Chuyển đến nội dung chính

Ant Colony Optimization

Ant Colony Optimization



Marco Dorigo - Thomas Stutzle


Preface: Ants exhibit complex social behaviors that have long since attracted the attention of human beings. Probably one of the most noticeable behaviors visible to us is the for- mation of so-called ant streets. When we were young, several of us may have stepped on such an ant highway or may have placed some obstacle in its way just to see how the ants would react to such disturbances. We may have also wondered where these ant highways lead to or even how they are formed. This type of question may be- come less urgent for most of us as we grow older and go to university, studying other subjects like computer science, mathematics, and so on. However, there are a con- siderable number of researchers, mainly biologists, who study the behavior of ants in detail.
One of the most surprising behavioral patterns exhibited by ants is the ability of certain ant species to find what computer scientists call shortest paths. Biologists have shown experimentally that this is possible by exploiting communication based only on pheromones, an odorous chemical substance that ants may deposit and smell. It is this behavioral pattern that inspired computer scientists to develop algo- rithms for the solution of optimization problems. The first attempts in this direction appeared in the early ’90s and can be considered as rather ‘‘toy’’ demonstrations, though important for indicating the general validity of the approach. Since then, these and similar ideas have attracted a steadily increasing amount of research—and ant colony optimization (ACO) is one outcome of these research e¤orts. In fact, ACO algorithms are the most successful and widely recognized algorithmic tech- niques based on ant behaviors. Their success is evidenced by the extensive array of dif- ferent problems to which they have been applied, and moreover by the fact that ACO algorithms are for many problems among the currently top-performing algorithms.
Overview of the Book This book introduces the rapidly growing field of ant colony optimization. It gives a broad overview of many aspects of ACO, ranging from a detailed description of the ideas underlying ACO, to the definition of how ACO can generally be applied to a wide range of combinatorial optimization problems, and describes many of the avail- able ACO algorithms and their main applications. The book is divided into seven chapters and is organized as follows.
Chapter 1 explains how ants find shortest paths under controlled experimental conditions, and illustrates how the observation of this behavior has been translated into working optimization algorithms. In chapter 2, the ACO metaheuristic is introduced and put into the general context of combinatorial optimization. Basic notions of complexity theory, such as - hardness, are given and other major metaheuristics are briefly overviewed.
Chapter 3 is dedicated to the in-depth description of all the major ACO algorithms currently available in the literature. This description, which is developed using the traveling salesman problem as a running example, is completed by a guide to imple- menting the algorithms. A short description of a basic C implementation, as well as pointers to the public software available at www.aco-metaheuristic.org/aco-code/, is given.
Chapter 4 reports on what is currently known about the theory of ACO algorithms.
In particular, we prove convergence for a specific class of ACO algorithms and we discuss the formal relation between ACO and other methods such as stochastic gra- dient descent, mutual-information-maximizing input clustering, and cross-entropy.
Chapter 5 is a survey of current work exploiting ACO to solve a variety of combi- natorial optimization problems. We cover applications to routing, assignment, sched- uling, and subset problems, as well as a number of other problems in such diverse fields as machine learning and bioinformatics. We also give a few ‘‘application prin- ciples,’’ that is, criteria to be followed when attacking a new problem using ACO.
Chapter 6 is devoted to the detailed presentation of AntNet, an ACO algorithm especially designed for the network routing problem, that is, the problem of building andmaintaining routing tables in a packet-switched telecommunication network.
Finally, chapter 7 summarizes the main achievements of the field and outlines some interesting directions for future research.
Each chapter of the book (with the exception of the last chapter) ends with the following three sections: bibliographical remarks, things to remember, and exercises.
- Bibliographical remarks, a kind of short annotated bibliography, contains pointers to further literature on the topics discussed in the chapter.
- Things to remember is a bulleted list of the important points discussed in the chapter.
- Exercises come in two forms, thought exercises and computer exercises, depending on the material presented in the chapter.
Finally, there is a long list of references about ACO algorithms that gives a lot of pointers to more in-depth literature.
Overall, this book can be read easily by anyone with a college-level scientific back- ground. The use of mathematics is rather limited throughout, except for chapter 4, which requires some deeper knowledge of probability theory. However, we assume that the reader is familiar with some basic notions of graph theory, programming, and probabilities. The book is intended primarily for (1) academic and industry researchers in operations research, artificial intelligence, and computational intelli- gence; (2) practitioners willing to learn how to implement ACO algorithms to solve combinatorial optimization problems; and (3) graduate and last-year undergraduate students in computer science, management science, operations research, and artificial intelligence.

Content

1 From Real to Artificial Ants 1
1.1 Ants’ Foraging Behavior and Optimization 1
1.2 Toward Artificial Ants 7
1.3 Artificial Ants and Minimum Cost Paths 9
1.4 Bibliographical Remarks 21
1.5 Things to Remember 22
1.6 Thought and Computer Exercises 23
2The Ant Colony Optimization Metaheuristic 25
2.1 Combinatorial Optimization 25
2.2 The ACO Metaheuristic 33
2.3 How Do I Apply ACO? 38
2.4 Other Metaheuristics 46
2.5 Bibliographical Remarks 60
2.6 Things to Remember 61
2.7 Thought and Computer Exercises 63
3Ant Colony Optimization Algorithms for the Traveling Salesman
Problem 65
3.1 The Traveling Salesman Problem 65
3.2 ACO Algorithms for the TSP 67
3.3 Ant System and Its Direct Successors 69
3.4 Extensions of Ant System 76
3.5 Parallel Implementations 82
3.6 Experimental Evaluation 84
3.7 ACO Plus Local Search 92
3.8 Implementing ACO Algorithms 99
3.9 Bibliographical Remarks 114
3.10 Things to Remember 117
3.11 Computer Exercises 117
4Ant Colony Optimization Theory 121
4.1 Theoretical Considerations on ACO 121
4.2 The Problem and the Algorithm 123
4.3 Convergence Proofs 127
4.4 ACO and Model-Based Search 138
4.5 Bibliographical Remarks 149
4.6 Things to Remember 150
4.7 Thought and Computer Exercises 151
5Ant Colony Optimization for -Hard Problems 153
5.1 Routing Problems 153
5.2 Assignment Problems 159
5.3 Scheduling Problems 167
5.4 Subset Problems 181
5.5 Application of ACO to Other -Hard Problems 190
5.6 Machine Learning Problems 204
5.7 Application Principles of ACO 211
5.8 Bibliographical Remarks 219
5.9 Things to Remember 220
5.10 Computer Exercises 221
6AntNet: An ACO Algorithm for Data Network Routing 223
6.1 The Routing Problem 223
6.2 The AntNet Algorithm 228
6.3 The Experimental Settings 238
6.4 Results 243
6.5 AntNet and Stigmergy 252
6.6 AntNet, Monte Carlo Simulation, and Reinforcement Learning 254
6.7 Bibliographical Remarks 257
6.8 Things to Remember 258
6.9 Computer Exercises 259
7Conclusions and Prospects for the Future 261
7.1 What Do We Know about ACO? 261
7.2 Current Trends in ACO 263
7.3 Ant Algorithms 271
Appendix: Sources of Information about the ACO Field 275
References 277
Index 301

Nhận xét

Bài đăng phổ biến từ blog này

Đề tài: Hoạt động marketing của công ty cổ phần bút bi Thiên Long

Đề tài: Hoạt động marketing của công ty cổ phần bút bi Thiên Long Mục Lục Lời mở đầu Chương I : Phân tích kết quả kinh doanh của công ty cổ phần tập đoàn Thiên Long I. Kết quả kinh doanh của công ty cổ phần tập đoàn Thiên Long trong thời gian qua II.Đánh giá hoạt động marketing của công ty cổ phần tập đoàn Thiên Long thời gian qua Chương II : Phân tích môi trường marketing của công ty cổ phần tập đoàn Thiên Long I. Phân tích môi trường marketing vĩ mô II.Phân tích môi trường marketing vi mô III. Phân tích môi trường marketing nội bộ IV. Phân tích swot Chương III. Phân đoạn thị trường của công ty cổ phần tập đoàn Thiên Long với sản phẩm bút bi Thiên Long I. Vị trí hiện tại của doanh nghiệp II. Xác định đối tượng khách hàng hay thị trường cần phân đoạn III. Phân chia thị trường theo những tiêu thức thích hợp IV. Đánh giá tiềm năng của các đoạn thị trường V. Lựa chọn các phương thức marketing nhằm khai thác các đoạn thị trường mục tiêu Chương IV. Xác định chiến lược M...

SÁCH TRUNG QUỐC DANH PHƯƠNG TOÀN TẬP

SÁCH THAM KHẢO VỀ Y HỌC PHƯƠNG ĐÔNG TRUNG QUỐC DANH PHƯƠNG TOÀN TẬP Cái truyền lại được của y học nằm lại trong bài thuốc. Cho nên dược học của Đông y dẫu đã trải qua nhiều chìm nổi, biến thiên song không triều đại nào, thòi kỳ nào bị ruồng bỏ, mà trong y học, việc nghiền cứu thảo luận các bài thuốc đã trở thành một chủ đề muôn thuở. Người học không sợ nhiều mà chỉ lo ít, người SƯU tầm chẳng sợ giàu mà chỉ lo còn quá nghèo. Cuốn sách này là công việc của nhiều người tâm huyết với nhiều năm lao động, tập hợp các bài thuốc hay, bất kê kinh phương, thời phương hoặc bí phương, hễ có công dụng lâm sàng tốt, được chấp nhận rộng rãi từ cổ chí kim đều được giới thiệu. Thuốc hay tập hợp hơn nghìn bài lấy công dụng chủ trị làm cương lĩnh, lấy phương tễ làm đề mục. Mỗi phương đều có tên bài, xuất xứ, thành phần, cách dùng, công hiệu, chủ trị, giải thích bài thuốc theo lí luận Đông y, lòi bàn, các bài thuốc cùng tên, các bài thuốc phụ thêm, phân tích, điền lí để sáng rõ. Trong phần ...

VẬN TẢI VÀ GIAO NHẬN TRONG NGOẠI THƯƠNG

GIÁO TRÌNH  VẬN TẢI VÀ GIAO NHẬN TRONG NGOẠI THƯƠNG N gay từ ngày thành lập Trường Đại học Ngoại thương, môn học “Nghiệp vụ vận tải và bảo hiểm trong Ngoại thương” đã được giảng dạy trong chương trình đào tạo của Nhà trường. Môn học này là một trong những môn học nghiệp vụ chuyên ngành chủ yếu trong chương trình đào tạo của Nhà trường. Cùng với sự phát triển của Nhà trường, môn học “Nghiệp vụ vận tải và bảo hiểm trong Ngoại thương”  cũng được cải tiến và hoàn thiện nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo . Năm 1986, lần đầu tiên cuốn giáo trình có tên gọi “Vận tải trong Ngoại thương”  được xuất bản, chấm dứt thời kỳ “giảng chay”  và “học chay”  trong công tác giảng dạy của môn học. Tiếp đến năm 1994, cuốn giáo trình mới có tên gọi “Vận tải và bảo hiểm trong Ngoại thương”  do Tập thể giáo viên trong Bộ môn “ Vận tải và Bảo hiểm” biên soạn và được Nhà trường xuất bản. Cuốn giáo trình này đã trở thành giáo trình chuẩn của môn học phục ...