Parallelisation of Hybrid Metaheuristics for COP Solving Mohamed Khalil Labidi
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Parallelisation of hybrid metaheuristics for COP solving Mohamed Khalil Labidi To cite this version: Mohamed Khalil Labidi. Parallelisation of hybrid metaheuristics for COP solving. Other [cs.OH]. Université Paris sciences et lettres; Université de Tunis El-Manar. Faculté des Sciences de Tunis (Tunisie), 2018. English. NNT : 2018PSLED029. tel-02008495 HAL Id: tel-02008495 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02008495 Submitted on 5 Feb 2019 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. THÈSE DE DOCTORAT de l’Université de recherche Paris Sciences et Lettres PSL Research University Préparée dans le cadre d’une cotutelle entre L’Université de Tunis El-Manar – Faculté des Sciences de Tunis et l’Université Paris-Dauphine Parallelization of hybrid metaheuristics for COP solving Ecole doctorale n°543 Spécialité Informatique COMPOSITION DU JURY : M. MAHJOUB Ali Ridha Université Paris-Dauphine, Co-Directeur de thèse M. MAHJOUB Zaher Faculté des Sciences de Tunis, Co-directeur de thèse M. YASSINE Adnan Institut Supérieur d'Etudes Logistiques, Rapporteur Soutenue le 20 09 2018 M. LARDEUX Frédéric par Mohamed Khalil LABIDI Faculté des Sciences – Université d’Angers, Rapporteur M. DIARRASSOUBA Ibrahima Université du Havre, Dirigée par Ali Ridha MAHJOUB Examinateur Zaher MAHJOUB M. NAANAA Wady Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis, h Examinateur M. TRYSTRAM Denis Ecole Nationale Supérieure d’Informatique et de Mathématiques Appliquées, Président du Jury Je dédie ce modeste travail À la mémoire de mon grand-père Mohamed, À la mémoire de ma grand-mère Khadija, À la mémoire de mon oncle Taoufik, À la mémoire de mon ami et collègue Malek, À ma chère soeur Myriam et son époux Khaled, À mon cher frère Ahmed et son épouse Sarah, À mes petits neuveux Mohamed Yassine et Amine, À mes tantes Hedia, Olfa, Monia, Sondess et Wahida, À mes oncles Yassine, Karim et Moncef, À mes cousins et cousines Omar, Baligh, Salim, Houssem, l’adorable Wissem, Merwan, Sammy, Ilyes, Sirine et Amir, À mes frères et soeurs Omar, Nader, Bilel, Mohammed, Iaad & Meriem, Alex, Sophiane, Yousuf, Imrane, Mika, Kadjou, Ilyes, Mehdi, Steven, Mansour, Ayoub, Samir, Nicolas, Imen et Hela, À mon cher ami Robert Jouanique et sa famille, Et surtout à mon adorable grand-mère BiBiBi ainsi que mes très chers parents Slah et Wassila, puissiez vous y trouver le fruit d’un peu de vos efforts et sacrifices. Je vous aime. Remerciements Je voudrais en premier lieu remercier tout particulièrement Monsieur A. Ridha Mahjoub, Professeur à l’Université Paris-Dauphine, de m’avoir apporté son soutien, scientifique et moral, tout au long de ce travail. Il a su me transmettre les connaissances, la rigueur, la motivation et la passion pour la recherche en général et l’optimisation combinatoire en particulier. Il m’a également permis de surmonter les moments difficiles grâce à son très grand intérêt pour mon travail et sa constante disponibilité. Je tiens aussi à remercier très sincèrement Monsieur Zaher Mahjoub, Professeur à la Faculté des Sciences de Tunis, pour ses idées et sa détermination qui m’ont permis d’élargir mon domaine de connaissances et le travail réalisé durant cette thèse. Il m’a également appris, grâce à sa haute exigence scientifique et à sa très grande estime de mes capacités, à ne jamais renoncer et à donner le meilleur de moi-même. Je remercie vivement Monsieur Ibrahima Diarrassouba, maître de conférences à l’université du Havre, pour toute l’aide qu’il m’a apportée durant cette thèse. Cette aide se situe bien sûr au niveau scientifique, grâce à nos collaborations et aux nom- breuses discussions que nous avons eues sur mon travail et à ses conseils et idées. Je remercie également Madame Anissa Omran, maître assistante à la Faculté des Sciences de Tunis, de m’avoir fait confiance en me proposant ce sujet de thèse. Aussi pour avoir toujours cru en moi et en mes capacités de réussir mes travaux de recherche. J’adresse tous mes remerciements à Monsieur Adnan Yassine, Professeur des univer- sités à l’Institut Supérieur d’Etudes Logistiques, ainsi qu’à Monsieur Frédéric Lardeux, maître de conférences à la Faculté des Sciences d’Angers, de l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d’être rapporteurs de cette thèse. J’exprime ma gratitude à Monsieur Denis Trystram, Professeur à l’Institut poly- technique de Grenoble, et à Monsieur Wady Naanaa, Professeur à l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis, qui ont bien voulu examiner ma thèse. iv Remerciements Je tiens également à remercier très chaleureusement mes différents collègues et amis du LAMSADE qui ont partagé avec moi ces dernières années. Les discussions ani- mées et les moments de détente partagés, leur bonne humeur, leurs encouragements et leur amitié, mais aussi les échanges scientifiques et les travaux effectués ensemble, ont grandement contribué à mon épanouissement scientifique et personnel lors de ces années de thèse. Je tiens à remercier Youcef, Mohamed Lamine, Fabien, Mohammad Amin, Mahdi, Thomas, Raja Haddad, Céline, Hossein, Boris, Ioannis, Meriem, Pedro, Yas- sine, Ons, Manel, Anaëlle, Diana, Hiba, Ian-Christopher, Justin, Marcel, Raja, Hmida, Oussama et surtout notre cher Olivier, avec qui j’ai partagé des moments inoubliables à Paris-Dauphine et ailleurs. Un grand merci aussi à Juliette De Roquefeuil, Stéphanie Salon et Igor Bratusek pour leur patience et leur précieuse aide malgré les complications de mes démarches administratives. J’exprime ma reconnaissance à Robert Jouanique et Mehrzia Ben Ismail ainsi que leurs familles respectives de m’avoir acceulli, aidé et soutenu pendant mes premières années de thèse. Je tiens également à remercier les familles EMFienne et AEMDi- enne pour tous les moments de joie et d’humanité qu’elles m’ont fait vivre en leurs compagnies. Enfin, mes remerciements ne seraient pas complets si je ne remerciais pas ma famille et mes amis, qui m’ont supporté et appuyé toutes ces années et se sont réellement intéressés à mon travail et au domaine hautement incompréhensible de l’optimisation combinatoire en général. Abstract Combinatorial Optimization (CO) is an area of research that is in a constant progress. Solving a Combinatorial Optimization Problem (COP) consists essentially in finding the best solution (s) in a set of feasible solutions called a search space that is usually exponential in cardinality in the size of the problem. To solve COPs, several methods have been proposed in the literature. A distinction is made mainly between exact methods and approximation methods. Since it is not possible to aim for an exact resolution of NP-Complete problems when the size of the problem exceeds a certain threshold, researchers have increasingly used Hybrid (HA) or parallel computing algorithms in recent decades. In this thesis we consider the COP class of Survivability Network Design Problems. We present an approximation parallel hybrid algorithm based on a greedy algorithm, a Lagrangian relaxation algorithm and a genetic algorithm which produces both lower and upper bounds for flow-based formulations. In order to validate the proposed approach, a series of experiments is carried out on several applications: the k-Edge-Connected Hop-Constrained Network Design Problem (kHNDP) when L = 2; 3, The problem of the Steiner k-Edge-Connected Network Design Problem (SkESNDP) and then, two more general problems namely the kHNDP when L ≥ 2 and the k-Edge-Connected Network Design Problem (kESNDP). The experimental study of the parallelisation is presented after that. In the last part of this work, we present two parallel exact algorithms: a distributed Branch-and-Bound and a distributed Branch-and-Cut. A series of experiments has been made on a cluster of 128 processors and interesting speedups has been reached in kHNDP resolution when k = 3 and L = 3. Key words : Branch-and-Bound, Branch-and-Cut, Combinatorial optimization, hybridization, metaheuristic, network design, parallel computing. Résumé L’Optimisation Combinatoire (OC) est un domaine de recherche qui est en perpétuel changement. Résoudre un problème d’optimisation combinatoire (POC) consiste es- sentiellement à trouver la ou les meilleures solutions dans un ensemble des solutions réalisables appelé espace de recherche qui est généralement de cardinalité exponentielle en la taille du problème. Pour résoudre des POC, plusieurs méthodes ont été proposées dans la littérature. On distingue principalement les méthodes exactes et les méthodes d’approximation. Ne pouvant pas viser une résolution exacte de problèmes NP-Complets lorsque la taille du problème dépasse une certain seuil, les chercheurs on eu de plus en plus recours, depuis quelques décennies, aux algorithmes dits hybrides (AH) ou encore au calcul parallèle. Dans cette thèse, nous considérons la classe POC des problèmes de conception d’un réseau fiable. Nous présentons un algorithme hybride parallèle d’approximation basé sur un algorithme glouton, un algorithme de relaxation Lagrangienne et un algorithme génétique, qui produit des bornes inférieure et supérieure pour les formulations à base de flots. Afin de valider l’approche proposée, une série d’expérimentations est menée sur plusieurs applications: le problème de conception d’un réseau k-arête-connexe avec contrainte de borne (kHNDP) avec L = 2; 3, le problème de conception d’un réseau fiable Steiner k-arête-connexe (SkESNDP) et ensuite deux problèmes plus généraux, à savoir le kHNDP avec L = 2 et le problème de conception d’un réseau fi able k- arête connexe kESNDP). L’étude expérimentale de la parallélisation est présentée par la suite.