Master's Thesis

Quadratic unconstrained binary optimization problem

Final Thesis 2.2 MB Appendix 4.86 MB

Author of thesis: Bc. Filip Miloševič

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jakub Kůdela, Ph.D.

Reviewer: Ing. Ondřej Liška

Abstract:

This thesis deals with the quadratic unconstrained binary optimization problem (QUBO). The thesis is divided into three main sections. The first section consists of a comprehensive review of the theoretical knowledge regarding the QUBO format and current methods for solving it. The second part deals with the design and implementation of a testing framework in which the performance of a genetic algorithm is compared with that of multi-criteria evolutionary algorithms by converting the QUBO into a two-criteria continuous problem. The final part of the thesis discusses the evaluation of the testing benchmark and the statistical analysis of the obtained results.

Keywords:

Quadratic Binary Unconstrained Optimization, Evolutionary Algorithms, Statistical Analysis

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student obeznámil komisi s výsledky své DP. Po přečtení posudků následovaly dotazy oponenta (viz posudek) a komise: Implementace kriteriální fce u genetického algoritmu. Zvážení použití jen jedné krit. fce. Vícekriteriální fce. Výběr vah. Student na všechny dotazy oponenta i komise odpovídal s doplňujícími dotazy.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Computer Science and Control (N-AIŘ-P)

Composition of Committee

doc. Ing. Oldřich Trenz, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jakub Kůdela, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Škrabánek, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Kurfürst, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Švihálek (člen)
prof. Ing. Petr Doležel, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jakub Kůdela, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá problematikou kvadratického neomezeného binárního optimalizačního problému (QUBO). Student v úvodních kapitolách prokázal schopnost samostatně nastudovat poměrně rozsáhlou odbornou literaturu a srozumitelně zpracovat teoretický základ problematiky QUBO.

Významnou část práce tvoří experimentální porovnání klasického genetického algoritmu s několika moderními vícekriteriálními evolučními algoritmy aplikovanými na QUBO prostřednictvím převodu na dvoukriteriální spojitý problém. Student navrhl a implementoval vlastní experimentální framework, integroval knihovny Pymoo a Optuna a provedl rozsáhlé experimenty nad několika sadami benchmarkových instancí různých velikostí.

Student pracoval velmi samostatně. V průběhu řešení prokázal schopnost orientovat se v odborných článcích i implementačních detailech použitých algoritmů.

Po formální stránce je práce zpracována na solidní úrovni. Text je logicky členěn, jednotlivé kapitoly na sebe navazují a práce působí konzistentním dojmem. Přestože se v textu objevují relativně často různé jazykové či typografické nepřesnosti, nijak zásadně nesnižují odbornou úroveň práce.

Celkově hodnotím práci jako kvalitně zpracovanou diplomovou práci, která splnila stanovené cíle zadání. Navrhované hodnocení B/velmi dobře.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Ondřej Liška

Práce splňuje zadané cíle.

Je uveden pěkný přehled QUBO problému a jeho použití pro řešení jiných problémů. Hlavní přínos práce je přehled možných metod řešení problému a jejich srovnání.

Vzhledem k délce práce nespatřuji jako výrazný problém drobné překlepy, které se zde výjimečně vyskytují. Za rušivé považuji formátování bloků pseudokódu. To nepůsobí příliš esteticky (například v 4.1 srovnejme krok 2.2) a krok 2.3) z pohledu mezer).

V práci místy chybí lepší napojení obsahu jednotlivých kapitol (sekcí). Po představení statistických metod bych ocenil krátkou část věnující se explicitně tomu, jak budou metody použity (je rozepsáno lehce chaoticky u každé testovací sady a v softwarové implementaci).

V části shrnující výsledky je velké množství tabulek, které mají různé šířky (zbytečně). Grafy jsou často nevycentrované a vyčnívají. U prezentovaných hodnot nebylo vždy zvoleno adekvátní zaokrouhlení (při uvádění průměrů v řádu tisíců není potřeba uvádět dvě desetinná místa, v případě W-statistiky jsou 4 desetinná místa také zbytečná).

Prezentována dominance některých metod nad jinými je přesvědčivě statisticky podložená, chybí zde ale snaha interpretovat proč tomu tak je.

Výsledný dojem z práce je však navzdory těmto nedostatkům velmi dobrý.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis D
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. V části práce 4.2.1 následuje rovnici (29) tato věta: "Je patrné, že účelová funkce 𝑓1 je pouze spojitá verze QUBO." Z čeho je patrné, že 𝑓1 je spojitá ?
  2. V sekci 3.3 je navržen převod omezení 𝑥 + 𝑦 ≥ 1 na penalizaci 𝑃(1 − 𝑥 − 𝑦 + 𝑥𝑦). Jakou roli zde hraje konstanta 1? Bylo by možné tuto konstantu vynechat?
  3. Pro Isingův model určený následovně a=[1 0;0 4], b = [0,10] lze uskutečnit převod na QUBO problém. Lze tento převod uskutečnit pomocí vztahů (5) a (6)? Mohl by jste to prosím předvést?
  4. Mezi hardwarovými parametry použitého PC je uvedena také grafická karta. Měla vliv na výkon PC při běhu algoritmů?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová