Spatial optimization problems (SOPs) are characterized by spatial relationships governing the decision variables, objectives, and/or constraint functions. In this article, we focus on a specific type of SOP called spatial partitioning, which is a combinatorial problem due to the presence of discrete spatial units. Exact optimization methods do not scale with the size of the problem, especially within practicable time limits. This motivated us to develop population-based metaheuristics for solving such SOPs. However, the search operators employed by these population-based methods are mostly designed for real-parameter continuous optimization problems. For adapting these methods to SOPs, we apply domain knowledge in designing spatially-aware search operators for efficiently searching through the discrete search space while preserving the spatial constraints. To this end, we put forward a simple yet effective algorithm called swarm-based spatial memetic algorithm (SPATIAL) and test it on the school (re)districting problem. Detailed experimental investigations are performed on real-world datasets to evaluate the performance of SPATIAL. Besides, ablation studies are performed to understand the role of the individual components of SPATIAL. Additionally, we discuss how SPATIAL~is helpful in the real-life planning process and its applicability to different scenarios and motivate future research directions.


翻译:空间优化问题(SOPs)的特点是关于决定变量、目标和/或制约功能的空间关系。在本条中,我们侧重于一个特殊类型的SOP(SOP),称为空间分割,由于存在离散的空间单位,这是一个组合问题。具体优化方法与问题的规模不相称,特别是在可行的时限内。这促使我们开发基于人口的计量经济学来解决这种SOP问题。然而,这些基于人口的方法所使用的搜索操作员主要设计为实际参数连续优化问题。为了将这些方法适应SOP,我们应用域知识设计空间认知搜索操作员,以便通过离散搜索空间进行高效搜索,同时保持空间限制。为此,我们提出了一个简单而有效的算法,称为基于温实的空间计量算法(SPATI),并在学校测试(重新)地区问题。在现实世界数据集上进行了详细的实验性调查,以评估SPATIAL的绩效。此外,我们还进行了相关研究,以了解SPAAT(SPAAT)各个组成部分在实际和未来规划过程中的作用。

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