Published November 8, 2024
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Publication
Metaheuristics for Expensive Optimization
Creators
Contributors
Others:
- Scalable and Pervasive softwARe and Knowledge Systems (Laboratoire I3S - SPARKS) ; Laboratoire d'Informatique, Signaux, et Systèmes de Sophia Antipolis (I3S) ; Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Côte d'Azur (UniCA)-Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Côte d'Azur (UniCA)
- Université Côte d'Azur
- Johan Montagnat
Description
An optimisation problem is said to be expensive if assessing the interest of a candidate solution requires access to very significant resources, or resources that are difficult to mobilise. Such problems severely penalise optimisation methods for finding one or more satisfactory solutions to the problem in a reasonable time or, more generally, with reasonable resources. Traditionally, metaheuristics are used to solve complex problems for which no more efficient classical solution methods are known. Most of these problems are characterised by many dimensions, many conflicting objectives, many constraints, or by evaluation functions based on a large amount of data or which cannot be computed automatically. This leads to expensive optimisation. Focusing on population-based metaheuristics, we present three main classes of strategies for reducing the overall cost of the optimisation process, namely reducing the cost of evaluation, accelerating the convergence of the metaheuristic and increasing the computational resources. We adopt and illustrate these strategies on very different real-world application problems such as content-based image retrieval, image signal processor parameterisation, or gene regulatory network modelling, all of which are considered to be complex and expensive problems. However, we show that reducing one type of cost often leads to an increase in another type of cost, and that it is necessary to combine different strategies, paying particular attention to the cost of the strategy itself. We argue that the future of expensive optimisation lies in the integration of multiple reduction strategies, taking into account a variety of potential costs such as time, material, human, financial and environmental resources. To this end, we advocate the use of a multi-objective optimisation approach, in which each cost is associated with a distinct objective, in order to avoid or at least control cost transfers.
Abstract (French)
Un problème d'optimisation est dit coûteux lorsque l'évaluation de l'intérêt d'une solution potentielle requiert un accès à des ressources très importantes, voire difficilement mobilisables. Ce type de problème pénalise fortement les méthodes d'optimisation pour trouver, dans un temps raisonnable ou plus généralement avec des ressources raisonnables, une ou plusieurs solutions satisfaisantes pour le problème. Traditionnellement, les métaheuristiques sont employées pour résoudre des problèmes complexes pour lesquels on ne connaît pas de méthode de résolution classique plus efficace. Ces problèmes sont majoritairement caractérisés par beaucoup de dimensions, une multitude d'objectifs souvent contradictoires, de nombreuses contraintes, ou par des fonctions d'évaluation fondées sur une grande masse de données ou qu'on ne sait pas calculer automatiquement. Ceci donne lieu à une optimisation coûteuse. En nous focalisant sur des métaheuristiques à base de population, nous présentons trois grandes classes de stratégies pour réduire le coût global du processus d'optimisation à savoir la réduction du coût de l'évaluation, l'accélération de la convergence de la métaheuristique et l'augmentation des ressources de calcul. Nous adoptons et illustrons ces stratégies sur des problèmes applicatifs très différents comme la fouille d'images par le contenu, la paramétrisation d'un processeur d'images ou la modélisation de réseaux de régulation génétique, tous considérés comme des problèmes complexes et coûteux. Toutefois, nous montrons que, bien souvent, réduire un coût en particulier se traduit par l'augmentation d'un autre type de coût et qu'il est nécessaire de combiner plusieurs stratégies en portant une attention particulière au coût de la stratégie elle-même. Nous soutenons que l'avenir de l'optimisation coûteuse réside dans l'intégration de multiples stratégies de réduction, prenant en considération une diversité de coûts potentiels tels que le temps, les ressources matérielles, humaines, financières et environnementales. Dans ce but, nous préconisons l'utilisation d'une approche d'optimisation multiobjectif, dans laquelle chaque coût est associé à un objectif distinct, afin d'éviter ou du moins de contrôler les transferts de coûts.Additional details
Identifiers
- URL
- https://hal.science/tel-04782322
- URN
- urn:oai:HAL:tel-04782322v1
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- UNICA