موازی سازی الگوریتم کلونی مورچگان در طراحی شبکه گسسته حمل و نقل

نویسندگان
1 دانشگاه تربیت مدرس
2 دانشکده فنی دانشگاه تهران
3 دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه صنعتی شریف
4 دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
طراحی شبکه گسسته حمل‌ونقل عبارت است از انتخاب زیرمجموعه‌ای امکان‌پذیر از پروژه‌ها (بزرگراه‌ها)ی پیشنهادی در یک شبکه حمل‌ونقل به منظور کمینه‌سازی زمان سفر کل کاربران شبکه. این مساله در رده مسائل NP-Hard است که هیچ الگوریتم موثری برای حل دقیق آنها در مقیاس بزرگ وجود ندارد. ازاین‌رو بیشتر مطالعات انجام‌گرفته، به منظور یافتن جوابی نسبتا خوب در مدت زمانی معقول، ‌از طریق رویکردهای ابتکاری و فراابتکاری به مساله پرداخته‌اند. اما راه دیگری که همچنان برای افزایش سرعت رویکردهای حل مساله وجود دارد، محاسبات موازی است. مقاله پیش‌رو، به بررسی کاربرد محاسبات موازی در یک الگوریتم فراابتکاری در مساله طراحی شبکه گسسته حمل‌ونقل می‌پردازد. در این مقاله، یک الگوریتم موازی کلونی مورچگان، بر مبنای مطالعه پورزاهدی و ابوالقاسمی، با الگوی موازی‌سازی ارباب-کارگر پیشنهاد می‌گردد. برای مطالعه موردی، شبکه حمل‌ونقلی خلاصه‌شده شیکاگو با 16 پروژه پیشنهادی درنظرگرفته می‌شود. نتایج موازی‌سازی بر روی خوشه‌ای از 8 هسته پردازشی نشان‌دهنده آن است که الگوریتم‌های موازی می‌توانند ظرف مدت زمان 4000 ثانیه به جواب‌هایی با کیفیت بالا دست پیدا کنند، درحالی‌که همین دستیابی برای الگوریتم‌های تک‌هسته‌ای در مدت 10000 ثانیه اتفاق می‌افتد. از سه اجرای موازی، در دومورد الگوریتم موازی کلونی مورچگان به جواب دقیق مساله دست می‌یابد، و در مورد دیگر به جوابی با 07/0 درصد خطا همگرا می‌شود. عملکرد موازی الگوریتم کلونی مورچگان، همچنین با الگوریتم شاخه‌وکرانه مقایسه می‌شود. این مقایسه نشان می‌دهد که الگوریتم موازی شاخه‌وکرانه به بیش از 32000 ثانیه زمان اجرا برای یافتن جواب دقیق مساله نیاز دارد، درحالی‌که الگوریتم موازی کلونی مورچگان عملکرد بسیار سریع‌تری را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Parallelization of Ant Colony Algorithm in Transportation Discrete Network Design

نویسنده English

Amirali Zarrinmehr 1
1 Tarbiat Modares University
چکیده English

Transportation Discrete Network Design Problem (TDNDP) is defined as the problem of selecting a subset of proposed projects (i.e. new highways) for construction, while holding the budget constraint, so as to minimize the total travel time of the network users. TDNDP has been often known as a problem with the bi-level programming formulation. At the upper level, this formulation allows for finding the optimal selection of the projects, while taking into account the route choice behavior of network users at its lower level. Such a formulation falls into the category of problems in the NP-Hard complexity class. These are resource-intensive problems which have not been exactly solved yet with any efficient algorithms. As a result, the main body of TDNDP related literature has ignored the exact solution of the problem and addressed TDNDP through heuristic and meta-heuristic approaches. These approaches contribute to find a rather high quality solution in a reasonable amount of time.
Using heuristic and meta-heuristic algorithms is one way to overcome the complexity of NP-Hard problems like TDNDP. However, application of parallel computing still remains as another way to speed up the performance of such algorithms. Parallel computation aims at harnessing multiple computing resources, e.g. computer processors, to solve a certain problem. Different parallelization paradigms have been developed so far to parallelize solution algorithms. These paradigms generally address the two fundamental questions of how and when the required information should be exchanged among the processors. A master-slave (MS) parallelization paradigm is one of the basic paradigms in which one processor, namely the master, holds the main information of the problem. The master generates new jobs whenever needed, distributes them among other processors (i.e. slaves), and exploits them to work on the sent jobs. This paper is going to explore the application of parallel computation in a meta-heuristic algorithm in TDNDP. A parallel Ant Colony Algorithm (ACA), based on the study of Poorzahedy and Abulghasemi, is proposed with the MS parallelization paradigm. The Chicago Sketch transportation network is considered as a case study with 16 bi-directional proposed projects. The results are reported in three runs over a cluster of 8 processing cores for both single-core and parallel ACAs. According to the performances observed in this paper, parallel algorithms can achieve high quality solutions in 4000 seconds, while this happens for the single-core algorithms in 10000 seconds. The parallel ACA finds the exact solution of the problem in two instances out of three runs and in the other instance it converges to a solution with 0.07 percent error from the exact solution. The parallel performance of ACA is also reported along with that of the branch and bound algorithm. It is observed that the parallel branch and bound algorithm requires more than 32000 seconds running time to find the exact solution of the problem. More accurate comparisons, however, can only be achieved by running the single-core and parallel ACAs more than the three times used in this paper.

کلیدواژه‌ها English

Transportation Discrete Network Design
Ant colony algorithm
Parallel Computing
Master-Worker Paradigm
Alba, E. Parallel metaheuristics: A new class of algorithms, Wiley Series on Parallel and Distributed Computing, 2005.
[2] Poorzahedy, H., Abulghasemi, F. Application of ant system to network design problem, Transportation, 32(3), 2005, 251-273.
[5] Vitins, B. J., Axhausen, K. W. Optimization of large transport networks using the ant colony heuristic, Computer-Aided Civil and Infrastructural Engineering, 24(1), 2009, 1-14.
[6] Pradhan, A., Mahinthakumar, G. Finding all-pairs shortest path for a large-scale transportation network using parallel Floyd-Warshal and parallel Dijkstra algorithms, Journal of Computing in Civel Engineering, 27(3), 2013, 263-273.
[7] Yang, H., Bell, M. G. H. Models and algorithms for road network design: a review and some new developments, Transport Reviews-Transnational Transdisciplinary Journal, 18(3), 1998, 257-278.
[8] Babazadeh, A., Poorzahedy, H., Nikoosokhan, S. Application of particle swarm optimization to transportation network design problem, Journal of King Saud University-Science, 23(3), 2011, 293-300.
[9] Sheffi Y. Urban transportation networks: equilibrium analysis with mathematical programming methods, Prentice Hall, 1985.
[10] Aashtiani, H. Z. The multi-modal traffic assignment problem, Ph.D. Dissertation, MIT, 1979.
[11] Nie, Y. A class of bush-based algorithms for the traffic assignment algorithm, Transportation Research Part B, 44(1), 2010, 73-89.
[12] Izadpanah, P., Aashtiani, H. Z. Application of Paths Information in Network Design Problem, Journal of Transportation Engineering, 138(7), 2011, 863-870.
[13] LeBlanc, L. J., Morlok, E.K., Pierskalla, W.P., An efficient approach to solving the road network equilibrium traffic assignment problem, Transportation Resesarch, 9(5), 1975, 309-318.
[14] Vitins, B. J., Axhausen, K. W. Patterns and grammars for transport network generation, Proceedings of 14th Swiss Transportation Research Conference, 2010.
[15] Farahani, R. Z., Miandoabchi, E., Szeto, W. Y., Rashidi, H. A review of urban transportation network design problems, European Journal of Operational Research, 229, 2013, 281-302.
[16] Yin, Y. Genetic-algorithms-based approach for bi-level programming models. Journal of Transportation Engineering, 126(2), 2000, 115-120.
[17] Lee, C. K., Yang, K. I. Network design on one-way streets with simulated annealing, Papers in Regional Science, 73(2), 1994, 119–134.
[18] ابوالقاسمی؛ فرهاد؛ کاربرد الگوریتم سیستم مورچه­ها در مساله طراحی شبکه؛ پایان­نامه کارشناسی­ارشد، موسسه عالی پژوهش در برنامه­ریزی توسعه؛ 1380.
[19] Barney, B. Introduction to parallel computing, Lawrence Livermore National Laboratory, 2010.
[20] Gendron, B., Crainic, T.G. Parallel branch-and-bound algorithms: survey and synthesis, Operations Research, 42(6), 1994, 1042-1066.
[21] Roucairol, Catherine. Parallel processing for difficult combinatorial optimization problems, European Journal of Operational Research, 92(3), 1996, 573-590.
[22] Agrawal, J., Mathew, T. V. Transit route network design using parallel genetic algorithm, Journal of Computing in Civil Engineering, 18(3), 2004, 248-256.
[23] Yang, Z., Yu, B., Cheng, C. A parallel ant colony algorithm for bus network optimization, Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 22(1), 2007, 44-55.
[24] زرین­مهر؛ امیرعلی؛ کاربرد الگوریتم­های شاخه­وکرانه موازی در حل مساله طراحی شبکه گسسته؛ پایان­نامه کارشناسی­ارشد، دانشگاه صنعتی­شریف؛ 1390.
[25] LeBlanc, L. J. An algorithm for the discrete network design problem, Transportation Science, 9(3), 1975, 183-199.
[26] Bar-Gera, H. Transportation network test problems, http://www.bgu.ac.il/~bargera/tntp. Accessed in Septemper 2011.