【学界】混合整数规划/离散优化的精确算法--分支定界法及优化求解器

【学界】混合整数规划/离散优化的精确算法--分支定界法及优化求解器

作者 @留德华叫兽系美国克莱姆森大学运筹学硕士,Ph.D. Candidate,后跳槽至欧盟玛丽居里博士项目,期间前往意大利IBM Cplex实习半年,现任德国海德堡大学交叉学科计算中心、组合优化实验室助理研究员,主攻图像处理。 欢迎原链接转发,付费转载请前往 @留德华叫兽 的主页获取信息,盗版必究。
敬请关注和扩散本专栏及同名公众号,定期邀请全球知名学者发布运筹学、人工智能中优化理论等相关干货、知乎Live及行业动态:
『运筹OR帷幄』大数据人工智能时代的运筹学--知乎专栏

前言:

运筹学在国内,远没有新兴的人工智能以及传统学科统计来的普及。人工智能、统计最后几乎都能化简成求解一个能量/损失函数的优化问题。但相信很多人不知道,运筹学正是研究优化理论的学科。因此,我把运筹学称为人工智能、大数据的“引擎”,正本清源其在人工智能中重要性。


本文提纲:

1,整数规划回顾 2,算法复杂度 3,精确解--分支定界法

4,分支定界法的“收敛” 5,启发式/近似算法

6,运筹学的“引擎”--优化求解器 7,整数规划模型的意义


注:以下文中黑体字代表其在学术界的术语

首先,对运筹学Operations Research, O.R.)和线性规划(Linear Programming)还比较陌生的童鞋,请戳本专栏的其中俩篇:

运筹学--一门建模、优化、决策的科学 - 知乎专栏

离散/整数/组合/非凸优化概述及其在AI的应用 - 知乎专栏

------------------------------------------------------------------------------------

1. 整数规划Integer Programming)问题回顾

整数规划,或者离散优化Discrete Optimization),是指数学规划(Math Programming)问题中自变量存在整数的一类问题。上面这个数学规划问题,便是一个混合整数线性规划问题。首先目标方程和约束方程都是线性的,其次自变量既有连续变量(x1、x3),又有整数变量(x2)。

与线性规划连续的可行域(可行解组成的集合)不同,整数规划的可行域是离散的。


如上图,一条蓝线代表一个线性不等式,但是这里x,y自变量被约束成整数变量,因此可行域变成了红线区域内的9个离散的黑点。(线性规划的可行域是蓝色线段内部所有的区域)

凸包Convex Hull):整数规划所有可行解的凸包围,即图中红线组成的多面体(想象多维的情况)。凸包是未知的,已知的是蓝线的不等式,并且凸包是非常难求解的,或者形成凸包需要指数数量级的线性不等式(图中红线)。如果知道了凸包的所有线性表示,那么整数规划问题就可以等价为求解一个凸包表示的线性规划问题。

另外,除了整数规划,还有混合整数规划Mixed Integer Programming, MIP),即自变量既包含整数也有连续变量。如下图:

这里是简单的二维情况,自变量x是连续的,y被约束成整数变量(0,1,..,n),这时候可行域变成了4条离散的橘黄色线段加上4处的黄色整数点(0,4)。(课后作业,求这个问题的凸包。)

整数规划由于可行域是极度非凸Highly Nonconvex)的,因此也可以看作是一类特殊的非凸优化(Nonconvex Optimization)问题。



2. 算法复杂度(Algorithm complexity)

一般情况下,求解整数规划的精确解(全局最优)是NP难的,简单地说,也就是只存在指数级算法复杂度(Exponential Time Solvable)。

怎么来理解指数级复杂度呢?假设这里的整数变量是{0,1}变量,那么我们可以简单地理解为算法复杂度至少是O(2^n)(需要解2^n个线性规划问题,其中n是整数变量的个数)。其中线性规划被认为是可以较为高效求解的,其复杂度是多项式时间的(O(n^k),其中k是常数,注意这里n在底数上)。

也就是说,每增加一个整数变量,求解其精确解的运算速度最坏情况下就要增加一倍!例如求解n=100的整数规划问题需要1小时,那么求解n=101的规模可能会需要2小时,n=102需要4小时,n=105需要32小时。。这就是指数爆炸

因此,整数规划问题被看作数学规划里、乃至世界上最难的问题之一,被很多其他领域(例如机器学习)认为是不可追踪(Intractable)的问题--也就是他们直接放弃治疗了,从不考虑直接求解该问题的精确解,而是退而求其次求解近似解或局部最优解



3. 精确算法--分支定界法(Branch and Bound Algorithm, B&B)

整数规划的精确算法框架中最核心的便是B&B,以及增加分支定界效率的各种技巧,例如割平面方法Cutting Planes Method)等。假设是求解目标函数最小化的问题,它的核心思想便是把这个NP难的问题分解成求解一个个的线性规划(LP)问题(每个LP问题是多项式时间可解),并且在求解的过程中实时追踪原问题的上界(最优可行解)和下界(最优线性松弛解)。我们先看个简单的例子以便理解。

min x1+ 3 x2- x3+ 2 x4 - x5

s.t. x1+ x2 - x5 >= 5

x1- x3 +x4 >=1

x1..x4 is {0,1}, x5 >=0


这里假设有4个{0,1}变量,x1..x4,以及1个连续变量x5。图中最顶上的点叫Root Node,通过把整数变量x1..x4线性松弛(Linear Relaxation),例如这里松弛成[0,1]区间内的连续变量,然后求解相应的松弛后的线性规划问题(Linear Relaxation Problem)。求解该LRP问题所得的解(通常对于原问题来说是不可行的,因为x1..x4可能是小数),这个解便是该问题的第一个下界Lower Bound)。

为什么是下界呢?对于一个最小化问题,因为通过把{0,1}变量松弛成[0,1],等于增加了可行解的个数(可行域的范围),这样该最小化问题就有可能得到比原问题更好(小)的解,因此松弛后的问题求得的解是原问题的下界(Lower Bound)。

事实上,图中每一个点,都是一个松弛后的线性规划(LRP)问题的解。由于被松弛成了[0,1]间的连续变量,因此原问题中应属于{0,1}的自变量,例如x1,通过求解线性规划,得到的解可能是0.4,显然不满足原问题的条件。这时候,我们就需要做分支(Branch),例如对Root Node做左右俩个分支,左边的分支可以是x1=0,右边的分支是x1=1。分支的意思,可以理解为在原本Root Node的LRP基础上,加上一个x=0或1的约束条件。这样,通过加上这个约束条件,再解该问题,x1就必定等于0或1,x1也便是可行的。当然剩余的自变量x2..x4,由于没有类似的整数约束,还有可能是小数,因此我们还需要更多的分支。

上图4个{0,1}变量,最坏的情况需要2^4次分支,也就是求解16个线性规划问题。那么图中红色的部分是什么意思呢?


这就需要先引进上界Upper Bound、最优可行解)的概念。当分支一个个进行下去时,到某一个Node(点),松弛后线性规划问题求得的解可能是原问题的可行解,也就是说,x1..x4都是{0,1}。这个时候,我们便找到了一个原问题的可行解,它的目标函数例如4,我们把它放入Upper Bound里。

在接下来的分支里,如果求解一个Node的LRP的解是大于上界4的,例如4.5。那么这个时候,虽然我们还没找到这个点其下分支可能的可行解,但是如果继续对这个点进行分支,由于分支代表增加更多的约束,减少了可行解的个数,以后求得的解只会比4.5来得更差(大)。因此,从优化的角度,我们不可能从这个点以后的分支中找到比目前上界4更优的解,因此没有必要对4.5这个点继续再做分支,可以直接删(Prune)掉,也就是图中红色的区域。

这就是分支定界里定界的重要性,它使得你不需要求解所有2^n个LRP问题,因为很多Node及其下面的分支,都被Prune了。

Prune情况一:下界大于上界

Prune情况二:该Node的LRP问题无解(Infeasible)。

对提问区的补充:红色部分表示这部分分支已经被丢弃掉了,因为找到的upper bound(当前最优解)的值小于lower bound(线性规划松弛解),也就是说,即使红色的部分探索下去,找到一个可行解,也不可能比当前找到的最优解要来得好(那么为何还要浪费时间再去探索他们呢?)。


4. 分支定界法的“收敛(Convergence)

这里的收敛不是分析意义上的收敛,而是算法、计算意义上的。上面我们提到分支定界法存在上界和下界,并且随着一个个Node LRP问题的求解,不断进行着更新。每当求得一个原问题的可行解(混合整数解),如果这个解的目标函数小于当前的最优可行解,那么就对上界进行更新。下界更新方式类似。

分支定界法是一个迭代算法(Iteration Algorithm),每次迭代都在求解LRP问题,收敛的准则是计算意义上的,例如可以设置当上界和下界非常接近(0.001)时,结束迭代。

然而比起绝对差值更为流行的,是相对差值,也即分支定界法的Gap。它的计算方法,(上界-下界)/上界。

通常我们设置Gap < 0.1%,就可把当前的最优可行解(上界)理解为该问题的全局最优解了,分支定界法随即终止(Terminate)


5. 启发式/近似算法(Heuristic/Approximation Algorithms)

作为研究世界上最难问题的学者,想出了解决整数规划问题的各种其他途径,例如近似算法(Approximation Algorithms),启发式算法(Heuristic Algorithms),遗传算法(Generic Algorithm),Evolutionary Algorithms等等。它们虽然不能求得整数规划的最优解,但是却能在短时间(通常多项式时间)内给出一个较好的可行解。

启发式算法,通常采用贪心算法(Greedy Algorithm),所得的解通常只是局部最优解,并且完全没有概念这个解到底有多“好”。

近似算法,与启发式算法不一样,算法往往通过非常巧妙的设计,计算所得的解可以用严格的数学证明是“比较好”的,即所谓的近似率(Approximation Ratio),R。也就是说,近似算法所得的解,可以被证明是全局最优解的R倍之内。这样该算法所得的解被认为是有保证的。



6. 运筹学的“引擎”--优化求解器(Optimization Solver)

分支定界法虽然思想简单,但是实现起来却比想象的复杂--如何管理各个分支的存储,分支的先后顺序,以及一些提高分支定界法效率的算法,等等。

市面上知名的混合整数规划求解器:IBM Cplex,Gurobi,FICO Xpress,SCIP。

前三个都是商业软件,闭源,第四个是开源的由柏林ZIB研究机构开发并维护的,但是商业用途需要购买版权。这四个如果用作教学、科研,都是免费下载和使用的。

作为运筹学的引擎,优化求解器意义重大,因为所有混合整数规划模型的求解,都需要靠它。由于是NP难问题,求解的效率至关重要,不同求解器的求解速度也千差万别。例如同一个问题,用Cplex求解只需1分钟,用SCIP可能就需要1小时,你自己写B&B算法的程序,可能需要1天!(上图是各求解器效率对比)

而工业界非常多的问题可以被建模成整数规划问题,例如物流、路径规划、航班调度等等。需要得到其精确解,便需要使用优化求解器。但是这些求解器都掌握在以上国外公司或机构,中国仍没有自己的优化求解器(2015年)!

这就意味着,要么花钱买以上求解器的使用权,要么就自己写B&B算法的Code,然后忍受Cplex 1分钟可以求解的问题却要花1天时间的求解。(很多问题时间就是金钱,例如航班延误后剩余航班重新排班的问题,通常需要在10分钟内求解)

杉数科技可能是中国第一个投身于开发优化求解器的公司,其首席科学家顾问Yinyu Ye教授是华人运筹学界泰斗人物。忠心希望中国早日有自己的高质量优化求解器,也希望有志青年可以加入到这个行列。


7. 整数规划模型的意义

很多人会问,既然整数规划模型是NP难的,既然已经有了高效的启发式算法、近似算法,那么为何还要执念于精确算法呢?

原因一是数学家的执念,数学家不care具体算法,更关心数学模型。

其二,同一个问题,虽然可以用启发式算法或近似算法,但是求得的解要么完全没有保证,要么只有R这个近似倍数的保证。但是,只要把该问题数学建模成整数规划模型,启发式或近似算法求得的解,都可以直接作为优化求解器的初始解(上界)。这时候,优化求解器只需求解Root Node(LRP),便可以得到下界,于是你几乎不费力(多项式时间)便可得到一个Gap。这个Gap,便可以作为这个解的某种保证(例如,Gap是10%,你便知道这个解离最优解“不远了”)。

此外,工业界应用上,随着B&B算法迭代的进行,很有可能降低上界,即找到了更优的解。在工业界,例如成本最小化问题,往往提高1个百分点,就是几百万甚至上千万元成本的差别!

从这个意义上讲,深度学习这个极度非凸的优化问题,其反向传播法也可以理解成一个类似于随机梯度下降(SGD)的启发式算法,它只找到一个没有任何保证的局部最优解(貌似离全局最优解“不远”。如果这个优化问题可以被建模成整数规划模型,那么优化求解器就能给出深度学习找出的局部最优解一个Gap,以及可能再次优化这个解。(然而,实际情况是,深度学习问题的规模往往远大于整数规划模型的“极限”)

篇幅限制,5-7节没有深入探究。我将在下一篇专栏着重探讨整数规划的加速,近似算法以及启发式算法,优化求解器也不仅限于整数规划,还有凸优化、非凸优化、非线性规划等等,敬请期待。

注:知识点推荐使用书本系统的学习,本篇旨在为大家做一丁点的梳理和总结工作。


如果你是运筹学/人工智能硕博或在读,请在下图的公众号 @运筹OR帷幄 后台留言:“加微信群”。系统会自动辨认你的关键字,并提示您进一步的加群要求和步骤,邀请您进全球运筹或AI学者群(群内学界、业界大佬云集)。

同时我们有:【运筹学|优化爱好者】【供应链|物流】【人工智能】【数据科学|分析】千人QQ群,想入群的小伙伴可以关注下方公众号点击“加入社区”按钮,获得入群传送门。

学术界|工业界招聘、征稿等信息免费发布,请见下图:

编辑于 04-19

文章被以下专栏收录