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Estratégias de aprendizagem por reforço para configuração dinâmica de meta-heurísticas

Reinforcement learning strategies for dynamic configuration of metaheuristics
Authors: Oliveira, Vítor José Henriques;

Estratégias de aprendizagem por reforço para configuração dinâmica de meta-heurísticas

Abstract

A eficácia da otimização de problemas complexos está intimamente ligada à configuração de parâmetros em algoritmos meta-heurísticos. Embora já tenham sido propostos métodos automatizados para a escolha dos parâmetros de algoritmos para reduzir a necessidade de ajuste manual, existe ainda um potencial significativo, não explorado, de ajuste dinâmico de parâmetros de algoritmos durante a execução, o que pode melhorar o seu desempenho. Este estudo visa aferir a eficácia da definição manual de parâmetros em comparação com uma abordagem dinâmica baseada em aprendizagem por reforço, reduzindo a necessidade de intervenção humana e aumentando a eficiência operacional dos algoritmos. Para alcançar este objetivo, adaptaram-se os métodos SARSA (State-Action-Reward-State-Action) e Deep SARSA para regular os parâmetros de algoritmos meta-heurísticos, em especial, o algoritmo genético. O modelo adotado é independente do problema a ser otimizado ou do algoritmo meta-heurístico selecionado, por isso, oferece a flexibilidade necessária, sendo apenas crucial escolher os parâmetros a ajustar durante o decorrer do processo de otimização de qualquer problema estudado. Estas metodologias foram testadas em funções benchmark, amplamente reconhecidas na literatura, e aplicadas nesta investigação nos seguintes cenários práticos: a otimização de portfólios de investimentos, na qual um participante possui ou pretende adquirir energia elétrica num mercado de eletricidade e a melhoria relacionada com a alocação de pacientes em Unidades de Cirurgia (UC) e em Unidades de Cuidados Intensivos (UCI), com o intuito de melhorar a eficiência da utilização de recursos limitados. Os resultados demonstram que o algoritmo Deep SARSA, baseado em aprendizagem por reforço e redes neuronais, obtém frequentemente um melhor desempenho em comparação com a configuração manual, de cariz completamente aleatório. Este facto pode ser comprovado pela análise dos resultados das médias do número de execuções, nomeadamente, no problema das UC, onde o valor do teste ANOVA apresentou um 𝑝-value significativo igual a 0.014. Este desfecho sugere que abordagens dinâmicas de ajuste de parâmetros podem ser mais eficazes e oferecer uma alternativa viável a métodos estáticos de configuração, que possam potenciar soluções propostas para enfrentar os desafios em ambientes dinâmicos e incertos.

Country
Portugal
Related Organizations
Keywords

Aprendizagem máquina, Algoritmo genético, Particle swarm optimization, Dynamic algorithm configuration,, Configuração dinâmica de algoritmos, Otimização por enxame de partículas, Deep-SARSA, Genetic algorithm, Reinforcement learning, Machine learning, Aprendizagem por reforço, SARSA, DAC

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