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Mehrkriterielle Ameisenalgorithmen und Dynamic Programming

Kürzeste-Wege- und Rundreiseprobleme stellen typische Probleme mit breiten Anwendungsspektren in der Praxis dar. Einige Probleme liegen in der Komplexitätsklasse P und können effizient in angemessener Zeit durch bekannte Algorithmen gelöst werden. Andere, meist NP-vollständige, Problemstellungen erweisen sich als schwieriger, weshalb heuristische Verfahren wie Ant Colony Optimization [Dor02] zur Ermittlung approximativer Lösungen verwendet werden.

Es gibt einige Probleme, die bei Anwendung einer unikriteriellen Zielfunktion der Komplexitätsklasse P zugeordnet werden können. Die mehrkriterielle Variante des Problems ist allerdings NP-vollständig. Wir verwenden beispielhaft das mehrkriterielle Kürzeste-Wege-Problem in gerichteten, zyklenfreien Graphen. Die unikriterielle Variante dieses Problems gehört zu den Problemen in der Komplexitätsklasse P und ist somit effizient lösbar.Dijkstra entwickelte einen Algorithmus, der das Problem in einer Komplexität von O(n²) löst [Dij59].

Das mehrkriterielle Kürzestete-Wege-Problem ist NP-vollständig (vgl. [Hans80], [Sera87]). Insbesondere für grosse Probleminstanzen verbietet sich damit der Einsatz eines Algorithmus, der das Problem mit Sicherheit exakt löst. Aus diesem Grund wird als Lösungsansatz ein heuristisches Verfahren, in diesem Fall ein mehrkriterieller Ansatz von Ant Colony Optimization, verwendet.

In unten verlinkten Beitrag, der in unserem Arbeitskreis entstanden ist, soll ein möglicher Ansatz aufgezeigt werden, wie dieser Umstand der unikriteriellen effizienten Lösbarkeit zur Verbesserung des mehrkriteriellen Ameisenalgorithmus genutzt werden kann. Für die unikriterielle Lösung kommt hierbei das Verfahren Dynamic Programming [Bel57] zum Einsatz.

Originalartikel & Weitere Informationen


Literatur
  • [Bel57] R. Bellman. Dynamic programming. Princeton Univ. Press, Princeton, 1957.
  • [Dij59] E. Dijkstra. A note on two problems in connexion with graphs. Number 1, pages 269-271. Mathematisch Centrum, Amsterdam, The Netherlands, 1959.
  • [Dor04] M. Dorigo, T. Stützle. Ant Colony Optimization. MIT PRess, 2004.
  • [Häc08] Häckel, S.; Fischer, M.; Zechel, D.; Teich, T.: A multi-objective ant colony approach for pareto-optimization using dynamic programming. In: Proceedings of the 10th Annual Conference on Genetic and Evolutionary Computation (Gecco 2008). Hrsg: Keijzer, M. et. al, Atlanta, GA (USA), July 12.-16., 2008, S. 33-40.
  • [Hans80] P. Hansen. Bicriterion Path Problems. In G. Fandel and T. Gal, editors, Multile Criteria Decision Making Theory and Application, Lecture notes in economics and mathematical systems 177, pages 109{127, Berlin, Heidelberg, 1980. Springer.
  • [Sera87] P. Serafini. Some considerations about computational complexity for multi objective combinatorial problems. In J. Jahn and W. Krabs, editors, Recent Advances and Historical Develpment of Vector Optimization, Lecture notes in economics and mathematical systems 294, page 405, Berlin, 1987. Springer.