Scalarized Preferences in Multi-objective Optimization
Creators: name: Braun, Marlon Alexander
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: multi-objective optimization
scalarization
evolutionary algorithm
preferences
multimodal optimization
combined heat and power plant
building energy management system

description: Multikriterielle Optimierungsprobleme verfügen über keine Lösung, die optimal in jeder Zielfunktion ist. Die Schwierigkeit solcher Probleme liegt darin eine Kompromisslösung zu finden, die den Präferenzen des Entscheiders genügen, der den Kompromiss implementiert. Skalarisierung – die Abbildung des Vektors der Zielfunktionswerte auf eine reelle Zahl – identifiziert eine einzige Lösung als globales Präferenzenoptimum um diese Probleme zu lösen. Allerdings generieren Skalarisierungsmethoden keine zusätzlichen Informationen über andere Kompromisslösungen, die die Präferenzen des Entscheiders bezüglich des globalen Optimums verändern könnten. Um dieses Problem anzugehen stellt diese Dissertation eine theoretische und algorithmische Analyse skalarisierter Präferenzen bereit. Die theoretische Analyse besteht aus der Entwicklung eines Ordnungsrahmens, der Präferenzen als Problemtransformationen charakterisiert, die präferierte Untermengen der Paretofront definieren. Skalarisierung wird als Transformation der Zielmenge in diesem Ordnungsrahmen dargestellt. Des Weiteren werden Axiome vorgeschlagen, die wünschenswerte Eigenschaften von Skalarisierungsfunktionen darstellen. Es wird gezeigt unter welchen Bedingungen existierende Skalarisierungsfunktionen diese Axiome erfüllen. Die algorithmische Analyse kennzeichnet Präferenzen anhand des Resultats, das ein Optimierungsalgorithmus generiert. Zwei neue Paradigmen werden innerhalb dieser Analyse identifiziert. Für beide Paradigmen werden Algorithmen entworfen, die skalarisierte Präferenzeninformationen verwenden: Präferenzen-verzerrte Paretofrontapproximationen verteilen Punkte über die gesamte Paretofront, fokussieren aber mehr Punkte in Regionen mit besseren Skalarisierungswerten; multimodale Präferenzenoptima sind Punkte, die lokale Skalarisierungsoptima im Zielraum darstellen. Ein Drei-Stufen-Algorith\-mus wird entwickelt, der lokale Skalarisierungsoptima approximiert und verschiedene Methoden werden für die unterschiedlichen Stufen evaluiert. Zwei Realweltprobleme werden vorgestellt, die die Nützlichkeit der beiden Algorithmen illustrieren. Das erste Problem besteht darin Fahrpläne für ein Blockheizkraftwerk zu finden, die die erzeugte Elektrizität und Wärme maximieren und den Kraftstoffverbrauch minimiert. Präferenzen-verzerrte Approximationen generieren mehr Energie-effiziente Lösungen, unter denen der Entscheider seine favorisierte Lösung auswählen kann, indem er die Konflikte zwischen den drei Zielen abwägt. Das zweite Problem beschäftigt sich mit der Erstellung von Fahrplänen für Geräte in einem Wohngebäude, so dass Energiekosten, Kohlenstoffdioxidemissionen und thermisches Unbehagen minimiert werden. Es wird gezeigt, dass lokale Skalarisierungsoptima Fahrpläne darstellen, die eine gute Balance zwischen den drei Zielen bieten. Die Analyse und die Experimente, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, ermöglichen es Entscheidern bessere Entscheidungen zu treffen indem Methoden angewendet werden, die mehr Optionen generieren, die mit den Präferenzen der Entscheider übereinstimmen.