Algoritmo Genético com Interação Social Nebulosa PDF
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA ALGORITMO GENÉTICO COM INTERAÇÃO SOCIAL NEBULOSA OTÁVIO NOURA TEIXEIRA TD: 06/2012 UFPA / ITEC / PPGEE Campus Universitário do Guamá Belém – Pará – Brasil 2012 iii UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA OTÁVIO NOURA TEIXEIRA ALGORITMO GENÉTICO COM INTERAÇÃO SOCIAL NEBULOSA TD: 06/2012 UFPA / ITEC / PPGEE Campus Universitário do Guamá Belém – Pará – Brasil 2012 iv UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA OTÁVIO NOURA TEIXEIRA ALGORITMO GENÉTICO COM INTERAÇÃO SOCIAL NEBULOSA Tese submetida à Banca Examinadora do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFPA como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Título de Doutor em Engenharia Elétrica na área de Computação Aplicada. UFPA / ITEC / PPGEE Campus Universitário do Guamá Belém – Pará – Brasil 2012 v UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA ALGORITMO GENÉTICO COM INTERAÇÃO SOCIAL NEBULOSA AUTOR: OTÁVIO NOURA TEIXEIRA TESE DE DOUTORADO SUBMETIDA À AVALIAÇÃO DA BANCA EXAMINADORA APROVADA PELO COLEGIADO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ E JULGADA ADEQUADA PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE DOUTOR EM ENGENHARIA ELÉTRICCA NA ÁREA DE COMPUTAÇÃO APLICADA. APROVADA EM: 19/04/2012 BANCA EXAMINADORA: ___________________________________ ___________________________________ Prof. Roberto Célio Limão de Oliveira, Dr. Prof. Gustavo Augusto Lima de Campos, Dr. (Orientador – PPGEE-UFPA) (Membro Externo – MACC-UECE) ___________________________________ ___________________________________ Profa. Adriana Rosa Garcez Castro, Dra. Prof. João Viana da Fonseca Neto, Dr. (Membro– PPGEE-UFPA) (Membro Externo – PPGEE-UFMA) ___________________________________ ___________________________________ Prof. Elói Luiz Favero, Dr. Prof. Ronaldo de Freitas Zampolo, Dr. (Membro – PPGCC-UFPA) (Membro – FCT-UFPA) Visto _____________________________________ Prof. Marcos Vinícius Alves Nunes, Dr. (Coordenador do PPGEE-UFPA) iv “Aprenda olhando para a Natureza, use-a como mentora”. Leonardo da Vinci v Às minhas meninas, Gabriela e Rafaela. vi AGRADECIMENTOS À Deus e a todos os Seres de Luz, por sempre estarem comigo em todos os momentos, os bons e os não bons. A força, a energia e o cuidado de vocês me ajudaram e muito a ser persistente, resiliente e jamais parar de seguir em frente rumo ao sonho de concluir mais essa etapa em minha vida. Gratidão! Aos meus pais, Artur e Maria do Carmo, por terem sido os meus primeiros mestres nesta vida, desempenhando brilhantemente suas funções nos cargos de pai e mãe, e que em todas as circunstâncias estiveram ao meu lado, orientando-me em todas as decisões da minha vida, dando-me tanto o suporte material, quanto, e principalmente, suporte emocional e afetivo. Eu escolhi vocês como pais e a decisão foi mais que acertada. Amo demais vocês! À Universidade Federal do Pará, ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE), e em especial ao meu amigo e orientador Roberto Célio Limão de Oliveira, pela parceria, amizade, crença e paciência. Muito obrigado por tudo! Ao Centro Universitário do Estado do Pará (CESUPA), minha segunda casa há 18 anos, e onde tive o suporte dos meus amigos professores e alunos; da reitoria, e que agradeço em nome dos professores João Paulo do Vale Mendes, Sérgio Fiuza de Melo Mendes, e da minha segunda mãe, a professora Conceição Rangel Fiuza de Melo. Obrigado por compartilharem o sonho de um projeto educacional focado na liberdade dos indivíduos através do conhecimento. Sou filho dessa casa e sempre o serei! vii SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS .....................................................................................................xi LISTA DE TABELAS ..................................................................................................xiii LISTA DE GRÁFICOS ...............................................................................................xvii RESUMO.........................................................................................................................xx ABSTRACT....................................................................................................................xxi CAPITULO I 1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 1 1.1. MOTIVAÇÃO E JUSTIFICATIVA .................................................................. 1 1.2. OBJETIVOS ...................................................................................................... 10 1.2.1. Objetivo Geral ...................................................................................................................... 10 1.2.2. Objetivos Específicos ........................................................................................................... 11 1.4. PRINCÍPAIS CONTRIBUIÇÕES ................................................................... 12 1.3. ESTRUTURA DA TESE ................................................................................... 13 CAPITULO II 2. PROPOSTA DE ALGORITMOS COM INTERAÇÃO SOCIAL ...................... 15 2.1. APRESENTAÇÃO ............................................................................................ 15 2.2. ALGORITMO SIGA ......................................................................................... 18 2.3. MÉTODOS DE SELEÇÃO DILEMA DO PRISIONEIRO ........................... 22 2.3.1. Dilema do Prisioneiro Roleta (DPR) .................................................................................. 22 a. 𝐷𝑃𝑅𝑟 =1 ................................................................................................................................ 24 b. 𝐷𝑃𝑅𝑟 >1 ............................................................................................................................... 26 2.3.2. Dilema do Prisioneiro Torneio (DPT) ................................................................................ 29 a. 𝐷𝑃𝑇𝑟 =1 ................................................................................................................................ 31 b. 𝐷𝑃𝑇𝑟 >1 ................................................................................................................................ 34 2.4. ALGORITMO NPSIGA .................................................................................... 37 2.5. ALGORITMO F-SIGA ..................................................................................... 43 2.5.1. Abordagem Nebulosa do Dilema do Prisioneiro ............................................................... 44 viii 2.5.2. Função de Pagamento do Dilema do Prisioneiro Nebuloso .............................................. 45 2.5.3. Fatores de Decisão ................................................................................................................ 46 a. Fator f : Relação entre as Riquezas Acumuladas..................................................................... 47 1 b. Fator f : Últimas Iterações entre os Jogadores ........................................................................ 49 2 c. Fator f : Relação entre as Tendências Globais de Riqueza ...................................................... 50 3 2.5.4. Conjunto de Regras Nebulosas ........................................................................................... 52 2.5.5. Determinação da Ação do Jogador ..................................................................................... 53 2.5.6. Exemplificação ..................................................................................................................... 53 2.5.7. Codificação das Estratégias de Comportamento ............................................................... 59 2.6. ALGORITMO ESIA ......................................................................................... 62 2.6.1. Fator de Experiência ............................................................................................................ 64 a. Fator de experiência em relação à idade .................................................................................. 64 b. Fator de experiência em relação à quantidade de disputas ...................................................... 65 c. Função Fator Experiência (idade, disputas)............................................................................. 66 2.6.2. Função Fitness com o Fator de Experiência ...................................................................... 67 2.6.3. Possibilidades de Extensão do Uso do ESIA ...................................................................... 67 2.7. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................ 68 CAPITULO III 3. PROBLEMAS, SIMULAÇÕES E RESULTADOS .............................................. 71 3.1. APRESENTAÇÃO ............................................................................................ 71 3.2. PROBLEMAS DE OTIMIZAÇÃO GLOBAL SEM RESTRIÇÕES ............ 73 3.2.1. Função f - Shifted Sphere Function ................................................................................... 73 1 3.2.2. Função f - Shifted Rosenbrock’s Function ......................................................................... 78 6 3.2.3. Função f - Shifted Rotated Ackley’s Function with Global Optimum on Bounds ........ 82 8 3.3. PROBLEMAS DE OTIMIZAÇÃO GLOBAL COM RESTRIÇÕES ........... 86 3.3.1. Projeto de Viga de Aço ........................................................................................................ 86 3.3.2. Projeto de Vaso de Pressão ................................................................................................. 92 3.3.3. Minimização do Peso da Tensão/Compressão sobre Mola ............................................... 96 3.3.4. Projeto de Redutor de Velocidade .................................................................................... 101 3.4. PROBLEMA DO CAIXEIRO VIAJANTE (PCV) ....................................... 107 3.4.1. Instância: br26 .................................................................................................................... 109 3.4.2. Instância: kro100 ................................................................................................................ 112 3.4.3. Instância: att532 ................................................................................................................. 115 3.4.4. Instância: pcp1173 .............................................................................................................. 119 3.5. CONSIDERAÇÕES FINAIS .......................................................................... 123 ix CAPITULO IV 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................. 124 4.1. SUMARIZAÇÃO E CONCLUSÕES ............................................................. 124 4.2. LIMITAÇÕES DA TESE E TRABALHOS FUTUROS .............................. 127 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 130 ANEXOS ANEXO A – ALGORTIMOS GENÉTICOS: UMA VISÃO GERAL .................. 145 A.1. APRESENTAÇÃO ......................................................................................... 145 A.2. ESTRUTURA BÁSICA .................................................................................. 146 A.3. COMO IMPLEMENTAR UM ALGORITMO GENÉTICO...................... 147 ANEXO B – FUNDAMENTOS DA TEORIA DOS JOGOS ................................. 151 B.1. APRESENTAÇÃO .......................................................................................... 151 B.2. COMPONENTES DE UM JOGO ESTRATÉGICO ................................... 152 B.3. TIPOS DE JOGOS .......................................................................................... 153 B.4. O PARADIGMA DO DILEMA DO PRISIONEIRO ................................... 154 ANEXO C – CONJUNTOS E SISTEMAS NEBULOSOS ..................................... 159 C.1. APRESENTAÇÃO ......................................................................................... 159 C.2. CONJUNTOS NEBULOSOS ......................................................................... 160 C.3. OPERAÇÕES E RELAÇÕES SOBRE CONJUNTOS NEBULOSOS ...... 162 C.4. VARIÁVEIS LINGUÍSTICAS ...................................................................... 167 C.5. LÓGICA NEBULOSA ................................................................................... 170 C.6. SISTEMAS NEBULOSOS ............................................................................. 172 ANEXO D – ESTRATÉGIAS DE COMPORTAMENTO ..................................... 175 D.1. ESTRATÉGIAS UTILIZADAS NO ALGORITMO SIGA ........................ 175 D.2. ESTRATÉGIAS UTILIZADAS NO ALGORITMO F-SIGA ..................... 175 ANEXO E – CONFIGURAÇÕES DAS SIMULAÇÕES ........................................ 184
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