Algoritmo evolutivo multiobjetivo coevolutivo baseado em cluster para problemas de otimização robusta e ruidosa

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Mateus Clemente de Sousa
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/78179
Resumo: Optimization plays a fundamental role in engineering; however, uncertainty is a constant in the real world. Recently, evolutionary optimization under uncertainty has emerged as a research field. One segment is robust optimization, which deals with uncertainty in decision variables, and another area is noisy optimization, which addresses uncertainty in objective functions. Both scenarios have significant practical relevance. Although evolutionary algorithms have been developed to handle robust or noisy optimization problems, a fundamental research question is whether these methods can effectively address uncertainties simultaneously. This research addresses this question by extending a function generator available in the literature for multi-objective optimization, incorporating uncertainties in decision variables and objective functions. This allows the creation of customized, scalable problems with any number of objectives. Three specific evolutionary algorithms for robust or noisy optimization were selected: RNSGA-II, RMOEA/D, and CRMOEA/D. The first two use Monte Carlo sampling, while the third is a coevolutionary MOEA/D employing a deterministic robustness measure. Another test was conducted with a function that changes the Pareto Front shape with a parameter. The highlight of this test was the Global Pareto Front having a different shape from the Robust Pareto Front. In this test set, besides CRMOEA/D, RMOEA and MOEA-RE were chosen, two recent robust algorithms with two phases: the first aims to find the global optimum and then the robust solutions. The results demonstrate that these algorithms are not suitable for simultaneously handling noise and perturbation. This work presents a new approach based on the Coevolutionary Robust MOEA/D (CRMOEA/D), enhanced with clustering techniques for offspring generation. Notably, the algorithm eliminates the need for sampling, reducing the number of objective function evaluations and effectively handling both perturbations and noise in optimization problems. The experimental evaluations cover various noise intensities, revealing the impact of different noise levels on the algorithms’ performance. The results indicate that the proposed approach outperforms existing methods in handling simultaneous uncertainties, presenting itself as a promising solution for optimization problems where other methods are insufficient.
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This research addresses this question by extending a function generator available in the literature for multi-objective optimization, incorporating uncertainties in decision variables and objective functions. This allows the creation of customized, scalable problems with any number of objectives. Three specific evolutionary algorithms for robust or noisy optimization were selected: RNSGA-II, RMOEA/D, and CRMOEA/D. The first two use Monte Carlo sampling, while the third is a coevolutionary MOEA/D employing a deterministic robustness measure. Another test was conducted with a function that changes the Pareto Front shape with a parameter. The highlight of this test was the Global Pareto Front having a different shape from the Robust Pareto Front. In this test set, besides CRMOEA/D, RMOEA and MOEA-RE were chosen, two recent robust algorithms with two phases: the first aims to find the global optimum and then the robust solutions. The results demonstrate that these algorithms are not suitable for simultaneously handling noise and perturbation. This work presents a new approach based on the Coevolutionary Robust MOEA/D (CRMOEA/D), enhanced with clustering techniques for offspring generation. Notably, the algorithm eliminates the need for sampling, reducing the number of objective function evaluations and effectively handling both perturbations and noise in optimization problems. The experimental evaluations cover various noise intensities, revealing the impact of different noise levels on the algorithms’ performance. The results indicate that the proposed approach outperforms existing methods in handling simultaneous uncertainties, presenting itself as a promising solution for optimization problems where other methods are insufficient.A otimização desempenha um papel fundamental na engenharia, contudo, a incerteza é constante no mundo real. Recentemente, a otimização evolucionária com incerteza tem emergido como um campo de pesquisa. Um segmento é a otimização robusta, que lida com incerteza nas variáveis de decisão, e outra área é a otimização ruidosa, que aborda incerteza nas funções objetivo. Ambos os cenários têm grande relevância prática. Embora tenham sido desenvolvidos algoritmos evolucionários para lidar separadamente com problemas de otimização robusta e ruidosa, uma questão de pesquisa fundamental é se esses métodos podem abordar de forma eficaz esses dois tipos de incertezas simultaneamente. Esta pesquisa aborda essa questão ao estender um gerador de funções de teste disponível na literatura para a otimização multiobjetivo, incorporando incertezas nas variáveis de decisão e nas funções objetivo. Isso permite a criação de problemas personalizados, escaláveis e com qualquer número de objetivos. Foram selecionados três algoritmos evolucionários específicos para otimização robusta ou ruidosa: RNSGA-II, RMOEA/D e CRMOEA/D. Os dois primeiros utilizam amostragem de Monte Carlo, enquanto o terceiro é um MOEA/D coevolutivo que emprega uma medida de robustez determinística. Outro teste foi realizado com uma função que altera o formato da Fronteira Pareto com um parâmetro. O destaque deste teste foi a Fronteira Pareto Global com formato diferente da Fronteira Pareto Robusta. Neste conjunto de teste, além do CRMOEA/D, foram escolhidos o RMOEA e MOEA-RE, dois algoritmos para otimização robusta recentes que possuem duas fases: a primeira visa buscar o ótimo global e a segunda as soluções robustas. Os resultados demonstram que esses algoritmos não são adequados para tratar simultaneamente ruído e perturbação. Neste trabalho, é apresentada uma nova abordagem baseada no Coevolutionary Robust MOEA/D (CRMOEA/D), reforçada com técnicas de agrupamento para geração de descendentes. Notavelmente, o algoritmo elimina a necessidade de amostragem, reduzindo o número de avaliações da função objetivo e lidando de maneira eficaz tanto com perturbações quanto com ruído em problemas de otimização. As avaliações experimentais abrangem diversas intensidades de ruído, revelando o impacto de diferentes níveis de ruído no desempenho dos algoritmos. Os resultados indicam que a abordagem proposta supera os métodos existentes no tratamento de incertezas simultâneas, apresentando-se como uma solução promissora para problemas de otimização em que outros métodos são insuficientes.FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas GeraisCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorUniversidade Federal de Minas GeraisBrasilENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICAPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFMGFrederico Gadelha Guimarãeshttp://lattes.cnpq.br/2472681535872194Ivan Reinaldo MeneghiniLuciano Perdigão CotaGladston Juliano Prates MoreiraThiago Ferreira NoronhaDiogo Batista de OliveiraLucas de Souza BatistaMateus Clemente de Sousa2024-11-21T18:33:47Z2024-11-21T18:33:47Z2024-10-09info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1843/78179porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMG2024-11-21T18:33:47Zoai:repositorio.ufmg.br:1843/78179Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oairepositorio@ufmg.bropendoar:2024-11-21T18:33:47Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false
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