Multiobjective simulation optimization using enhanced evolutionar

Tối ưu hóa mô phỏng đa mục tiêu với thuật toán tiến hóa cải tiến. Khám phá phương pháp mới cho hiệu quả và độ chính xác cao.

Chuyên ngành

Industrial Engineering and Management Systems

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

133

Thời gian đọc

20 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
Giải quyết tối ưu đa mục tiêu phức tạp trong kinh doanh
Số trang:
133 trang
Trường:
University of Central Florida
Chuyên ngành:
Industrial Engineering and Management Systems
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I.Giải quyết tối ưu đa mục tiêu phức tạp trong kinh doanh

Các quyết định kinh doanh quan trọng đòi hỏi tối ưu hóa nhiều mục tiêu. Thường xuyên, các mục tiêu này mâu thuẫn lẫn nhau. Việc cải thiện một mục tiêu có thể làm giảm hiệu suất của các mục tiêu khác. Các phương pháp truyền thống thường biến đổi nhiều mục tiêu thành một mục tiêu duy nhất. Cách tiếp cận này tạo ra một giải pháp duy nhất. Tuy nhiên, nó bỏ qua tập hợp các giải pháp Pareto tối ưu tiềm năng. Các nhà nghiên cứu và thực tiễn đang tìm kiếm kỹ thuật thay thế. Kỹ thuật này nên cung cấp một tập hợp các giải pháp, không chỉ một. Điều này mang lại lợi thế cạnh tranh đáng kể. Nghiên cứu tập trung vào việc vượt qua những hạn chế này. Nó đề xuất các phương pháp mới để tìm kiếm hiệu quả các giải pháp tốt nhất.

1.1. Tối ưu hóa đa mục tiêu Quyết định kinh doanh chiến lược

Môi trường kinh doanh cạnh tranh yêu cầu ra quyết định chính xác. Các quyết định này thường liên quan đến tối ưu hóa đồng thời nhiều mục tiêu. Mục tiêu có thể bao gồm tối đa hóa lợi nhuận, giảm chi phí, hoặc cải thiện chất lượng dịch vụ. Tìm kiếm điểm cân bằng tối ưu là rất quan trọng. Các tổ chức cần những công cụ hỗ trợ quá trình ra quyết định phức tạp này. Khả năng giải quyết các mục tiêu đa dạng tạo ra lợi thế chiến lược. Việc này đảm bảo tính bền vững và tăng trưởng.

1.2. Hạn chế của phương pháp scalarization truyền thống

Phương pháp scalarization là cách tiếp cận phổ biến ban đầu. Nó chuyển đổi bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu thành một bài toán đơn mục tiêu. Kết quả là chỉ có một giải pháp tối ưu được tìm thấy. Phương pháp này bỏ qua không gian giải pháp Pareto. Nó không cung cấp một tập hợp các lựa chọn cho người ra quyết định. Việc thiếu các lựa chọn khác nhau có thể hạn chế khả năng khám phá các giải pháp thỏa hiệp tốt nhất. Điều này làm giảm tính linh hoạt trong chiến lược.

1.3. Nhu cầu về giải pháp Pareto tối ưu

Giải pháp Pareto tối ưu là một tập hợp các giải pháp không thể cải thiện một mục tiêu mà không làm xấu đi ít nhất một mục tiêu khác. Việc tìm kiếm tập hợp này cung cấp cái nhìn toàn diện hơn. Nó cho phép người ra quyết định lựa chọn dựa trên sự ưu tiên và rủi ro. Các kỹ thuật tiên tiến cần tạo ra một tập hợp đa dạng các giải pháp Pareto. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống thực tế phức tạp. Tập hợp này hỗ trợ ra quyết định chiến lược.

II.Thách thức tối ưu hóa mô phỏng trong môi trường ngẫu nhiên

Vấn đề tối ưu hóa trở nên phức tạp hơn trong môi trường ngẫu nhiên. Trong môi trường này, các giá trị mục tiêu chứa đựng sự không chắc chắn. Chúng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ngẫu nhiên của hệ thống. Đây là một thực tế phổ biến trong các tình huống thế giới thực. Một cách tiếp cận giải pháp hiệu quả phải đủ mạnh mẽ. Nó cần có khả năng xử lý sự không chắc chắn của các giá trị mục tiêu. Việc phát triển các kỹ thuật hiệu quả để tạo ra các giải pháp Pareto tối ưu trong môi trường này là một thách thức lớn. Thách thức này thậm chí còn lớn hơn so với các đối tác xác định của chúng. Simulation modeling thường gặp phải vấn đề này.

2.1. Tối ưu hóa trong môi trường ngẫu nhiên và biến động

Nhiều bài toán thực tế phải đối mặt với dữ liệu ngẫu nhiên. Các mục tiêu có thể có giá trị không chắc chắn. Ví dụ, thời gian chờ đợi hoặc mức tồn kho có thể biến động. Điều này làm cho việc đánh giá chính xác các giải pháp trở nên khó khăn. Các thuật toán cần tính đến yếu tố ngẫu nhiên này. Chúng phải tìm kiếm các giải pháp mạnh mẽ và đáng tin cậy. Việc bỏ qua tính ngẫu nhiên có thể dẫn đến các quyết định kém tối ưu. Stochastic optimization là cần thiết.

2.2. Vai trò của mô hình mô phỏng phức tạp

Nhiều vấn đề thực tế liên quan đến các hàm mục tiêu "hộp đen" phức tạp. Việc đánh giá số lượng lớn giải pháp có thể tốn kém. Chi phí có thể là về mặt tính toán hoặc tài chính. Các mô hình mô phỏng máy tính phức tạp thường được sử dụng. Chúng lặp lại để đánh giá các giải pháp tiềm năng. Tìm kiếm tập hợp các giải pháp tốt nhất. Các mô hình này là công cụ thiết yếu để hiểu hệ thống phức tạp. Discrete-event simulation là một ví dụ điển hình.

2.3. Chi phí tính toán trong đánh giá giải pháp

Việc sử dụng mô hình mô phỏng yêu cầu nhiều lần đánh giá giải pháp. Mỗi đánh giá thường rất tốn kém về mặt thời gian và tài nguyên. Điều này có thể khiến việc tìm kiếm giải pháp tối ưu trở nên không khả thi. Các phương pháp tối ưu hóa cần hiệu quả. Chúng phải tìm ra tập hợp các giải pháp Pareto tối ưu đa dạng một cách nhanh chóng. Giảm số lần đánh giá là một ưu tiên hàng đầu. Performance metrics được sử dụng để đánh giá.

III.Giải pháp thuật toán tiến hóa mới FPGA và SPGA

Nghiên cứu này đề xuất hai thuật toán tiến hóa đa mục tiêu (MOEA) mới. Chúng được gọi là Thuật toán di truyền Pareto nhanh (FPGA) và Thuật toán di truyền Pareto ngẫu nhiên (SPGA). FPGA được thiết kế cho các bài toán tối ưu hóa với nhiều mục tiêu xác định. SPGA nhắm đến các bài toán có nhiều mục tiêu ngẫu nhiên. Các thuật toán này đại diện cho một bước tiến trong lĩnh vực tối ưu hóa. Chúng cung cấp các phương pháp mạnh mẽ để xử lý các thách thức khác nhau. Cả hai đều thuộc nhóm Evolutionary algorithms và Genetic algorithms, sử dụng Metaheuristics.

3.1. Giới thiệu thuật toán di truyền Pareto nhanh FPGA

FPGA được phát triển đặc biệt cho các vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu xác định. Các vấn đề này có các giá trị mục tiêu rõ ràng và không thay đổi. FPGA tập trung vào việc hội tụ nhanh chóng đến biên Pareto tối ưu thực sự. Đồng thời, nó duy trì một tập hợp đa dạng các giải pháp không bị thống trị. Điều này đảm bảo người ra quyết định có nhiều lựa chọn tốt. FPGA là một Genetic algorithm hiệu quả cho Multiobjective optimization.

3.2. Thuật toán di truyền Pareto ngẫu nhiên SPGA

SPGA được thiết kế để xử lý các vấn đề tối ưu hóa với mục tiêu ngẫu nhiên. Đây là các mục tiêu có giá trị không chắc chắn. SPGA bao gồm các khái niệm ưu thế giải pháp mới. Điều này giúp phân biệt tốt hơn giữa các giải pháp cạnh tranh trong môi trường ngẫu nhiên. SPGA sử dụng chiến lược xếp hạng giải pháp dựa trên các khái niệm này. Điều này tăng cường khả năng tìm kiếm giải pháp mạnh mẽ trong điều kiện biến động. SPGA giải quyết Stochastic optimization.

3.3. Phương pháp tiếp cận thuật toán tiến hóa nâng cao

Cả FPGA và SPGA đều là những phương pháp tiếp cận dựa trên thuật toán tiến hóa. Chúng là một dạng của Metaheuristics. Các thuật toán này mô phỏng quá trình chọn lọc tự nhiên. Chúng tạo ra các giải pháp ngày càng tốt hơn qua các thế hệ. Các Evolutionary algorithms được biết đến với khả năng tìm kiếm không gian giải pháp rộng lớn. Chúng hiệu quả cho các bài toán tối ưu hóa phức tạp. Genetic algorithms là xương sống của các phương pháp này.

IV.Nâng cao hiệu suất thuật toán di truyền và tính đa dạng Pareto

Các thuật toán mới giới thiệu các toán tử tìm kiếm mới. Các toán tử này được sử dụng để nâng cao hiệu suất. Mục tiêu là hội tụ nhanh chóng đến biên Pareto tối ưu thực sự. Đồng thời, các thuật toán duy trì một tập hợp đa dạng các giải pháp không bị thống trị. Điều này rất quan trọng để cung cấp nhiều lựa chọn cho người ra quyết định. Việc đảm bảo cả tốc độ và sự đa dạng là trọng tâm chính của những cải tiến này. Các cải tiến này giúp các Evolutionary algorithms hoạt động hiệu quả hơn.

4.1. Toán tử tìm kiếm mới cho hiệu suất tối ưu

Các toán tử tìm kiếm truyền thống trong thuật toán tiến hóa có thể không đủ hiệu quả. Đặc biệt là đối với các bài toán tối ưu hóa phức tạp và đa mục tiêu. FPGA và SPGA tích hợp các toán tử tìm kiếm mới. Các toán tử này được thiết kế để tăng cường khả năng khám phá và khai thác không gian giải pháp. Chúng giúp các thuật toán hội tụ nhanh hơn. Đồng thời, chúng cũng duy trì sự đa dạng cần thiết trong quần thể giải pháp. Đây là một bước tiến của Genetic algorithms.

4.2. Khái niệm ưu thế giải pháp trong môi trường ngẫu nhiên

Trong môi trường ngẫu nhiên, việc xác định ưu thế giải pháp trở nên phức tạp. Các giá trị mục tiêu không cố định. Các khái niệm ưu thế giải pháp mới được định nghĩa. Các khái niệm này giúp phân biệt tốt hơn giữa các giải pháp cạnh tranh. Đặc biệt trong các tình huống có sự không chắc chắn. Điều này đảm bảo rằng các giải pháp được chọn để nhân giống thực sự tốt hơn. Chúng sẽ không bị nhầm lẫn do nhiễu ngẫu nhiên. Stochastic optimization cần các định nghĩa này.

4.3. Đảm bảo sự đa dạng của tập giải pháp Pareto

Một tập hợp giải pháp Pareto đa dạng là rất quan trọng. Nó cho phép người ra quyết định lựa chọn từ nhiều thỏa hiệp khác nhau. Các thuật toán mới tập trung vào việc duy trì sự đa dạng này. Chúng ngăn chặn quần thể hội tụ quá sớm vào một khu vực hẹp. Điều này đảm bảo rằng các giải pháp được tìm thấy trải rộng trên toàn bộ biên Pareto. Việc duy trì Pareto optimality trong Multiobjective optimization là then chốt.

V.Đánh giá hiệu quả và kết quả tối ưu đa mục tiêu vượt trội

Kết quả tính toán đã được thực hiện trên một bộ các bài toán kiểm tra đã xuất bản. Các kết quả này chỉ ra rằng cả FPGA và SPGA đều là những phương pháp tiếp cận đầy hứa hẹn. Chúng cho thấy hiệu suất vượt trội so với Thuật toán di truyền sắp xếp không bị thống trị cải tiến (NSGA-II). NSGA-II được coi là một tiêu chuẩn trong cộng đồng nghiên cứu MOEA. Sự vượt trội này thể hiện ở tốc độ hội tụ nhanh. Nó cũng thể hiện ở tính đa dạng của các giải pháp dọc theo biên Pareto. Các Performance metrics đã được sử dụng để đánh giá kỹ lưỡng.

5.1. So sánh hiệu suất với thuật toán NSGA II tiêu chuẩn

NSGA-II là một trong những Evolutionary algorithms đa mục tiêu được công nhận rộng rãi nhất. Nó thường được sử dụng làm điểm chuẩn để so sánh. Kết quả tính toán cho thấy FPGA và SPGA vượt trội hơn NSGA-II. Điều này được thể hiện rõ ràng trong các bài kiểm tra nghiêm ngặt. Sự so sánh này khẳng định tính ưu việt của các thuật toán mới. Genetic algorithms được đánh giá dựa trên các tiêu chí nghiêm ngặt.

5.2. Tốc độ hội tụ và tính đa dạng của giải pháp

Các thuật toán mới chứng minh khả năng hội tụ nhanh chóng hơn. Chúng đạt được biên Pareto tối ưu thực sự trong thời gian ngắn hơn. Đồng thời, chúng duy trì một tập hợp giải pháp đa dạng hơn. Điều này rất quan trọng để khám phá không gian giải pháp rộng lớn. Tốc độ hội tụ nhanh giúp giảm thời gian cần thiết để tìm kiếm giải pháp. Tính đa dạng cung cấp các lựa chọn phong phú cho người dùng. Cả hai yếu tố đều cải thiện Pareto optimality trong Multiobjective optimization.

5.3. Tiết kiệm chi phí tính toán trong mô hình mô phỏng

Một điểm nổi bật khác là FPGA và SPGA yêu cầu ít lần đánh giá giải pháp hơn đáng kể. So với NSGA-II, đây là một lợi thế lớn. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng Simulation modeling tốn kém về mặt tính toán. Giảm số lần đánh giá trực tiếp làm giảm thời gian chạy và chi phí. Điều này giúp các phương pháp này trở nên thực tế hơn cho các vấn đề quy mô lớn. Performance metrics xác nhận khả năng này.

VI.Ứng dụng thực tiễn trong ra quyết định kinh doanh chiến lược

Khả năng của FPGA và SPGA mang lại lợi ích đáng kể cho các ứng dụng thực tế. Đặc biệt là trong việc ra quyết định. Các thuật toán này cho phép các doanh nghiệp giải quyết các vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu phức tạp. Ngay cả khi đối mặt với sự không chắc chắn và chi phí tính toán cao. Chúng cung cấp một bộ các giải pháp tối ưu. Điều này hỗ trợ việc lập kế hoạch và chiến lược. Các kết quả này có thể biến thành lợi thế cạnh tranh mạnh mẽ. Simulation modeling và Multiobjective optimization được hưởng lợi.

6.1. Hỗ trợ ra quyết định trong môi trường cạnh tranh

Trong một thị trường năng động, việc ra quyết định nhanh chóng và hiệu quả là yếu tố sống còn. Các thuật toán mới giúp các nhà quản lý đưa ra lựa chọn sáng suốt hơn. Chúng cung cấp các lựa chọn tối ưu đã được cân nhắc kỹ lưỡng. Điều này giúp các tổ chức điều hướng qua các thách thức kinh doanh. Nó cải thiện khả năng phản ứng và thích nghi với các điều kiện thay đổi. Multiobjective optimization cải thiện Decision making chiến lược.

6.2. Giải pháp cho các hệ thống mô phỏng phức tạp

Nhiều ngành công nghiệp sử dụng mô phỏng để thiết kế và tối ưu hóa hệ thống. Từ sản xuất đến logistics và dịch vụ. Các hệ thống này thường rất phức tạp và có nhiều mục tiêu. FPGA và SPGA cung cấp một công cụ mạnh mẽ. Chúng có thể tối ưu hóa hiệu quả các mô hình này. Điều này dẫn đến các hệ thống hiệu quả hơn và hiệu suất được cải thiện. Simulation modeling trở nên thực tế hơn với Discrete-event simulation.

6.3. Tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp

Công nghệ này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Các lĩnh vực như kỹ thuật, tài chính, chăm sóc sức khỏe, và quản lý chuỗi cung ứng đều có thể hưởng lợi. Bất kỳ nơi nào có nhu cầu tối ưu hóa nhiều mục tiêu trong môi trường ngẫu nhiên. Các thuật toán này cung cấp một khuôn khổ đáng tin cậy. Chúng hỗ trợ việc tìm kiếm các giải pháp tối ưu. Stochastic optimization và Multiobjective optimization có tầm quan trọng lớn trong công nghiệp.

Mục lục chi tiết luận án

TÓM TẮT
LỜI ĐỀ TẶNG
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Tối ưu hóa đa mục tiêu
1.2. Tính trội của nghiệm trong môi trường bài toán đa mục tiêu (xác định)
1.3. Mô hình hóa mô phỏng hệ thống
1.4. Tối ưu hóa qua mô phỏng
1.5. Tối ưu hóa mô phỏng cho nhiều mục tiêu ngẫu nhiên
1.6. Mục tiêu nghiên cứu
1.7. Bố cục của luận án
2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA MÔ PHỎNG
2.1. Các phương pháp tiếp cận cổ điển cho tối ưu hóa mô phỏng
2.1.1. Tối ưu hóa đường mẫu
2.1.2. Phương pháp bề mặt đáp ứng
2.1.3. Phương pháp tìm kiếm ngẫu nhiên
2.1.4. Quy trình lựa chọn thống kê
2.2. Các phương pháp tìm kiếm siêu phỏng đoán cho tối ưu hóa mô phỏng
2.3. Các thuật toán tiến hóa cho tối ưu hóa đa mục tiêu
2.3.1. Thuật toán di truyền đánh giá bằng vectơ
2.3.2. Thuật toán di truyền đa mục tiêu
2.3.3. Thuật toán di truyền sắp xếp không bị trội
2.3.4. Thuật toán di truyền Pareto thích nghi ổ sinh thái
2.4. Các thuật toán tiến hóa đa mục tiêu trong điều kiện không chắc chắn
2.5. Tối ưu hóa mô phỏng đa mục tiêu
3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT
3.1. Phương pháp đề xuất – Thuật toán di truyền Fast Pareto (FPGA)
3.1.1. Khởi tạo FPGA và đánh giá nghiệm
3.1.2. Xếp hạng nghiệm và gán độ thích nghi
3.1.3. Thao tác khoảng cách tập trung
3.1.4. Các thao tác ưu tú và mở rộng
3.1.5. Các thao tác lai ghép và đột biến
3.1.6. Sàng lọc tập nghiệm không bị trội bằng phân cụm
3.1.7. Độ phức tạp tính toán của FPGA
4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CỦA FPGA
4.1. Các bài toán kiểm chuẩn
4.2. Thiết lập tham số cho MOEA
4.3. Khoảng cách tới mặt biên Pareto tối ưu
4.4. Độ đa dạng của các nghiệm không bị trội
4.5. Độ phân định của mặt biên Pareto tối ưu
4.6. Kết quả tính toán của FPGA
4.7. Điều kiện dừng tìm kiếm
4.8. Thảo luận kết quả
4.9. Thảo luận về việc điều tiết quần thể FPGA
5. CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT CHO MÔI TRƯỜNG NGẪU NHIÊN
5.1. Định nghĩa lại tính trội của nghiệm trong môi trường ngẫu nhiên đa mục tiêu
5.2. Chiến lược xếp hạng nghiệm ngẫu nhiên và gán độ thích nghi
5.3. Nghiên cứu tính toán SPGA
5.4. Thảo luận kết quả tính toán
5.4.1. Bài toán kiểm chuẩn KUR
5.4.2. Bài toán kiểm chuẩn ZDT1
5.4.3. Bài toán kiểm chuẩn ZDT4
5.4.4. Bài toán kiểm chuẩn ZDT6
6. CHƯƠNG 6: TÓM TẮT VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI
6.1. Tóm tắt và kết luận
6.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai
6.2.1. Mở rộng bộ bài toán kiểm chuẩn với các đặc tính khác nhau
6.2.2. Các thước đo hiệu năng MOEA bổ sung
6.2.3. Phân tích so sánh thống kê các thước đo hiệu năng
6.2.4. Tích hợp phương pháp đề xuất với phần mềm mô phỏng thương mại
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Multiobjective simulation optimization using enhanced evolutionar

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (133 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

University of Central Florida STARS Electronic Theses and Dissertations, 2004-2019 2006 Multiobjective Simulation Optimization Using Enhanced Evolutionary Algorithm Approaches Hamidreza Eskandari University of Central Florida Part of the Engineering Commons Find similar works at: https://stars.edu/etd University of Central Florida Libraries http://library.edu This Doctoral Dissertation (Open Access) is brought to you for free and open access by STARS. It has been accepted for inclusion in Electronic Theses and Dissertations, 2004-2019 by an authorized administrator of STARS. For more information, please contact STARS@ucf. STARS Citation Eskandari, Hamidreza, "Multiobjective Simulation Optimization Using Enhanced Evolutionary Algorithm Approaches" (2006).

Electronic Theses and Dissertations, 2004-2019.edu/etd/968 MULTIOBJECTIVE SIMULATION OPTIMIZATION USING ENHANCED EVOLUTIONARY ALGORITHM APPROACHES by HAMIDREZA ESKANDARI, B., Electrical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran, 1998 M., Socio-Economic Systems Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran, 2001 A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Department of Industrial Engineering and Management Systems in the College of Engineering and Computer Science at the University of Central Florida Orlando, Florida Summer Term 2006 Major Professor: Christopher D. Geiger © 2006 Hamidreza Eskandari ABSTRACT In today’s competitive business environment, a firm’s ability to make the correct, critical decisions can be translated into a great competitive advantage. Most of these critical real-world decisions involve the optimization not only of multiple objectives simultaneously, but also conflicting objectives, where improving one objective may degrade the performance of one or more of the other objectives. Traditional approaches for solving multiobjective optimization problems typically try to scalarize the multiple objectives into a single objective.

This transforms the original multiple optimization problem formulation into a single objective optimization problem with a single solution. However, the drawbacks to these traditional approaches have motivated researchers and practitioners to seek alternative techniques that yield a set of Pareto optimal solutions rather than only a single solution. The problem becomes much more complicated in stochastic environments when the objectives take on uncertain (or “noisy”) values due to random influences within the system being optimized, which is the case in real-world environments. Moreover, in stochastic environments, a solution approach should be sufficiently robust and/or capable of handling the uncertainty of the objective values.

This makes the development of effective solution techniques that generate Pareto optimal solutions within these problem environments even more challenging than in their deterministic counterparts. Furthermore, many real-world problems involve complicated, “black-box” objective functions making a large number of solution evaluations computationally- and/or financially-prohibitive. This is often the case when complex computer simulation models are used to repeatedly evaluate possible solutions in search of the best solution (or set of i solutions). Therefore, multiobjective optimization approaches capable of rapidly finding a diverse set of Pareto optimal solutions would be greatly beneficial.

This research proposes two new multiobjective evolutionary algorithms (MOEAs), called fast Pareto genetic algorithm (FPGA) and stochastic Pareto genetic algorithm (SPGA), for optimization problems with multiple deterministic objectives and stochastic objectives, respectively. New search operators are introduced and employed to enhance the algorithms’ performance in terms of converging fast to the true Pareto optimal frontier while maintaining a diverse set of nondominated solutions along the Pareto optimal front. New concepts of solution dominance are defined for better discrimination among competing solutions in stochastic environments. SPGA uses a solution ranking strategy based on these new concepts.

Computational results for a suite of published test problems indicate that both FPGA and SPGA are promising approaches. The results show that both FPGA and SPGA outperform the improved nondominated sorting genetic algorithm (NSGA-II), widely-considered benchmark in the MOEA research community, in terms of fast convergence to the true Pareto optimal frontier and diversity among the solutions along the front. The results also show that FPGA and SPGA require far fewer solution evaluations than NSGA-II, which is crucial in computationally-expensive simulation modeling applications. ii To my wife and family, for their love and support.

iii ACKNOWLEDGMENTS I would like to thank all of my dissertation committee members, Dr. Mansooreh Mollaghasemi, Dr. Sepúlveda, Dr. Wu and Dr.

Ferenc Szidarovszky for their useful comments, suggestions, and help in producing a high quality research document. I would like to thank Dr. Mansooreh Mollaghasemi and Dr. Rabelo for their financial support during the early stages of this research investigation.

To my research advisor, Dr. Geiger, without your guidance, work ethic, motivation, and support I would not be at this juncture in life. Your support in submitting papers and attending many conferences has helped me gain the insight and knowledge necessary to complete this research. I value your opinions and thank you for expanding my horizons.

I would also like to thank God and my family, especially my parents. Without their great support and example I could not have made it to where I am today. Finally and most importantly I would like to thank my wife. Without her support, understanding, and motivation to never give up I could not have completed the PhD.

Over the last three years you raised our daughter, kept our family together, and motivated me to complete this challenge while I remained locked in a room somewhere studying or typing on the computer. To my wife and daughter who helped me realize what is truly important in life. iv TABLE OF CONTENTS LIST OF FIGURES. viii LIST OF TABLES.

Solution Dominance in Multiobjective (Deterministic) Problem Environments 3 1. Systems Simulation Modeling. Optimization via Simulation. Simulation Optimization of Multiple Stochastic Objectives.

Objectives of This Research. Organization of this Dissertation. 8 CHAPTER 2 : OVERVIEW OF SIMULATION OPTIMIZATION THEORY AND APPROACHES. Classical Approaches for Simulation Optimization.

Sample Path Optimization. Response Surface Methodology. Random Search Method. Statistical Selection Procedures.

Metaheuristic Search Approaches for Simulation Optimization. Evolutionary Algorithms for Multiobjective Optimization. Vector Evaluated Genetic Algorithm. Multiple Objective Genetic Algorithm.

Nondominated Sorting Genetic Algorithm. Niched Pareto Genetic Algorithm. Multiobjective Evolutionary Algorithms under Uncertainty. Multiobjective Simulation Optimization.

44 v CHAPTER 3 : PROPOSED METHODOLOGY. A Proposed Methodology – Fast Pareto Genetic Algorithm (FPGA). FPGA Initialization and Solution Evaluation. Solution Ranking and Fitness Assignment.

Distance Crowding Operation. Elitism and Expansion Operations. Crossover and Mutation Operations. Screening Nondominated Solutions Set by Clustering.

Computational Complexity of FPGA. 60 CHAPTER 4 : FPGA COMPUTATIONAL RESULTS. Benchmark Test Problems. MOEA Parameter Settings.

Distance from the Pareto Optimal Front. Diversity of Nondominated Solutions. Delineation of Pareto Optimal Front. FPGA Computational Results.

Termination of the Search. Discussion of the Results. A Discussion on FPGA Population Regulation. 82 CHAPTER 5 : PROPOSED METHODOLOGY FOR STOCHASTIC ENVIRONMENTS.

Redefinition of Solution Dominance in Multiobjective Stochastic Environments 85 5. Stochastic Solution Ranking Strategy and Fitness Assignment. SPGA Computational Study. Discussion of Computational Results.

KUR Test Problem. ZDT1 Test Problem. ZDT4 Test Problem. ZDT6 Test Problem.

104 CHAPTER 6 : SUMMARY AND FUTURE RESEARCH DIRECTIONS. Summary and Conclusions. Future Research Directions. Expanded Suite of Test Problems with Different Properties.

Additional MOEA Performance Metrics. Statistical Comparative Analysis of Performance Metrics. Integration of the Proposed Methodology with Commercial Simulation Software 110 LIST OF REFERENCES. 111 vii LIST OF FIGURES Figure 1.1: Illustration of strict dominance in a deterministic problem domain.2: Illustration of the classical approach and nondomination-based approach for minimization problem with two objectives (Deb, 2001).3: General process of simulation optimization.

Taxonomy of existing simulation optimization approaches. Flow diagram of NSGA (obtained from Srinivas and Deb (1994)). Pseudocode of the proposed fast Pareto genetic algorithm (FPGA). Logic flow of the fast Pareto genetic algorithm (FPGA).3: Illustration of crowding distance calculation.

The velocity measure PPR on KUR. The velocity measure PPR on ZDT6. The populations with FPGA and NSGA-II on KUR. The populations with FPGA and NSGA-II on ZDT1.

The populations with FPGA and NSGA-II on ZDT2. The populations with FPGA and NSGA-II on ZDT3. The populations with FPGA and NSGA-II on ZDT4. The populations with FPGA and NSGA-II on ZDT6.

The populations with FPGA having poor diversity in few replications and NSGA-II on ZDT3. Population regulation behavior of FPGA on ZDT6. Plot of normally-distributed random variable t. The populations with SPGA-s, SPGA-r and NSGA-II on KUR.

The populations with SPGA-s, SPGA-r and NSGA-II on ZDT1. The populations with SPGA-s, SPGA-r and NSGA-II on ZDT4. The populations with SPGA-s, SPGA-r and NSGA-II on ZDT6. 102 ix LIST OF TABLES Table 2.1: Gradient estimation techniques for stochastic approximation (summarized from Fu (2002)).

Commercial implementation of metaheuristic search strategies for simulation optimization (obtained from Law and Kelton (2000)). Summary of simulation optimization approaches (obtained from Fu (2002)).1: Benchmark test problems.2: Parameter settings for FPGA and NSGA-II. Mean, standard deviation and 95% confidence interval of distance and diversity metrics for FPGA and NSGA-II over the 30 random replications. Mean, standard deviation and 95% confidence interval of delineation Φ and hypervolume ratio HVR metrics for FPGA and NSGA-II over the 30 random replications.1: Parameter settings for SPGA and NSGA-II.

Mean, standard deviation and 95% confidence interval of distance ϒ and diversity ∆ metrics for SPGA-s, SPGA-r and NSGA-II over 50 random replications. Mean, standard deviation and 95% confidence interval of delineation Φ and hypervolume ratio HVR metrics for SPGA-s, SPGA-r and NSGA-II over 50 random replications. Multiobjective Optimization In today’s competitive global business environment, a firm’s ability to make the most appropriate critical decisions can be translated into a great competitive advantage. Most of these critical decisions are multiple objective problems in which management should be able to handle the challenges of conflicting objectives.

For example, in supply chain management, the objective of reducing total costs typically opposes the objective of decreasing lead times, and improving product quality. These conflicting objectives are also encountered in other problem settings including job shop scheduling, inventory control, facility location, portfolio management and project management. In recent years, multiple objective problems have begun to draw the attention of practitioners and academicians alike. Several methods exist that one could use to solve problems involving multiple objectives (Szidarovszky et al., 1986; Mollaghasemi and Pet-Edwards, 1992).

A naïve way is to select the most important performance objective and ignore the other less important objectives. This treatment of neglecting some objectives will undoubtedly result in poor solutions. Another method is to select a single objective for optimization and constrain the values of the other objectives to be within certain levels. The main drawback of this method is that the constrained objectives usually restrict the feasible solution space resulting in no feasible solution being found.

1 Other more traditional approaches for solving multiobjective optimization problems (MOPs) typically try to scalarize the multiple objectives into a single objective. This transforms the original multiple objective optimization problem formulation into a single objective optimization problem with a single solution. The major drawbacks of traditional methods that serve as motivation for using these alternative techniques include: ƒ The priority (or weight) vector used in the scalarization process greatly influences the final solution; ƒ Alternative solutions will not be available to decision-makers without at least changing some parameters such as the priority vector; ƒ Some optimal solutions may never be found if the objective space is not convex for minimization problems (Szidarovszky et al. 34-39); real-world problems are seldom convex (Silva and Biscaia, 2003); ƒ There are implications in the homogenization of different performance measures (such as cost, quality of products, and cycle times) to a common unit of measure; and ƒ Traditional approaches may not work effectively if objectives are noisy or have discontinuous variable space.

For example, consider the first drawback. A small perturbation in the priority vector values can greatly influence the obtained solution. Each certain pair of weights w1 and w2 (w2 = 1 – w1 for biobjective problem) results in single nondominated point in the tradeoff curve. However, the drawbacks of this class of approaches have motivated researchers and practitioners to seek alternative techniques to find a set of Pareto optimal 2 (nondominated) solutions rather than just a single solution (e.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Hamidreza Eskandari (2006). Multiobjective simulation optimization using enhanced evolut [Luận án tiến sĩ, University of Central Florida]. LuanAn.net. https://luanan.net/cong-nghe-thong-tin/multiobjective-simulation-optimization-using-enhanced-evolutionar

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Multiobjective simulation optimization using enhanced evolut" nghiên cứu về vấn đề gì?

Tối ưu hóa mô phỏng đa mục tiêu với thuật toán tiến hóa cải tiến. Khám phá phương pháp mới cho hiệu quả và độ chính xác cao.

Luận án "Multiobjective simulation optimization using enhanced evolut" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại University of Central Florida. Năm bảo vệ: 2006.

Luận án "Multiobjective simulation optimization using enhanced evolut" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Multiobjective simulation optimization using enhanced evolut" thuộc chuyên ngành Industrial Engineering and Management Systems. Danh mục: Công Nghệ Thông Tin.

Luận án "Multiobjective simulation optimization using enhanced evolut" có bao nhiêu trang?

Luận án "Multiobjective simulation optimization using enhanced evolut" có 133 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Multiobjective simulation optimization using enhanced evolut" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter