exploração dos paradigmas bidirecional e paralelo em algoritmos de busca heurística

139 Pages·2012·0Portuguese

EXPLORAÇÃO DOS PARADIGMAS BIDIRECIONAL
E PARALELO EM ALGORITMOS DE BUSCA
HEURÍSTICA

LUIS HENRIQUE OLIVEIRA RIOS
EXPLORAÇÃO DOS PARADIGMAS BIDIRECIONAL
E PARALELO EM ALGORITMOS DE BUSCA
HEURÍSTICA
Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Ciência da Computa-
ção do Instituto de Ciências Exatas da
Universidade Federal de Minas Gerais
comorequisitoparcialparaaobtençãodo
grau de Mestre em Ciência da Computa-
ção.
ORIENTADOR: LUIZ CHAIMOWICZ
Belo Horizonte
Abril de 2012
(cid:13)c 2012,LuisHenriqueOliveiraRios.
Todososdireitosreservados.
Rios,LuisHenriqueOliveira
R586e Exploraçãodosparadigmasbidirecionaleparalelo
emalgoritmosdebuscaheurística/LuisHenrique
OliveiraRios. —BeloHorizonte,2012
xxiv,115f.: il.;29cm
Dissertação(mestrado)—UniversidadeFederalde
MinasGerais
Orientador: LuizChaimowicz
1.Computação-Teses. 2.Inteligênciaartifical-
Teses. I.Orientador. II.Título.
CDU519.6*82(043)
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
INSTITUTO DE CIENCIAS EXATAS
PROGRAMA DE POS-GRADUA<;AO EM CIENCIA DA COMPUTA<;AO
FOLHA DEAPROVA~AO
Explora<;aodos paradigmas bidirecional eparalelo em algoritmos de busca
heuristica
LUIS HENRIQUE OLIVEIRA RIOS
Dissertayao defendida eaprovada pela banca examinadora constituida pelos Senhores:
HA 0 ICZ-Orientador
Departamento Computayao -UFMG
-~'7,~Mr
PROF. FERNANDO SANTOS OSORIO
Departamento de Sistemas de Computayao -USP
Depart;nn:Ce:ienCi~OmpUG ~
~O~SOFERREIRA
PROF. ~EY ~'NS FERREIRA
Departamento deEngenharia Mecanica -UFMG
Belo Horizonte, 26de abril de2012.

Resumo
O A* é um importante algoritmo de busca heurística em Inteligência Artificial. A
heurística proporciona uma diminuição significativa no esforço computacional da
busca. Entretanto,emmuitoscontextosissonãoésuficiente. Comointuitodelidar
melhorcomessaquestão,váriasextensõesdoalgoritmoA*temsidopropostas.
O objetivo central deste trabalho é investigar formas de melhorar o desempe-
nho do A* através de abordagens bidirecionais e paralelas para propor novos al-
goritmos. Suas contribuições, portanto, são uma forma de organizar os principais
algoritmosdebuscabaseadosnoA*queforampropostosnaliteraturaedoisnovos
algoritmosdebuscaheurísticabidirecionalparalelachamadosPNBA*eBPBNF.
AclassificaçãodasextensõesdoA*expostanestetrabalhoéumaformadeor-
ganizar os principais algoritmos de busca baseados no A* presentes na literatura.
Elaéestruturadaemseisclasses(bidirecional,incremental,memory-concerned,para-
lela,anytimeetempo-real)nãoexcludentesentresi.
OPNBA*éumaimplementaçãoparaleladoNBA*(algoritmodebuscaheurís-
tica bidirecional) para ambientes computacionais de memória compartilhada. Seus
dois processos de busca são executados em paralelo. Em todos os domínios empre-
gadosnosexperimentos,oPNBA*foimaisrápidodoqueoA*eoNBA*.
O BPBNF generaliza a idéia do algoritmo PNBA* para mais de dois proces-
sadores e também reduz o tempo de execução do PBNF (algoritmo no qual ele se
baseia). A comparação empírica dos desempenhos evidenciou uma clara superi-
oridade do BPBNF em relação ao A*. Se comparado ao PBNF, em dois dos três
domíniosempregadostambémfoipossívelnotarasuasuperioridade.
Portanto, este trabalho mostra ser viável e factível a combinação dos paradig-
mas bidirecional e paralelo para redução do tempo de execução do algoritmo de
buscaheurísticaA*,mantendoaadmissibilidade.
Palavras-chave: buscaheurísticabidirecionalparalela,classificaçãodealgorit-
mosdebuscaheurística,A*,PNBA*,BPBNF.
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Abstract
A* is a very important heuristic search algorithm in Artificial Intelligence. The use
of a heuristic provides a significant reduction in the computational efforts of the
searchalgorithm. However,inmanycontextsthisisnotsufficient. Inordertobetter
dealwiththisissue,severalextensionsoftheA*algorithmhavebeenproposed.
The goal of this dissertation is to investigate ways of improving the perfor-
mance of A* through bidirectional and parallel approaches to propose new algo-
rithms. Therefore, the contributions are: a way of organizing the main search algo-
rithms based on A* that have been proposed in the literature and two new parallel
bidirectionalheuristicsearchalgorithmscalledPNBA*andBPBNF.
We discuss and organize the main extensions of A* in six different classes: bi-
directional,incremental,memory-concerned,parallel,anytimeandreal-time. These
classes are not mutually exclusive and represent the main objectives and characte-
risticsofthemajorityofA*extensionsfoundintheliterature.
The PNBA* is a parallel implementation of NBA* (a bidirectional heuristic se-
arch algorithm) for computational environments with shared memory. Its two se-
arch processes are executed in parallel. We show in our experiments that PNBA* is
fasterthanA*andNBA*inthreedifferentapplicationdomains.
The BPBNF algorithm generalizes the idea of PNBA* for more than two pro-
cessors and also reduces the execution time of PBNF (an algorithm in which it is
based on). Our experiments have showed a clear superiority of BPBNF relative to
A*. WhencomparedtoPBNFintwoofthethreetesteddomains,itwasalsopossible
tonoteBPBNFsupremacy.
Therefore,thisdissertationshowstheviabilityandthefeasibilityofcombining
thebidirectionalandparallelparadigmsinordertoreducetheruntimeofA*while
keepingitsadmissibility.
Keywords: bidirectional parallel heuristic search, heuristic search algorithms
classification,A*,PNBA*,BPBNF.
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