Published May 31, 2024 | Version v1
Publication

Efficiently handling constraints in mixed-integer nonlinear programming problems using gradient-based repair differential evolution

Description

Mixed integer nonlinear programming (MINLP) addresses optimization problems that involve continuous and discrete/integer decision variables, as well as nonlinear functions. These problems often exhibit multiple discontinuous feasible parts due to the presence of integer variables. Discontinuous feasible parts can be analyzed as subproblems, some of which may be highly constrained. This significantly impacts the performance of evolutionary algorithms (EAs), whose operators are generally insensitive to constraints, leading to the generation of numerous infeasible solutions. In this article, a variant of the differential evolution algorithm (DE) with a gradient-based repair method for MINLP problems (G-DEmi) is proposed. The aim of the repair method is to fix promising infeasible solutions in different subproblems using the gradient information of the constraint set. Extensive experiments were conducted to evaluate the performance of G-DEmi on a set of MINLP benchmark problems and a real-world case. The results demonstrated that G-DEmi outperformed several state-of-the-art algorithms. Notably, G-DEmi did not require novel improvement strategies in the variation operators to promote diversity; instead, an effective exploration within each subproblem is under consideration. Furthermore, the gradient-based repair method was successfully extended to other DE variants, emphasizing its capacity in a more general context.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعالج البرمجة غير الخطية بالأعداد الصحيحة المختلطة (MINLP) مشاكل التحسين التي تنطوي على متغيرات قرار مستمرة ومنفصلة/عدد صحيح، بالإضافة إلى الوظائف غير الخطية. غالبًا ما تظهر هذه المشكلات أجزاء مجدية متقطعة متعددة بسبب وجود متغيرات عدد صحيح. يمكن تحليل الأجزاء الممكنة غير المستمرة كمشاكل فرعية، وقد يكون بعضها مقيدًا للغاية. يؤثر هذا بشكل كبير على أداء الخوارزميات التطورية (EAs)، التي يكون مشغلوها غير حساسين بشكل عام للقيود، مما يؤدي إلى توليد العديد من الحلول غير المجدية. في هذه المقالة، يُقترح متغير من خوارزمية التطور التفاضلي (DE) مع طريقة إصلاح قائمة على التدرج لمشاكل MINLP (G - Demi). الهدف من طريقة الإصلاح هو إصلاح الحلول الواعدة غير المجدية في المشكلات الفرعية المختلفة باستخدام معلومات التدرج لمجموعة القيود. تم إجراء تجارب مكثفة لتقييم أداء G - Demi على مجموعة من المشاكل المعيارية في MINLP وحالة واقعية. أظهرت النتائج أن G - DEmi تفوق على العديد من الخوارزميات الحديثة. والجدير بالذكر أن G - DEmi لم تتطلب استراتيجيات تحسين جديدة في مشغلي التباين لتعزيز التنوع ؛ بدلاً من ذلك، يتم النظر في استكشاف فعال داخل كل مشكلة فرعية. علاوة على ذلك، تم توسيع طريقة الإصلاح القائمة على التدرج بنجاح لتشمل متغيرات DE الأخرى، مع التأكيد على قدرتها في سياق أكثر عمومية.

Translated Description (French)

La programmation non linéaire à nombres entiers mélangés (MINLP) aborde les problèmes d'optimisation qui impliquent des variables de décision continues et discrètes/entières, ainsi que des fonctions non linéaires. Ces problèmes présentent souvent plusieurs parties possibles discontinues en raison de la présence de variables entières. Les parties faisables discontinues peuvent être analysées comme des sous-problèmes, dont certains peuvent être fortement contraints. Cela impacte de manière significative la performance des algorithmes évolutifs (EA), dont les opérateurs sont généralement insensibles aux contraintes, conduisant à la génération de nombreuses solutions infaisables. Dans cet article, une variante de l'algorithme d'évolution différentielle (DE) avec une méthode de réparation basée sur le gradient pour les problèmes MINLP (G-DEmi) est proposée. Le but de la méthode de réparation est de fixer des solutions irréalisables prometteuses dans différents sous-problèmes en utilisant les informations de gradient de l'ensemble de contraintes. Des expériences approfondies ont été menées pour évaluer les performances de G-DEmi sur un ensemble de problèmes de référence MINLP et un cas réel. Les résultats ont démontré que G-DEmi surpassait plusieurs algorithmes de pointe. Notamment, G-DEmi n'a pas eu besoin de nouvelles stratégies d'amélioration dans les opérateurs de variation pour promouvoir la diversité ; au lieu de cela, une exploration efficace au sein de chaque sous-problème est à l'étude. En outre, la méthode de réparation basée sur le gradient a été étendue avec succès à d'autres variantes de DE, soulignant sa capacité dans un contexte plus général.

Translated Description (Spanish)

La programación no lineal de enteros mixtos (MINLP) aborda problemas de optimización que involucran variables de decisión continuas y discretas/enteras, así como funciones no lineales. Estos problemas a menudo exhiben múltiples partes factibles discontinuas debido a la presencia de variables enteras. Las partes factibles discontinuas se pueden analizar como subproblemas, algunos de los cuales pueden estar muy limitados. Esto afecta significativamente el rendimiento de los algoritmos evolutivos (EA), cuyos operadores son generalmente insensibles a las restricciones, lo que lleva a la generación de numerosas soluciones inviables. En este artículo, se propone una variante del algoritmo de evolución diferencial (DE) con un método de reparación basado en gradiente para problemas MINLP (G-DEmi). El objetivo del método de reparación es solucionar soluciones prometedoras inviables en diferentes subproblemas utilizando la información de gradiente del conjunto de restricciones. Se realizaron experimentos exhaustivos para evaluar el rendimiento de G-DEmi en un conjunto de problemas de referencia de MINLP y un caso del mundo real. Los resultados demostraron que G-DEmi superó a varios algoritmos de última generación. En particular, G-DEmi no requirió nuevas estrategias de mejora en los operadores de variación para promover la diversidad; en cambio, se está considerando una exploración efectiva dentro de cada subproblema. Además, el método de reparación basado en gradiente se extendió con éxito a otras variantes de DE, enfatizando su capacidad en un contexto más general.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التعامل بكفاءة مع القيود في مشاكل البرمجة غير الخطية ذات الأعداد الصحيحة المختلطة باستخدام التطور التفاضلي للإصلاح القائم على التدرج
Translated title (French)
Gérer efficacement les contraintes dans les problèmes de programmation non linéaire à nombres entiers mixtes en utilisant l'évolution différentielle de réparation basée sur le gradient
Translated title (Spanish)
Manejo eficiente de las restricciones en problemas de programación no lineal de enteros mixtos utilizando la evolución diferencial de reparación basada en gradientes

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4399241090
DOI
10.7717/peerj-cs.2095

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Mexico

References

  • https://openalex.org/W141491287
  • https://openalex.org/W1595159159
  • https://openalex.org/W1967526191
  • https://openalex.org/W1997190837
  • https://openalex.org/W2003137566
  • https://openalex.org/W2022679019
  • https://openalex.org/W2035345497
  • https://openalex.org/W2037743335
  • https://openalex.org/W2040734884
  • https://openalex.org/W2042594698
  • https://openalex.org/W2044229536
  • https://openalex.org/W2050045401
  • https://openalex.org/W2096166399
  • https://openalex.org/W2124152077
  • https://openalex.org/W2129724855
  • https://openalex.org/W2133304166
  • https://openalex.org/W2141119792
  • https://openalex.org/W2145479420
  • https://openalex.org/W2159579247
  • https://openalex.org/W2163817487
  • https://openalex.org/W2165203444
  • https://openalex.org/W2219010958
  • https://openalex.org/W2305736182
  • https://openalex.org/W2345178486
  • https://openalex.org/W2419306226
  • https://openalex.org/W2762183979
  • https://openalex.org/W2778468805
  • https://openalex.org/W2792658715
  • https://openalex.org/W2884636259
  • https://openalex.org/W2940974701
  • https://openalex.org/W2965421546
  • https://openalex.org/W2972681909
  • https://openalex.org/W2998173449
  • https://openalex.org/W3110565446
  • https://openalex.org/W3127504646
  • https://openalex.org/W3129548626
  • https://openalex.org/W3189471003
  • https://openalex.org/W3197575342
  • https://openalex.org/W3199183478
  • https://openalex.org/W3200587122
  • https://openalex.org/W369580930
  • https://openalex.org/W401943522
  • https://openalex.org/W4236700124
  • https://openalex.org/W4280602161
  • https://openalex.org/W4281255401
  • https://openalex.org/W4294811679
  • https://openalex.org/W4309344922
  • https://openalex.org/W4311763303
  • https://openalex.org/W4312210699
  • https://openalex.org/W4313256881
  • https://openalex.org/W4376639390
  • https://openalex.org/W4381167492
  • https://openalex.org/W4382343125
  • https://openalex.org/W4385272618
  • https://openalex.org/W4387676037
  • https://openalex.org/W4388425082
  • https://openalex.org/W4388735809
  • https://openalex.org/W603729728
  • https://openalex.org/W65932205