Implementación de un algoritmo evolutivo basado en MOS

144 Pages·2008·9.65 MB·Spanish

by  Manuel Zaforas

Universidad Politécnica de Madrid
Facultad de Informática
Proyecto fin de carrera
Implementación de un algoritmo
evolutivo basado en MOS
Autor: Manuel Zaforas
Tutores: José María Peña Sánchez
Antonio LaTorre de la Fuente
Madrid, Julio 2008
ImplementacióndeunalgoritmoevolutivobasadoenMOS
ManuelZaforas
Madrid,Julio2008
Tutores:
JoséMaríaPeñaSánchez (jmpena@fi.upm.es)
AntonioLaTorredelaFuente (atorre@fi.upm.es)
LacomposicióndeestedocumentoseharealizadoconLATEX.
Cita: "La selección natural, es una fuerza
siempredispuestaalaacciónytaninconmen-
surablemente superior a los débiles esfuerzos
delhombrecomolasobrasdelaNaturalezalo
sonalasdelArte."
CharlesDarwin.
Elorigendelasespecies,capítuloIII.
Dedicatoria:Dedicadoalaocadelestanque.

Agradecimientos
Este proyecto es el colofón a una etapa de mi vida marcada por muchas personas y experiencias
positivas,quemehanllevadoadondeahoraestoyyaformarmecomoingenieroycomopersona.
En primer lugar quiero agradecer a mis padres, ya que en gran medida todo lo que soy y lo bueno
quetengoselodeboaellos,quemehanapoyadosiempreincondicionalmenteentodoloquehehecho.
AmihermanaCarlotaportodalapacienciaquetieneconmigoyporhabersidosiempremiamiga.
Gracias sobre todo a Nuria, porque desde que te conocí eres el faro que ilumina mi vida y que me
hacefelizalmargendetodolodemás.
Graciasatodosloscompañerosconlosquehecompartidoestudios,prácticasysufrimientosdurante
la carrera, especialmente a Javi, Trevi, Jaime, Alvarito, Rafa, Marí Paz, Jose, Marco, Mariajo, Laura,
Jess,Raquel,Luis,Miguel,Soto,Juanitoytodoslosquemedejoperoquehemosluchadojuntoseneste
campodebatallallamadoFI,ydevezencuandohemoshechounaparadapararelajarnosyvisitaralos
patos tomando una paella. Gracias también a toda la gente de Delegación, Coleópteros, Alfa y Omega,
HistriónytodoslosfollonesenlosqueheestadometidoenlaFI.
GraciasatodalagentedelLaboratoriodeSistemasOperativosdelDATSIportodoloqueheapren-
dido con ellos y por lo bien que nos lo hemos pasado en esas largas sobremesas de pueblos y caminos.
Gracias a Fernando Pérez por darme la oportunidad de entrar en el laboratorio y por todo lo que he
aprendido de él. Gracias a los doctorandos: Chuso, Juan, Santi y Alberto por todo lo que saben y la fa-
cilidadconquelotransmiten,estandosiempredispuestosaecharunamano.GraciastambiénaAlberto,
Germán, Luis y el resto de becarios que compartimos el peso del yugo de nuestras becas rodeados de
neverasypiruletas.
–I–
0.Agradecimientos
GraciasespecialmentealosAR:Rojo,Santi,Nacho,Zuazo,Diego,Ato,P.Lorenzo,P.JoséManuel,
Chunia y Javi Lorenzo, por esas largas, divertidas e improductivas reuniones en el Rufos o en torno a
unas palomitas quemadas. Gracias también a todos los que siempre están ahí para escaparse al ático
cuando es necesario o para desahogarnos dando patadas a un balón, especialmente a Edu, Ian, Líder,
Pablo, Alex, Sonso (que eres como uno más), Merino, Manza, Chuso, Héctor, Paco, Braci, Luquitas y
todoslosdemás.GraciassobretodoalP.Carlosporhabersidounsegundopadreparamí.
Gracias a toda la gente del equipo de basket, especialmente a Alfre por todas las cosas que hemos
vividojuntos.
Y por último gracias a Chema y Toni, por toda la paciencia que han tenido conmigo y por todo lo
queheaprendidodeellos,porquesinellosesteproyectonoseríaunarealidad.
Gracias también a tantos que me dejo en el tintero y en general a todos porque sin duda no habría
llegadohastaaquísinvosotros.
–II–
Índice
Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
Índice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
Índicedefiguras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
Índicedetablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII
Acrónimosyabreviaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVII
PARTE I INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
1. Introducciónyobjetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3. Estructuradelamemoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
PARTE II ESTADO DE LA CUESTIÓN
2. Computacióndealtasprestacionesconarquitecturasparalelas . . . . . . . . . 9
2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2. Arquitecturasparalelas:Taxonomía . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
–III–
Índice
2.2.1. Multiprocesadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2. Multicomputadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2.1. Clúster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2.2. Magerit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3. Topologíasyredesdeinterconexión . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1. Tecnologíasdeinterconexión . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4. Rendimientoencomputaciónparalela . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1. Factordeaceleración:Speedup . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2. LeydeAmdahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.3. LeydeGustafson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5. Procesodeparalelización:Principiosdediseño . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.1. Descomposición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.2. Asignación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.3. Orquestación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.3.1. Comunicaciónunicastvs.broadcast . . . . . . . . . . . 23
2.5.3.2. Comunicaciónestructuradavs.noestructurada . . . . . . . . 24
2.5.3.3. Comunicaciónestáticavs.dinámica . . . . . . . . . . . 25
2.5.3.4. Comunicaciónsíncronavs.asíncrona . . . . . . . . . . . 25
2.5.4. Despliegue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6. Herramientasdeprogramaciónparalela . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6.1. HPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6.2. MPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6.2.1. FuncionamientodeMPI . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.3. OMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3. Algoritmosevolutivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2. Algoritmosgenéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1. Esquemadeselección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
–IV–
Índice
3.2.1.1. Métododelaruleta . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1.2. Métododelaruletaextendidoconrangos . . . . . . . . . 37
3.2.1.3. Métododeselecciónportorneo . . . . . . . . . . . . 38
3.2.2. Operadordecruce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2.1. Crucedeunpunto . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2.2. Cruceendospuntos . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2.3. Cruceuniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.2.4. Crucearitmético . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.2.5. Crucecíclico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.2.6. Cruceordenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.3. Operadordemutación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.3.1. Mutaciónporinversión . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.3.2. Mutaciónporintercambiorepetido . . . . . . . . . . . 42
3.2.3.3. Mutaciónuniforme . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3. AlgoritmosEDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.1. Heurísticasparaelaprendizaje . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.1.1. Modelosindependencias . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1.2. Modeloscondependenciasbivariantes . . . . . . . . . . 45
3.3.1.3. Modelosconmúltiplesdependencias . . . . . . . . . . . 45
3.4. Algoritmosevolutivosparalelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.1. Modelosconpoblaciónglobal . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.1.1. Variantesíncronaconmaestro-esclavos . . . . . . . . . . 46
3.4.1.2. Variantesemisíncronaconmaestro-esclavos . . . . . . . . 47
3.4.1.3. Varianteasíncronaconcurrente . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2. Modelosdeislas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2.1. Topologíasdeinterconexión . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2.2. Sincronizaciónentreislas . . . . . . . . . . . . . . 49
– V–
Índice
PARTE III DISEÑO Y DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN
4. MultipleoffspringsamplinggeneticalgorithmenGAEDALib . . . . . . . . . 53
4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2. DiseñoyarquitecturadeMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.1. AproximaciónMOScentral . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.2. AproximaciónMOSautonomic . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.3. RelacióndeMOSyGAEDALib . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3. ClaseGAMOSGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4. TécnicasMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.1. ClaseGAMOSTechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.2. TécnicasMOSGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.3. TécnicasMOSEDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.4. Conjuntodetécnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5. GenomasMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.5.1. ClaseGAMOSGenome . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6. ConversorMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.7. SerializadorMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
PARTE IV ANÁLISIS DE RESULTADOS
5. Análisisderesultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2. Resultadosconfuncionesmatemáticas . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.1. ProblemaMaxBit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.1.1. ResultadosconMultipleOffspringSampling(MOS) . . . . . . 79
5.2.2. ProblemaRoyalRoad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.2.1. ResultadosconMOS . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.3. FunciónGriewank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
–VI–