RÉSUMÉS DES COMMUNICATIONS
1 Sébastien CAHON, Nordine MELAB et El-Ghazali TALBI

ParadisEO. Un environnement pour le développement d'applications à base de métaheuristiques parallèles hybrides sur grilles.

Sébastien CAHON, Nordine MELAB et El-Ghazali TALBI

LIFL - Université des Sciences et Technologies de Lille
Email: {cahon, melab, talbi}@lifl.fr

Les problèmes d'optimisation combinatoire, du domaine académique ou du monde réel, sont en majorité NP-difficiles. Leur résolution est donc toujours limitée par les capacités des ressources matérielles utilisées (puissance de calcul, mémoire).

Dans le cadre du projet national ACI-GRID "Défis en Optimisation Combinatoire sur Grilles", nous nous attachons à produire des prototypes de logiciels parallèles pour la résolution d'applications en Optimisation Combinatoire de très grande taille, au delà des limites actuelles. Ces prototypes doivent être capables d'exploiter au niveau applicatif, de manière transparente et efficace, les énormes capacités mémoire et calcul offertes par la globalisation des ressources informatiques commes les Grilles (grappes de grappes).

A cet effet, nous avons développé un environnement de programmation nommé ParadisEO (http://www.lifl.fr/~cahon/paradisEO/) (1, 2). Il s'agit d'une plate-forme logicielle dédiée à la conception de métaheuristiques hybrides et/ou coopératives dans un environnement parallèle et/ou distribué.

Cette plate-forme fait actuellement l'objet d'une intégration avec Athapascan 2 (http://www-id.imag.fr/Logiciels/ath1/) (3). Il s'agit d'une interface de programmation pour les applications parallèles permettant la construction distribuée et à la volée du flot de données associé à l'exécution d'un programme. Elle exploite efficacement les architectures de type grappe avec différents niveaux de parallélisme et contrôle l'espace mémoire requis. L'ordonnancement est géré de manière transparente, et dynamique pour l'utilisateur qui se base sur une sémantique indépendante de l'infra-structure de calcul et du nombre de ressources utilisées.

Nous couplerons prochainement ParadisEO avec la plate-forme BOB++ (http://www.prism.uvsq.fr/~blec/Research/BOBO/) (4) appliquée aux méthodes de résolution exactes de type parcours arborescent. Il est en effet montré que les solutions optimales trouvées par les méthodes exactes servent d'étalon pour mesurer l'efficacité des méthodes approchées tandis que ces dernières constituent d'excellentes bornes pour élaguer des branches des méthodes exactes, et ainsi réduire considérablement le temps de calcul. Parmi les problèmes applicatifs, nous nous intéressons dans ce projet essentiellement à la La radio-téléphonie mobile.

Bibliographie:
(1) "ParadisEO. A Framework for Parallel and Distributed Biologically Inspired Heuristics." S. Cahon, E-G. Talbi and N. Melab, Nature Inspired Distributed Computing Workshop, in IEEE IPDPS2003 (Int. Parallel and Distributed Processing Symposium), Nice, France. April 2003.

(2) "ParadisEO. a Framework for the Flexible Design of Parallel and Distributed Hybrid Metaheuristics." S. Cahon, N. Melab and E-G Talbi, Special Issue on Parallel Computing, Elsevier Science. A paraître fin 2003.

(3) "Athapascan 1: Interface genérique pour l'ordonnancement dans un environnement d'exécution parallèle." Cavalheiro, Gerson-Geraldo-Homrich, Institut National Polytechnique de Grenoble, France Thèse de doctorat en informatique, Novembre 1999

(4) "BOB: une Plate-forme Unifiée de Développement pour les Algorithmes de type Branch-and-Bound". Mohamed Benaichouche, Van-Dat Cung, Salah Dowaji, Bertrand Le cun, Thierry Mautor and Catherine Roucairol, "Université de Versailles - Laboratoire PRiSM", May 1995.


2 Pierre Delisle, Caroline Gagné, Marc Gravel, Michaël Krajecki et Wilson L. Price

Optimisation par Colonies de Fourmis parallèle sur architectures à mémoire partagée.

Pierre Delisle(1), Caroline Gagné(1), Marc Gravel(1) , Michaël Krajecki(2) et Wilson L. Price(3)
(1)Département de Mathématiques et Informatique, Université du Québec à Chicoutimi, Canada
(2)Département de Mathématiques et Informatique, Université de Reims Champagne-Ardenne,France
(3)Faculté des Sciences de l’administration, Université Laval Québec, Québec, Canada

Email: pierre_delisle@uqac.ca ,caroline_gagne@uqac.ca, marc_gravel@uqac.ca, michael.krajecki@univ-reims.fr, wilson.price@fsa.ulaval.ca



La métaheuristique d’Optimisation par Colonies de Fourmis (OCF) a fait l’objet de plusieurs travaux durant le s dernières années. Quelques-uns d’entre eux portent sur la parallélisation de cet algorithme sur des a rchitectures à passage de messages, mais peu de travaux ont été recensés sur des architectures à mémoire partagée. Comme ces dernières deviennent de plus en plus populaires, il est intéressant de développer des algorithmes pouvant s’exécuter sur de tels ordinateurs. Dans cette communication, nous présentons comment différentes stratégies de p arallélisation de la métaheuristique OCF peuvent être implantées sur des architectures à mémoire partagée et nous comparons la performance de celles-ci avec les approches à passage de messages retrouvées dans la littérature. Le problème du Voyageur de Commerce (VC) étant utilisé dans la plupart des travaux de parallélisation de l’OCF, n ous utilisons celui-ci afin de présenter une comparaison aussi équitable que possible. L'implantation des algorithmes développés est effectuée avec OpenMP sur deux types d’ordinateurs à mémoire partagée, c’est-à-dire la SGI Origin3800 (CC-NUMA) et la IBM SP3 (SMP).




3 Aristotelis Giannakos et Olivier Pottié

Solution approchée du problème Happynet à l'aide des automates de Tsetlin

Aristotelis Giannakos et Olivier Pottié
LAMSADE UMR 7024, Université Paris-Dauphine
Email: {giannako, pottie}@lamsade.dauphine.fr

Le problème Happynet est défini comme suit: Soit un graphe simple G non orienté avec des poids entiers $w_{vu}$ sur ses arêtes $vu \in E(G)$, trouver une fonction s : V(G) --> {-1,1} telle que $\forall v \in V(G)$: v soit heureux dans G, i.e. telle que $\sum_{u \in \Gamma(v)} s(v)s(u)w_{uv}$ >= 0. Il est facile de voir {Pap} que Happynet a toujours une solution, quelle que soit l'entrée. Cependant, on ne connait aucun algorithme polynomial pour ce problème qui est complet pour la classe PLS (voir {JPY} pour une définition). Dans cet article, nous présentons une heuristique pour trouver une solution approchée à une instance de Happynet , dans le sens que l'on s'intéresse au cas plus général où une partie des sommets est heureux.

A toute instance de Happynet : I , nous allons associer un jeu non-coopératif HappyGame(I) dont les joueurs correspondent aux sommets du graphe d'entrée, l'ensemble des stratégies pour chaque joueur $v$ est le ${\cal \Sigma}(v) = \{-1,1\}$ et la fonction de rémunération, la même pour tout joueur, est 1 avec une probabilité $p$ égale au pourcentage des sommets heureux (et 0 avec probabilité $1-p$), $s(v)$ étant la stratégie de $v$. Le résultat de HappyGame(I) correspond à une solution approchée de I.

Notre heuristique consiste en l'exécution répétée de HappyGame(I) par des automates de Tsetlin {Tse}, {Nar} qui décident leur stratégie selon leur état intérieur et changent ce dernier en fonction de leur rémunération. Il a été montré {Tse}, {Klei} que dans le cas des jeux de type ``majorité'' {Ste}, o\`u tout joueur $v$ a les mêmes deux stratégies possibles (disons, $\{-1,1\}$) et la probabilité de rémunération est une fonction $\phi$ du pourcentage des joueurs ayant choisi 1 vers [0,1] et $\exists \rho : \phi(\rho)\geq \frac{1}{2}$, il existe des classes des automates de Tsetlin qui, après un nombre suffisant de répétitions du jeu, finiront par ``converger'' vers un choix de stratégies maximisant $\phi$. Dans HappyGame(I) il est question de trouver un choix Pareto-optimum de stratégies, qui correspond à une solution de l'instance.

Dans les expérimentations que nous avons menées (avec deux familles d'automates de Tsetlin et plusieurs variantes de la fonction de rémunération) sur des instances aléatoires, on constate que le taux d'approximation pour les solutions obtenues se trouve entre $0,67$ et $0,9$, selon l'expérimentation, pour $n^2$ répétitions du jeu ($n$ étant la taille de l'instance). Il faut aussi noter l'interêt a priori d'une réalisation en parallèle de notre heuristique, étant donné que les automates peuvent agir en parallèle, et que par conséquent chaque exécution de HappyGame(I) peut se faire en temps constant si l'on dispose d'un nombre suffisant de processeurs.

Bibliographie:
{Nar} K.S. Narendra, M.A. Thathatchar, Learning automata: An Introduction. Prentice Hall, 1989.
{Pap} C.H. Papadimitriou, Computational complexity. Addison-Wesley, 1994.
{JPY} D.S. Johnson, C.H. Papadimitriou, M.Yannakakis, How easy is local search? In Proc. 26th FOCS, 1985, 39-42.
{Ste} M.Kearns, Y.Mansour, Efficient Nash Computation in Large Population Games with Bounded Influence, In Proc. UAI, 2002.
{PSY} C.H.Papadimitriou, A.Schäffer, M.Yannakakis, On the complexity of local search. In Proc. 22nd STOC, 1990, 439-445.
{Tse} M.L.Tsetlin, Automaton Theory and Modeling of biological Systems, Monographs series on Mathematics in Science and Engineering Vol.102, Academic Press, 1973.
{Klei} B.Tung, L.Kleinrock, Finite State Automata to Produce Self-Optimization and Conrol. IEEE Trans. on Parallel and Distributed Processing 7(4), 439-448, 1996.



4 Arnaud Lallouet

Une approche multi-agents dans le style Makoto Yokoo :
à propos des contraintes ouvertes ...


Arnaud Lallouet


LIFO - Université d'Orléans


Arnaud.Lallouet@lifo.univ-orleans.fr



Les contraintes ouvertes constituent un nouveau champ d'investigation mélant les systèmes multi-agents, la programmation distribuée, la révision de connaissances et les CSP dynamiques. Nous présentons ici un cadre théorique général dans lequel ces problèmes peuvent être modélisés. Il est trop tôt pour proposer un algorithme de résolution distribué mais nous proposons une discussion sur les aspects de répartition associés.



5 Alain Vagner et Daniel Singer

Résolution parallèle du problème SAT:
applications à la Cryptographie


Alain Vagner et Daniel Singer


LITA - Université de Metz


{vagner,singer}@sciences.univ-metz.fr



Le problème SAT consiste a savoir si une formule du Calcul Propositionnel est satisfaisable ou non. Ce problème est le prototype des problèmes NP-Complets et, du point de vue du parallélisme, un exemple d'application irrégulière. De nombreux domaines ont récemment fait appel au formalisme propositionnel comme cadre de résolution; citons les problèmes de planification et d'ordonnancement de tâches en Optimisation Combinatoire, la conception et la verification de circuits logiques en électronique ou le Model Checking borné dans les méthodes formelles. Plusieurs facteurs contribuent à ce regain d'intérêt pour SAT. Premièrement, de nouveaux algorithmes sont concus pour résoudre des problèmes de plus grande taille en un temps raisonnable (en 10 ans on est passé de 100 à 100.000 variables). Deuxièmement, des codages propositionnels plus sophistiqués sont proposés pour les problèmes réels et permettent, dans certains cas, de trouver une solution plus rapidement que dans leur codage d'origine. Cet intérêt crée une demande toujours croissante en puissance de calcul et notamment dans l'utilisation de machines parallèles ou distribuées.
Le domaine d'application particulier visé par ce travail est la Cryptographie. En 1996 Stephen Cook, le fondateur de la théorie de la NP-Complétude, a proposé comme un Challenge pour les solvers Sat le problème de la Factorisation à la base du système RSA. Depuis, peu de travaux ont attaqué cette question! À peu près seul, pour l'instant, Fabio Massacci de l'Université de Rome a publié sur le système DES et a créé un nouveau domaine de recherche "Logical Cryptanalysis": l'encodage propositionnel pour l'analyse et la vérification des algorithmes de cryptographie. Une étude fine de l'encodage SAT ainsi que la question centrale du traitement des équivalences (ou Xor), que l'on rencontre aussi dans d'autres applications seront présentées. Le comportement des programmes séquentiels les plus performants existants sont étudiés sur le problème visé. Les programmes parallèles sont expérimentés selon les trois modèles d'exécution: par envois de messages (MPI), avec mémoire partagée (OpenMP) et distribuée (Clusters de PCs).




6 Rumen Andonov , Stefan Balev et Nicola Yanev

Protein Threading : From Mathematical Models to Parallel Implementations



Rumen Andonov , Stefan Balev et Nicola Yanev


LAMIH, Université de Valenciennes


rumen.andonov@univ-valenciennes.fr
stefan.balev@univ-lehavre.fr
choby@math.bas.bg



This paper presents a new network flow formulation for the problem of protein 3D structure prediction by threading. The protein threading problem (PTP) is widely recognized as one of the most important challenges in computational biology. Several integer programming models based on this formulation are proposed and compared. Their properties allow efficient decomposition and application of parallel branch-and-cut algorithm significantly reducing the running time. The efficiency of our approaches is confirmed by extensive computational experiments. The numerical results presented in this section are obtained by using ILOG CPLEX 7.1 Callable Library (one of the most powerful LP and MIP solvers currently available) and MPI communication library on a cluster of 16 2 * Pentium III 1Ghz 512Mb Linux PCs connected by Myrinet network.

Keywords: Protein Threading; Network Optimization; Integer Programming; Linear Programming; Large Scale Problems; Parallel Algorithms .



7 Christophe Jaillet et Michaël Krajecki

Problème de Langford: Résolution en Mémoire Paratgée et Équilibre de Charge

Christophe Jaillet et Michaël Krajecki
Département de Mathématiques et Informatique, Université de Reims Champagne-Ardenne,France
Emails: {christophe.jaillet,michael.krajecki}@univ-reims.fr



Le problème de Langford est un problème d'ordonnancement qui consiste à déterminer (ou compter) les permutations de "cubes" qui satisfont certaines conditions. Il s'agit d'un problème NP-complet dont seules les 20 premières instances ont été résolues informatiquement (un résultat théorique détermine pour chaque instance si elle est satisfiable ou non).
On peut aborder ce problème de différentes façons, par exemple en le modélisant sous forme de CSP. Nous avons choisi de reprendre la méthode de Miller, méthode constructive, et la méthode de Godfrey, méthode algébrique spécifique (cette dernière permet de déterminer le nombre des solutions sans les expliciter ; c'est elle qui a permis de battre le dernier record en date). Nous avons amélioré les efficacités de ces deux méthodes puis les avons parallélisées en mémoire partagée en utilisant Open MP. Nous avons en patriculier étudié l'équilibre de charge pour la méthode de Miller, en comparant les ordonnancements statique, modulo et dynamique proposés par OpenMP, avec des équivalents que nous avons recodés à la main, et avons envisagé des ordonnancements dynamiques de type client-serveur et serveur initiative.


8 Laurent Perron et Paul Shaw

Parallel Large Neighborhood Search


Laurent Perron et Paul Shaw


ILOG France

lperron@ilog.fr


Résumé: (très court) On étudie comment les algorithmes de recherche avec des voisinages larges se parallélise. La nature très dégénérée des arbres de recherches sous jacents interdit toute parallélisation simple. À travers ce papier, on montrera que la manière la plus naturelle et la plus efficace de paralléliser la résolution d'un problème à base de recherche à voisinages larges réside dans l'implantation de méthodes de recherches multipoints et donc débouche naturellement sur les méthodes dites à population issues de la programmation génétiques.



9 Michaela Butaru et Zineb Habbas



La Nécessité du Parallèlisme pour la Résolution de CSP


Michaela Butaru et Zineb Habbas


LITA - Université de Metz
Emails: butaru@sciences.univ-metz.fr, zineb@iut.univ-metz.fr




Les Problèmes de Satisfaction de Contraintes (CSPs) sont largement utilisés dans l'Intelligence Artificielle. Ils impliquent la découverte de valeurs pour les variables soumises aux contraintes du problème qui spécifient quelles combinaisons de valeurs sont consistantes. L'approche CSP vise à résoudre des problèmes souvent difficiles qu'une approche classique - programmation algorithmique - ne permet pas, où permet difficilement de résoudre. Les problèmes à résoudre seront en général NP-complets, ce qui signifie qu'il n'existera pas de méthodes de résolution polynômiales. La complexité des algorithmes sera donc le plus souvent exponentielle et les travaux de recherche porteront sur la mise en oeuvre de méthodes qui permettent de réduire en moyenne le temps nécessaire à la résolution d'un problème. La résolution complète des problèmes d'Intelligence Artificielle NP-complets, et donc des CSPs, est particulièrement coûteuse. Ceci rend le recours au parallélisme d'autant plus important.
La littérature est très pauvre en terme de parallélisation des CSPs et, donc, trouver un cadre qui permettra de combiner les differentes techniques de recherche ainsi que les méthodes de parallélisation reste un objectif important d'étude.




Daniel SINGER -09-2003