Ingeniería Industrial · 2014
Implementación de un algoritmo evolutivo para el problema del agente viajero (tsp)
De acuerdo a su gran aplicabilidad en el ámbito comercial, industrial y académico, el problema del agente viajero demuestra ser uno de los problemas de optimización combinatoria mayormente estudiados por la comunidad científica en el campo de la investigación de operaciones, a tal fin, que últimamente ha venido siendo considerado como una prueba casi obligatoria para la validación de cualquier técnica de resolución de problemas enteros o combinatorios. En la presente investigación aplicada de pregrado, para hallar una solución aproximada al problema del agente viajero en su variante simétrica, se implementó el metaheurístico de búsqueda dirigida, el "Algoritmo Genético" para el procesamiento de un conjunto de 5 instacias TSPLIB utilizadas también en el desarrollo de la investigación "Un enfoque de búsqueda tabú por Jhon Gabriel" para efecto de comparación de resultados. Lo anterior, se logró mediante la inclusión de conceptos ajenos a su pseudocódigo tradicional, permitiendo así, la adopción de un modelo de búsqueda intensivo y exploratorio, donde entre estos, dichos conceptos fueron: 1. Individuo semilla o ancestro común para la generación de una población inicial de soluciones, 2. Población élite para el almacenamiento temporal de la información genética de las mejores respuestas, 3. Población inadaptada para la identificación y eliminación de las soluciones que degradan la calidad de la soluciones de la población en el proceso de evolución y 4. Utilización probabilística de dos operadores de cruce modificados. Además de que se evaluó cualitativamente el desempeño de dicho algoritmo evolutivo de acuerdo a la programación lineal del problema codificada GAMS, también se emitió para la instancia bays29 una configuración recomendada para los parámetros de entrada del Algoritmo Genético propuesto a partir del desarrollo de un diseño de experimentos de efectos fijos 2 a la k replicado bajo el enfoque de la metodología Branch & Bound.
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Contenido
- ÍNDICE GENERALp. 6
- LISTA DE ILUSTRACIONESp. 10
- LISTA DE GRÁFICASp. 11
- LISTA DE TABLASp. 12
- INTRODUCCIÓNp. 16
- DEFINICIÓN DEL PROBLEMAp. 17
- ANTECEDENTESp. 19
- HISTORIA DEL TSPp. 19
- ANTECEDENTES DEL AG Y LA SOLUCIÓN APROXIMADA DEL TSPp. 20
- Clasificación de la Literatura Consultadap. 20
- Estrategias para Evitar la Prematura Convergencia de la Población de Tratamientop. 20
- Población de Tratamientop. 67
- Metaheurístico A.Gp. 20
- Implementación de Variantes del AG para la Solución del TSPp. 21
- Implementación de Metaheurísticos de Solución para la Resolución TSPp. 21
- Elena Simona. [38]p. 21
- Salesman Problem; por ZEYAD RAMADAN, Saleem. [44]p. 22
- Población de Tratamientop. 67
- por ISMKHAN, Hassan; ZAMANIFAR, Kamran. [27]p. 22
- Crossover Operator; por AHMED H. Zakir. [1]p. 20
- del Metaheurístico A.Gp. 23
- Agni; MAXHUNI, Adnan; REXHEPI, Avni. [22]p. 23
- Environment; por DAIDA M., Jason. STANHOPE A., Stephen. [15]p. 23
- JUSTIFICACIÓNp. 24
- OBJETIVOSp. 25
- OBJETIVO GENERALp. 25
- OBJETIVOS ESPECÍFICOSp. 25
- MARCO TEÓRICOp. 26
- INVESTIGACIÓN DE OPERACIONESp. 27
- Origen de la Investigación de Operacionesp. 26
- Definición de Investigación de Operacionesp. 26
- TEORÍA DE LA COMPLEJIDAD COMPUTACIONALp. 27
- Definición de la Teoría de la Complejidad Computacionalp. 27
- Clasificación NP-Hard del TSPp. 28
- PROBLEMA DEL AGENTE VIAJEROp. 28
- Definición del Problema del Agente Viajero Simétrico (sTSP)p. 28
- Complejidadp. 28
- Formulación Matemática del TSPp. 29
- Variantes del TSPp. 30
- METAHEURÍSTICOSp. 30
- Definición de Metaheurísticosp. 30
- Clasificación de Metaheurísticos de Búsquedap. 31
- Métodos Heurísticosp. 32
- ALGORITMOS GENÉTICOSp. 32
- Definición de los Algoritmos Genéticosp. 32
- Operadores Genéticos de los AGsp. 33
- Selecciónp. 33
- Cruzamientop. 33
- Mutaciónp. 96
- Pseudocódigo General del Algoritmo Genéticop. 33
- Aplicaciones Recientes de los Algoritmos Genéticosp. 34
- Estructura Equivalente entre la Genética y el AGp. 34
- Genotipop. 34
- Fenotipop. 34
- Cromosomap. 34
- Genp. 34
- Alelop. 34
- Función de aptitudp. 35
- HEURÍSTICO DE AHORROS DE CLARKE AND WRIGHTp. 35
- Algoritmo de Ahorros Clarke & Wrightp. 36
- DISEÑO METODOLÓGICOp. 37
- SU IMPLEMENTACIÓN EN LA SOLUCIÓN APRÓX. DEL STSPp. 38
- Pseudocódigo General del AG Propuesto (AG-sTSP)p. 38
- Etapa 1: Generación de la Población de Tratamientop. 39
- Representación, Codificación de Individuosp. 39
- Tamaño de la Población de Tratamientop. 58
- Generación de la Población Inicial de Tratamientop. 39
- Etapa 2: Evaluación de la Población de Tratamientop. 40
- Convergencia Prematura del AGp. 40
- Definición de la Función Aptitudp. 40
- Proceso de Selección Naturalp. 41
- Etapa 3: Evolución de la Población de Tratamientop. 41
- Criterio de Paradap. 41
- Proceso de Crucep. 41
- Proceso de Mutaciónp. 42
- Proceso de Inserción Élitep. 42
- Codificación de los Parámetros de Entrada del AG-sTSPp. 43
- Etapa 1: Generación de la Población de Tratamientop. 39
- Individuo Semilla “Clarke & Wright”p. 43
- Alteración Probabilística del Individuo Semilla “BIT-SPLIT”p. 44
- Etapa 2: Evaluación de la Población de Tratamientop. 40
- Evaluación de la Población de Tratamientop. 46
- Identificación de la Población Élite Inicialp. 46
- Selección Estocástica de Supervivientes de la Población de Tratamientop. 47
- Etapa 3: Evolución de la Población de Tratamientop. 41
- Cruce Probabilístico de Individuos de la Población de Tratamientop. 47
- Cruce Probabilístico por Cruce Cíclico Ordenadop. 49
- Cruce Probabilístico por Cruce Ordenado Multipuntop. 50
- Mutación SIM de la Nueva Población de Tratamiento Restantep. 52
- Inserción de Individuos Élite sobre la Nueva Población de Tratamientop. 53
- Identificación de la Nueva Población de Élite e Inadaptadosp. 54
- Comparación de las Poblaciones Élitep. 55
- IMPLEMENTACIÓN DEL AG DISEÑADO EN LA RESOLUCIÓN DEL STSPp. 56
- Experimentaciónp. 37
- Características del Ordenadorp. 57
- Instancias sTSP-TSPLIBp. 57
- Identificación de Factoresp. 57
- Número de Experimentosp. 58
- Resultados Experimentalesp. 58
- Instancia bays29p. 60
- Instancia eil51p. 61
- Instancia st70p. 62
- Instancia eil76p. 64
- Instancia pr76p. 65
- Análisis General de Resultados del Procesamiento AG-sTSPp. 66
- Diseño de Experimentos (DOE) de Efectos Fijos para la Instancia bays29p. 68
- Recomendación DOE Efectos Fijos Según B&B para la Instancia bays29p. 71
- Tiempos de Procesamiento Promedio de Instancias sTSP-TSPLIBp. 71
- Tiempos de Procesamiento Promedio Ts-TSP UPB Vs. AG-sTSPp. 73
- RESOLUCIÓN DEL STSPp. 74
- Tiempo Promedio de Procesamiento de Instancias sTSP-TSPLIB con MSEp. 75
- Análisis General de Resultados del Procesamiento MSEp. 76
- LIMITACIONESp. 77
- CONCLUSIONESp. 78
- RECOMENDACIONESp. 80
- BIBLIOGRAFÍAp. 82
- WEBGRAFÍAp. 87
- ANEXOSp. 88
- ANEXO Ap. 89
- ANEXO Bp. 91
- ANEXO Cp. 92
- ANEXO Dp. 96
- ANEXO Ep. 97
- ANEXO Fp. 98
- ANEXO Gp. 112
- ANEXO Hp. 113
- ANEXO Ip. 114
- Ilustración 1. Juego Icosiano de Hamiltonp. 19
- Ilustración 2. Pseudocódigo del AGp. 33
- Ilustración 3. Algoritmo de Ahorros C & Wp. 36
- Ilustración 4. Método Científicop. 37
- Ilustración 5. Pseudocódigo General del AG Propuesto (AG-sTSP)p. 38
- Ilustración 6. Representación, Codificación del individuo para TSPp. 39
- Ilustración 7. Árbol B&B para la Configuración de Parámetros de Entrada en bays29p. 70
- Ilustración 8. George Dantzig, Ray Fulkerson, and Selmer Johnson (1954); n=49p. 89
- Ilustración 9. Procter and Gamble Ran a Contest in 1962; n=33p. 89
- Ilustración 10. Groetschel (1977); n=120p. 89
- Ilustración 11. Padberg and Rinaldi (1987); n=538p. 89
- Ilustración 12. Groetschel and Holland (1987); n=666p. 89
- Ilustración 13. Padberg and Rinaldi (1987); n=2392p. 89
- Ilustración 14. Applegate, Bixby, Chvátal, and Cook (1994); n=7397p. 90
- Ilustración 15. Applegate, Bixby, Chvátal, and Cook (1998); n=13509p. 90
- Ilustración 16. Applegate, Bixby, Chvátal, and Cook (2001); n=15112p. 90
- Ilustración 17. Applegate, Bixby, Chvátal, Cook, and Helsgaun (2004); n=24978p. 90
- Ilustración 18. Pseudocódigo Gral. del operador de cruce propuesto “OCX”p. 113
- Ilustración 19. Pseudocódigo Gral. del operador de cruce propuesto “MOX”p. 114
- Gráfica 1. Comportamiento de los Rangos de Resultados Factibles en bays29p. 60
- Gráfica 2. Comportamiento de los Rangos de Resultados Factibles en eil51p. 62
- Gráfica 3. Comportamiento de los Rangos de Resultados Factibles en st70p. 63
- Gráfica 4. Comportamiento de los Rangos de Resultados Factibles en eil76p. 65
- Gráfica 5. Comportamiento de los Rangos de Resultados Factibles en pr76p. 66
- Gráfica 6. Tiempos Promedios de Procesamiento AG-sTSP Vs. Ts-TSP UPBp. 74
- Gráfica 7. Resultados de la Corrida 1, Réplica 1 de la Sesión bays29 (09)p. 112
- Tabla 1. Variantes del Problema del Agente Viajero (TSP)p. 30
- Tabla 2. Clasificación de Metaheurísticos de Búsquedap. 31
- Tabla 3. Similitud Conceptual entre la Genética y AGsp. 34
- Tabla 4. Instancias sTSP de TSPLIB Procesadas en el AG-sTSPp. 57
- Tabla 5. Variables para el Arreglo Experimental Factorial 2K Completop. 58
- Tabla 6. Referencias de Costos de Rutas Factibles de bays29p. 60
- Tabla 7. Rangos de Resultados Factibles de cada Sesión en la Instancia bays29p. 60
- Tabla 8. Referencias de Costos de Rutas Factibles de eil51p. 61
- Tabla 9. Rangos de Resultados Factibles de cada Sesión en la Instancia eil51p. 61
- Tabla 10. Referencias de Costos de Rutas Factibles de st70p. 62
- Tabla 11. Rangos de Resultados Factibles de cada Sesión en la Instancia st70p. 62
- Tabla 12. Referencias de Costos de Rutas Factibles de eil76p. 64
- Tabla 13. Rangos de Resultados Factibles de cada Sesión en la Instancia eil76p. 64
- Tabla 14. Referencias de Costos de Rutas Factibles de pr76p. 65
- Tabla 15. Rangos de Resultados Factibles de cada Sesión en la Instancia pr76p. 65
- bays29p. 57
- Tabla 18. Tiempo Promedio de Procesamiento AG-sTSP de bays29p. 72
- Tabla 19. Tiempo Promedio de Procesamiento AG-sTSP de eil51 Parte 1p. 72
- Tabla 20. Tiempo Promedio de Procesamiento AG-sTSP de eil51 Parte 2p. 72
- Tabla 21. Tiempo Promedio de Procesamiento AG-sTSP de st70p. 73
- Tabla 22. Tiempo Promedio de Procesamiento AG-sTSP de eil76p. 73
- Tabla 23. Tiempo Promedio de Procesamiento AG-sTSP de pr76p. 73
- Tabla 25. Algunas Aplicaciones de la Investigación de Operacionesp. 91
- Tabla 26. Aplicaciones de los Algoritmos Genéticos en la Optimización y Búsquedap. 92
- Tabla 27. Probabilidades de Cruce y Mutación en la Literaturap. 96
- Tabla 28. Parámetros de Entrada del Algoritmo Genético Propuesto (AG-sTSP)p. 97
- Propuesto, para la Instancia bays29p. 98
- Instancia bays29p. 60
- Propuesto, para la Instancia eil51p. 99
- Instancia eil51p. 61
- Propuesto, para la Instancia st70p. 100
- Instancia st70p. 62
- Propuesto, para la Instancia eil76p. 103
- Instancia eil76p. 64
- Propuesto, para la Instancia pr76p. 105
- Instancia pr76p. 65