A busca por ideias, modelos e paradigmas computacionais biologicamente inspirados e plausíveis sempre atraiu o interesse de cientistas da computação, especialmente na área de Computação Natural. Além disso, o conceito de otimização pode ser abstraído de vários processos naturais como, por exemplo, na evolução das espécies, no comportamento de grupos sociais, na dinâmica do sistema imunológico, nas estratégias de busca por alimento e nas relações ecológicas entre populações de animais. Com o melhor de nosso conhecimento, os ecossistemas naturais e seus conceitos ainda não foram explorados computacionalmente no contexto de otimização de funções e, portanto, eles são abordados nesta tese. Este trabalho destaca as principais propriedades de ecossistemas naturais que podem ser importantes para a construção de ferramentas computacionais para resolver problemas complexos de otimização. Também, a modelagem computacional para tais funcionalidades são introduzidas. A principal discussão apresentada nesta tese refere-se ao uso cooperativo de populações de soluções candidatas, co-evoluindo em um contexto ecossistêmico. Com esta analogia, cada população comportar-se de acordo com uma estratégia de busca específica que é empregada na evolução das soluções candidatas. Além da possibilidade de utilizar diferentes estratégias de busca cooperativamente, esta analogia abre a possibilidade de inserção de conceitos ecológicos no processo de otimização, permitindo o desenvolvimento de novos sistemas de otimização biologicamente inspirados e plausíveis. O potencial de alguns conceitos ecológicos é apresentado em um algoritmo canônico ecologicamente inspirado, chamado ECO (Ecological-inspired Optimiaztion algorithm). Alguns algoritmos baseados em população são utilizados para compor a abordagem proposta. Os problemas resolvidos nesta tese são várias funções contínuas de benckmark com um número alto de dimensões ($D = 200$) e o problema de predição de estrutura de proteínas para o modelo 2D AB. Além disso, o uso de dinâmica populacional para auto-regular o tamanho das populações; o uso de modelos heterogêneos com diferentes estratégias de busca; e o uso de agrupamento hierárquico para ajustar dinamicamente a formação de habitats e probabilisticamente definir as topologias de comunicação são alguns estudos de caso investigados. Os resultados obtidos se mostraram promissores considerando a aplicação do ecossistema computacional. Finalmente, conclusões e várias ideias para pesquisas futuras são apresentadas. / The search for plausible biologically inspired ideas, models and computational paradigms always drew the interest of computer scientists, particularly those from the Natural Computing area. Also, the concept of optimization can be abstracted from several natural processes, for instance, in the evolution of species, in the behavior of social groups, in the dynamics of the immune system, in the food search strategies and in the ecological relationships of different animal populations. To the best of our knowledge, ecosystems and their concepts have not been explored computationally in the context of function optimization and, therefore, they are addressed in this thesis. This work highlights the main properties of ecosystems that can be important for building computational tools to solve complex problems. Also, it is introduced the computational modelling for such biologically plausible functionalities (e.g., habitats, ecological relationships, ecological succession, and another). The main discussion presented in this work relates to the cooperative use of populations of candidate solutions, coevolving in an ecological context. With this ecology-based analogy, each population can behave according to a specific search strategy, employed in the evolution of candidate solutions. In addition to the possibility of using different optimization strategies cooperatively, this analogy opens the possibility of inserting ecological concepts in the optimization process, thus allowing the development of new bio-plausible hybrid systems. The potentiality of some ecological concepts is also presented in a canonical Ecology-inspired Algorithm for Optimization, named ECO. Some population-based algorithms are used to compose the ecology-based approach. The problems solved in this thesis are several continuous benchmark functions with a high number of dimensions ($D = 200$), and the protein structure prediction problem for the 2D AB model. Also, the use of population dynamics to self-regulate the size of populations during ecological successions; the use of heterogeneous models embedding different search strategies into the system; and the use of hierarchical clustering to dynamically adjust the habitats formation and probabilistically define the habitats communication are some case studies investigated. Results were promising concerning the application of the proposed computational ecosystem for optimization. Finally, concluding remarks and several ideas for future research are presented.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/urn:repox.ist.utl.pt:RI_UTFPR:oai:repositorio.utfpr.edu.br:1/507 |
| Date | 19 February 2013 |
| Creators | Parpinelli, Rafael Stubs |
| Contributors | Lopes, Heitor Silvério |
| Publisher | Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UTFPR, instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná, instacron:UTFPR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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