A stochastic multi-state cellular automata model and its application in scheduling and density classification problems

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Carvalho, Tiago Ismailer de
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41171
http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.7062
Resumo: Cellular automata (CA) consist of identical components (cells), which change states through time according to a transition rule that considers local information. CA are very simple but possess an impressive computing capacity and present complex behaviour. CA are applied to various applications, such as simulation of natural phenomena or for performing a specific task. The central CA component is the rule that govern the change in cell states. This rule can be manually designed for a specific problem or discovered through search methods. However, as the number of states in the cells increases (in the case of multi-state CA), the size and complexity of the rule grow exponentially, which makes CA employment difficult. As a solution to this difficulty, this thesis proposes the ‘Stochastic CA with Reduce and Mapping' (SCA-RM), a model in which the size of CA rules remains unchanged, regardless of the number of states. This is achieved through the use of three key components in the proposed CA: (I) Reduce, which converts any configuration of states into two states (binary); (II) A traditional CA rule that operates with only two states; (III) Mapping, which translates the output state from the binary rule into an arbitrary state chosen from the original applications set of states. As a consequence, proposed model rules are much simpler than traditional CA rules. Initially, we employed this model to task scheduling, and the results indicate that the proposed CA significantly outperforms the state-of-the-art solutions based on traditional and totalistic CAs. This result is due to the efficient simplification of CA rules provided by SCA-RM. Next, when tested in the multi-state density classification problem, SCA-RM significantly outperforms the traditional CA model. Therefore, results strongly support SCA-RM as the best solution for addressing multi-state CA applications. By simplifying CA rules, SCA-RM opens up new possibilities for the application of cellular automata in a wide range of applications involving many states.
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spelling A stochastic multi-state cellular automata model and its application in scheduling and density classification problemsUm modelo de autômato celular multi-estados e sua aplicação no escalonamento de tarefas e na tarefa da classificação da densidadeCellular automataTask schedulingGenetic algorithmDensity classification taskAutômatos celularesAlgoritmos genéticosTarefa da classificação da densidadeEscalonamento de tarefasCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAOComputaçãoODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.ODS::ODS 4. Educação de qualidade - Assegurar a educação inclusiva, e equitativa e de qualidade, e promover oportunidades de aprendizagem ao longo da vida para todos.Cellular automata (CA) consist of identical components (cells), which change states through time according to a transition rule that considers local information. CA are very simple but possess an impressive computing capacity and present complex behaviour. CA are applied to various applications, such as simulation of natural phenomena or for performing a specific task. The central CA component is the rule that govern the change in cell states. This rule can be manually designed for a specific problem or discovered through search methods. However, as the number of states in the cells increases (in the case of multi-state CA), the size and complexity of the rule grow exponentially, which makes CA employment difficult. As a solution to this difficulty, this thesis proposes the ‘Stochastic CA with Reduce and Mapping' (SCA-RM), a model in which the size of CA rules remains unchanged, regardless of the number of states. This is achieved through the use of three key components in the proposed CA: (I) Reduce, which converts any configuration of states into two states (binary); (II) A traditional CA rule that operates with only two states; (III) Mapping, which translates the output state from the binary rule into an arbitrary state chosen from the original applications set of states. As a consequence, proposed model rules are much simpler than traditional CA rules. Initially, we employed this model to task scheduling, and the results indicate that the proposed CA significantly outperforms the state-of-the-art solutions based on traditional and totalistic CAs. This result is due to the efficient simplification of CA rules provided by SCA-RM. Next, when tested in the multi-state density classification problem, SCA-RM significantly outperforms the traditional CA model. Therefore, results strongly support SCA-RM as the best solution for addressing multi-state CA applications. By simplifying CA rules, SCA-RM opens up new possibilities for the application of cellular automata in a wide range of applications involving many states.FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisTese (Doutorado)Os autômatos celulares (ACs) são compostos por componentes idênticos que mudam de estado conforme uma regra de transição que considera informação local. ACs são simples, mas exibem comportamento complexo, sendo estudados na simulação de fenômenos naturais e para a execução de tarefas específicas. O componente principal dos ACs é a regra de transição que controla a mudança de estados das células. Tal regra pode ser desenvolvida manualmente ou encontrada por um método de busca. No entanto, a complexidade da regra cresce exponencialmente em relação ao número de estados nas células, o que dificulta a aplicação dos ACs nesse caso. Esta tese propõe como solução o AC estocástico com Redução e Mapeamento (SCA-RM), um modelo de AC no qual o tamanho das regras permanece inalterado, independentemente do número de estados nas células. O SCA-RM incorpora três componentes: (I) Redução, que converte qualquer configuração de estados em uma configuração binária; (II) O uso de uma regra de AC tradicional que considera apenas dois estados; (III) Mapeamento, que converte o estado binário retornado pela regra tradicional em um estado arbitrário dentre o conjunto de estados da aplicação original do AC. Dessa forma, as regras do SCA-RM são muito mais simples do que as regras do AC tradicional. Inicialmente, o modelo proposto foi aplicado no escalonamento de tarefas, e os resultados indicaram que o SCA-RM produz escalonamentos melhores do que as soluções estado-da-arte baseadas nos ACs tradicionais e totalísticos. Tal resultado é consequência da simplificação das regras no SCA-RM. O modelo proposto também foi aplicado na tarefa da classificação da densidade, sendo que o SCA-RM demonstrou desempenho superior ao AC tradicional quando o número de estados é maior que dois. Portanto, os resultados sugerem que o SCA-RM é a melhor solução para abordar aplicações de AC com muitos estados. Ao simplificar as regras, o SCA-RM abre novas possibilidades para o estudo do AC na resolução de problemas com muitos estados.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Ciência da ComputaçãoOliveira, Gina Maira Barbosa dehttp://lattes.cnpq.br/7119433066704111Gabriel, Paulo Henrique Ribeirohttp://lattes.cnpq.br/3181954061121790Fernandes, Márcia Aparecidahttp://lattes.cnpq.br/8946715881289701Bruno, Odemir Martinezhttp://lattes.cnpq.br/4796921913434370Maira, Barbosa de Oliveira Ginahttp://lattes.cnpq.br/7119433066704111Carvalho, Tiago Ismailer de2024-02-15T18:35:24Z2024-02-15T18:35:24Z2020-03-03info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfCARVALHO, Tiago Ismailer. A stochastic multi-state cellular automata model and its application in scheduling and density classification problems. 2020. 161 f. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.7062.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41171http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.7062enghttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/us/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2024-02-16T06:18:25Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/41171Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2024-02-16T06:18:25Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
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description Cellular automata (CA) consist of identical components (cells), which change states through time according to a transition rule that considers local information. CA are very simple but possess an impressive computing capacity and present complex behaviour. CA are applied to various applications, such as simulation of natural phenomena or for performing a specific task. The central CA component is the rule that govern the change in cell states. This rule can be manually designed for a specific problem or discovered through search methods. However, as the number of states in the cells increases (in the case of multi-state CA), the size and complexity of the rule grow exponentially, which makes CA employment difficult. As a solution to this difficulty, this thesis proposes the ‘Stochastic CA with Reduce and Mapping' (SCA-RM), a model in which the size of CA rules remains unchanged, regardless of the number of states. This is achieved through the use of three key components in the proposed CA: (I) Reduce, which converts any configuration of states into two states (binary); (II) A traditional CA rule that operates with only two states; (III) Mapping, which translates the output state from the binary rule into an arbitrary state chosen from the original applications set of states. As a consequence, proposed model rules are much simpler than traditional CA rules. Initially, we employed this model to task scheduling, and the results indicate that the proposed CA significantly outperforms the state-of-the-art solutions based on traditional and totalistic CAs. This result is due to the efficient simplification of CA rules provided by SCA-RM. Next, when tested in the multi-state density classification problem, SCA-RM significantly outperforms the traditional CA model. Therefore, results strongly support SCA-RM as the best solution for addressing multi-state CA applications. By simplifying CA rules, SCA-RM opens up new possibilities for the application of cellular automata in a wide range of applications involving many states.
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