χώρο της μηχανικής της αξιοπιστίας. Μάλιστα, τα αποτελέσματα συγκρίνονται με άλλα της βιβλιογραφίας, υπογραμμίζοντας την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων υβριδικών σχημάτων και, κατά συνέπεια, υποστηρίζουν την ερευνητική υπόθεση ότι ο υβριδισμός μπορεί να βελτιώσει την απόδοση των μεθόδων βελτιστοποίησης. Στο δεύτερο μέρος της έρευνας, μελετάται μια παραλλαγή (εκδοχή) του προβλήματος δρομολόγησης οχημάτων (Vehicle Routing Problem-VRP). Το εν λόγω πρόβλημα είναι ένα από τα πιο γνωστά προβλήματα συνδυαστικής βελτιστοποίησης, καθώς γύρω του έχει γίνει σημαντική έρευνα ως προς τη διερεύνηση νέων παραλλαγών του και νέων προσεγγίσεων επίλυσής του. Μία από αυτές τις παραλλαγές είναι το πρόβλημα δρομολόγησης ηλεκτρικών οχημάτων (Electric Vehicle Routing Problem-EVRP), του οποίου κύριος στόχος είναι να βρεθεί η βέλτιστη δρομολόγηση ενός στόλου ηλεκτρικών οχημάτων, λαμβάνοντας υπόψη τις τοποθεσίες των σταθμών φόρτισης και την κατανάλωση μπαταρίας των οχημάτων. Ο στόχος αυτής της μελέτης χωρίστηκε σε τρία μέρη. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μια σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση αναφορικά με τις μετα-ευρετικές (meta-heuristics) προσεγγίσεις που εφαρμόζονται στην εν λόγω παραλλαγή του προβλήματος. Έπειτα συλλέχθηκαν πληροφορίες σχετικά με τα διαθέσιμα δεδομένα μελετών περίπτωσης και τέλος προτάθηκε μια νέα καινοτόμος μέθοδος βελτιστοποίησης αποικίας μυρμηγκιών (Ant Colony Optimization) για την επίλυση του προβλήματος δρομολόγησης ηλεκτρικών οχημάτων. Μάλιστα, τα αποτελέσματα συγκρίνονται με διαφορετικές γνωστές μετα-ευρετικές προσεγγίσεις σε διάφορες περιπτώσεις του εν λόγω προβλήματος.