موازی سازی الگوریتم کلونی مورچگان در طراحی شبکه گسسته حمل و نقل

Abstract

طراحی شبکه گسسته حمل‌ونقل عبارت است از انتخاب زیرمجموعه‌ای امکان‌پذیر از پروژه‌ها (بزرگراه‌ها)ی پیشنهادی در یک شبکه حمل‌ونقل به منظور کمینه‌سازی زمان سفر کل کاربران شبکه. این مساله در رده مسائل NP-Hard است که هیچ الگوریتم موثری برای حل دقیق آنها در مقیاس بزرگ وجود ندارد. ازاین‌رو بیشتر مطالعات انجام‌گرفته، به منظور یافتن جوابی نسبتا خوب در مدت زمانی معقول، ‌از طریق رویکردهای ابتکاری و فراابتکاری به مساله پرداخته‌اند. اما راه دیگری که همچنان برای افزایش سرعت رویکردهای حل مساله وجود دارد، محاسبات موازی است. مقاله پیش‌رو، به بررسی کاربرد محاسبات موازی در یک الگوریتم فراابتکاری در مساله طراحی شبکه گسسته حمل‌ونقل می‌پردازد. در این مقاله، یک الگوریتم موازی کلونی مورچگان، بر مبنای مطالعه پورزاهدی و ابوالقاسمی، با الگوی موازی‌سازی ارباب-کارگر پیشنهاد می‌گردد. برای مطالعه موردی، شبکه حمل‌ونقلی خلاصه‌شده شیکاگو با 16 پروژه پیشنهادی درنظرگرفته می‌شود. نتایج موازی‌سازی بر روی خوشه‌ای از 8 هسته پردازشی نشان‌دهنده آن است که الگوریتم‌های موازی می‌توانند ظرف مدت زمان 4000 ثانیه به جواب‌هایی با کیفیت بالا دست پیدا کنند، درحالی‌که همین دستیابی برای الگوریتم‌های تک‌هسته‌ای در مدت 10000 ثانیه اتفاق می‌افتد. از سه اجرای موازی، در دومورد الگوریتم موازی کلونی مورچگان به جواب دقیق مساله دست می‌یابد، و در مورد دیگر به جوابی با 07/0 درصد خطا همگرا می‌شود. عملکرد موازی الگوریتم کلونی مورچگان، همچنین با الگوریتم شاخه‌وکرانه مقایسه می‌شود. این مقایسه نشان می‌دهد که الگوریتم موازی شاخه‌وکرانه به بیش از 32000 ثانیه زمان اجرا برای یافتن جواب دقیق مساله نیاز دارد، درحالی‌که الگوریتم موازی کلونی مورچگان عملکرد بسیار سریع‌تری را نشان می‌دهد.