Optimization metaheuristic adaptive distributed parallel computing environment
Optimisation par métaheuristique adaptative distribuée en environnement de calcul parallèle
Résumé
To solve discrete optimization problems of black box type, many stochastic algorithms such as evolutionary algorithms or metaheuristics exist and prove to be particularly effective according to the problem to be solved. Depending on the observed properties of the problem, choosing the most relevant algorithm is a difficult problem. In the original framework of parallel and distributed computing environments, we propose and analyze different adaptive optimization algorithm selection strategies. These selection strategies are based on reinforcement learning methods automatic, from the field of artificial intelligence, and on information sharing between computing nodes. We compare and analyze selection strategies in different situations. Two types of synchronous distributed computing environment are discussed: the island model and the master-slave model. On the set of nodes synchronously at each iteration, the adaptive selection strategy chooses an algorithm according to the state of the search for the solution.
In the first part, two problems OneMax and NK, one unimodal and the other multimodal, are used as benchmarks for this work. Then, to better understand and improve the design of adaptive selection strategies, we propose a modeling of the optimization problem and its local search operator. In this modeling, an important characteristic is the average gain of an operator according to the fitness of the candidate solution. The model is used in the synchronous framework of the master-slave model. A selection strategy is broken down into three main components: the aggregation of the rewards exchanged, the learning scheme and the distribution of the algorithms on the computing nodes. In the final part, we study three scenarios, and we give keys to understanding the relevant use of adaptive selection strategies over naïve strategies. In the framework of the master-slave model, we study the different ways of aggregating the rewards on the master node, the distribution of the optimization algorithms on the nodes of computation and the time of communication. This thesis ends with perspectives in the field of distributed adaptive stochastic optimization.
Pour résoudre des problèmes d'optimisation discret de type boîte noire, de nombreux algorithmes stochastiques tels que les algorithmes évolutionnaires ou les métaheuristiques existent et se révèlent particulièrement efficaces selon le problème à résoudre. En fonction des propriétés observées du problème, choisir l'algorithme le plus pertinent est un problème difficile. Dans le cadre original des environnements de calcul parallèle et distribué, nous proposons et analysons différentes stratégies adaptative de sélection d'algorithme d'optimisation. Ces stratégies de sélection reposent sur des méthodes d'apprentissage automatique par renforcement, issu du domaine de l'intelligence artificielle, et sur un partage d'information entre les nœuds de calcul. Nous comparons et analysons les stratégies de sélection dans différentes situations. Deux types d'environnement de calcul distribué synchrone sont abordés : le modèle en île et le modèle maître-esclave. Sur l'ensemble des nœuds de manière synchrone à chaque itération la stratégie de sélection adaptative choisit un algorithme selon l'état de la recherche de la solution.
Dans une première partie, deux problèmes OneMax et NK, l'un unimodal et l'autre multimodal, sont utilisés comme banc d'essai de ces travaux. Ensuite, pour mieux saisir et améliorer la conception des stratégies de sélection adaptatives, nous proposons une modélisation du problème d'optimisation et de son opérateur de recherche locale. Dans cette modélisation, une caractéristique importante est le gain moyen d'un opérateur en fonction de la fitness de la solution candidate. Le modèle est utilisé dans le cadre synchrone du modèle maître-esclave. Une stratégie de sélection se décompose en trois composantes principales : l'agrégation des récompenses échangées, la technique d'apprentissage et la répartition des algorithmes sur les nœuds de calcul. Dans une dernière partie, nous étudions trois scénarios et nous donnons des clés de compréhension sur l'utilisation pertinente des stratégies de sélection adaptative par rapport aux stratégies naïves. Dans le cadre du modèle maître-esclave, nous étudions les différentes façons d'agréger les récompenses sur le nœud maître, la répartition des algorithmes d'optimisation sur les nœuds de calcul et le temps de communication. Cette thèse se termine par des perspectives pour le domaine de l'optimisation stochastique adaptative distribuée.
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