我们提出了一种基于机器学习的新型方法来解决涉及大量独立关注者的二重性程序，作为一种特殊情况，其中包括两阶段随机编程。我们提出了一个优化模型，该模型明确考虑了追随者的采样子集，并利用机器学习模型来估计未采样关注者的客观值。与现有方法不同，我们将机器学习模型培训嵌入到优化问题中，这使我们能够采用无法使用领导者决策来表示的一般追随者功能。我们证明了由原始目标函数衡量的生成领导者决策的最佳差距，该目标函数考虑了整个追随者集。然后，我们开发追随者采样算法来收紧界限和一种表示追随者功能的表示方法，可以用作嵌入式机器学习模型的输入。使用骑自行车网络设计问题的合成实例，我们比较方法的计算性能与基线方法。我们的方法为追随者的目标价值观提供了更准确的预测，更重要的是，产生了更高质量的领导者决策。最后，我们对骑自行车基础设施计划进行了现实世界中的案例研究，我们采用方法来解决超过一百万关注者的网络设计问题。与当前的自行车网络扩展实践相比，我们的方法提出了有利的性能。
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一场堆放堡拥堵游戏（SCG）是一个双重计划，领导者的目标是通过预测和操纵均衡状态来最大程度地提高自己的收益，在该状态下，追随者通过玩拥堵游戏而定居。大规模的SCG以其顽固性和复杂性而闻名。这项研究通过可区分的编程来处理SCG，该编程将机器学习的最新发展与常规方法结合在一起。核心思想以模仿logit动力学形成的进化路径代表低级平衡问题。它可以在朝着平衡的演化路径上使用自动分化，从而导致双环梯度下降算法。我们进一步表明，对低级平衡的固定可能是一个自我强加的计算障碍。取而代之的是，领导者只能沿着追随者的演变路径向前看几个步骤，同时通过共同进化过程更新其决策。启示产生了一种单循环算法，该算法在记忆消耗和计算时间方面都更有效。通过涵盖广泛基准问题的数值实验，我们发现单循环算法始终达到解决方案质量和效率之间的良好平衡，不仅优于标准的双环实现，而且优于文献中的其他方法。重要的是，我们的结果既突出了“充分期待”的浪费和“零预期”的危险。如果需要快速启发术来解决一个非常大的SCG，则提议的单环算法具有一步的外观，使其成为理想的候选人。
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2021-02-18
组合优化是运营研究和计算机科学领域的一个公认领域。直到最近，它的方法一直集中在孤立地解决问题实例，而忽略了它们通常源于实践中的相关数据分布。但是，近年来，人们对使用机器学习，尤其是图形神经网络（GNN）的兴趣激增，作为组合任务的关键构件，直接作为求解器或通过增强确切的求解器。GNN的电感偏差有效地编码了组合和关系输入，因为它们对排列和对输入稀疏性的意识的不变性。本文介绍了对这个新兴领域的最新主要进步的概念回顾，旨在优化和机器学习研究人员。
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许多实际优化问题涉及不确定的参数，这些参数具有概率分布，可以使用上下文特征信息来估算。与首先估计不确定参数的分布然后基于估计优化目标的标准方法相反，我们提出了一个\ textIt {集成条件估计 - 优化}（ICEO）框架，该框架估计了随机参数的潜在条件分布同时考虑优化问题的结构。我们将随机参数的条件分布与上下文特征之间的关系直接建模，然后以与下游优化问题对齐的目标估算概率模型。我们表明，我们的ICEO方法在适度的规律性条件下渐近一致，并以概括范围的形式提供有限的性能保证。在计算上，使用ICEO方法执行估计是一种非凸面且通常是非差异的优化问题。我们提出了一种通用方法，用于近似从估计的条件分布到通过可区分函数的最佳决策的潜在非差异映射，这极大地改善了应用于非凸问题的基于梯度的算法的性能。我们还提供了半代理案例中的多项式优化解决方案方法。还进行了数值实验，以显示我们在不同情况下的方法的经验成功，包括数据样本和模型不匹配。
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In the last years, there has been a great interest in machine-learning-based heuristics for solving NP-hard combinatorial optimization problems. The developed methods have shown potential on many optimization problems. In this paper, we present a learned heuristic for the reoptimization of a problem after a minor change in its data. We focus on the case of the capacited vehicle routing problem with static clients (i.e., same client locations) and changed demands. Given the edges of an original solution, the goal is to predict and fix the ones that have a high chance of remaining in an optimal solution after a change of client demands. This partial prediction of the solution reduces the complexity of the problem and speeds up its resolution, while yielding a good quality solution. The proposed approach resulted in solutions with an optimality gap ranging from 0\% to 1.7\% on different benchmark instances within a reasonable computing time.
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这项工作解决了逆线优化，其中目标是推断线性程序的未知成本向量。具体地，我们考虑数据驱动的设置，其中可用数据是对应于线性程序的不同实例的最佳解决方案的嘈杂的观察。我们介绍了一个问题的新配方，与其他现有方法相比，允许恢复较少的限制性和一般更适当的可允许成本估算。可以表明，该逆优化问题产生有限数量的解决方案，并且我们开发了一个精确的两相算法来确定所有此类解决方案。此外，我们提出了一种有效的分解算法来解决问题的大实例。该算法自然地扩展到在线学习环境，可以用于提供成本估计的快速更新，因为新数据随着时间的推移可用。对于在线设置，我们进一步开发了一种有效的自适应采样策略，指导下一个样本的选择。所提出的方法的功效在涉及两种应用，客户偏好学习和生产计划的成本估算的计算实验中进行了证明。结果表明计算和采样努力的显着减少。
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This paper surveys the recent attempts, both from the machine learning and operations research communities, at leveraging machine learning to solve combinatorial optimization problems. Given the hard nature of these problems, state-of-the-art algorithms rely on handcrafted heuristics for making decisions that are otherwise too expensive to compute or mathematically not well defined. Thus, machine learning looks like a natural candidate to make such decisions in a more principled and optimized way. We advocate for pushing further the integration of machine learning and combinatorial optimization and detail a methodology to do so. A main point of the paper is seeing generic optimization problems as data points and inquiring what is the relevant distribution of problems to use for learning on a given task.
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通过边界估计可以显着简化求解约束优化问题（COP），即提供成本函数的紧密边界。通过使用由已知边界的数据组成的数据以及COMPS提取的特征来馈送监督机器学习（ML）模型，可以训练模型以估计新COP实例的边界。在本文中，我们首先概述了来自问题实例的约束编程（CP）的ML的现有知识体系。其次，我们介绍了应用于支持CP解算器的工具的边界估计框架。在该框架内，讨论并评估了不同的ML模型，并评估其对边界估计的适用性，并避免避免求解器找到最佳解决方案的不可行估计的对策。第三，我们在七个警察中提出了一种实验研究，与不同的CP溶剂。我们的结果表明，可以仅限于这些警察的近似最佳边界。这些估计的边界将客观域大小减少60-88％，可以帮助求解器在搜索期间提前找到近乎最佳解决方案。
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We study iterative methods for (two-stage) robust combinatorial optimization problems with discrete uncertainty. We propose a machine-learning-based heuristic to determine starting scenarios that provide strong lower bounds. To this end, we design dimension-independent features and train a Random Forest Classifier on small-dimensional instances. Experiments show that our method improves the solution process for larger instances than contained in the training set and also provides a feature importance-score which gives insights into the role of scenario properties.
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本文介绍了一种增强的元启发式（ML-ACO），将机器学习（ML）和蚁群优化（ACO）结合起来解决组合优化问题。为了说明我们ML-ACO算法的底层机制，我们首先描述测试问题，定向问题。在这个问题中，目的是找到一个路线，该路线在时间预算中在图中访问顶点的子集，以最大化收集的分数。在我们ML-ACO算法的第一阶段，使用一组小问题实例训练ML模型，其中已知最佳解决方案。具体地，分类模型用于将边缘分类为最佳路由的一部分，或不使用特定于问题的特征和统计测量。然后，训练模型用于预测测试问题实例图表中的边缘所属的概率属于相应的最优路由。在第二阶段，我们将预测的概率纳入我们算法的ACO组件，即，使用概率值作为启发式权重或者热启动信息素矩阵。这里，在构建可行的路线时偏向有利于这些预测的高质量边缘的概率值。我们已经测试了多种分类模型，包括图形神经网络，逻辑回归和支持向量机，实验结果表明，我们的解决方案预测方法一直促进ACO的性能。此外，我们经验证明我们在小型合成实例上培训的ML模型概括为大型合成和现实世界的情况。我们将ML与META-HEURISTIC集成的方法是通用的，可以应用于各种优化问题。
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当我们对优化模型中的不确定参数进行观察以及对协变量的同时观察时，我们研究了数据驱动决策的优化。鉴于新的协变量观察，目标是选择一个决定以此观察为条件的预期成本的决定。我们研究了三个数据驱动的框架，这些框架将机器学习预测模型集成在随机编程样本平均值近似（SAA）中，以近似解决该问题的解决方案。 SAA框架中的两个是新的，并使用了场景生成的剩余预测模型的样本外残差。我们研究的框架是灵活的，并且可以容纳参数，非参数和半参数回归技术。我们在数据生成过程，预测模型和随机程序中得出条件，在这些程序下，这些数据驱动的SaaS的解决方案是一致且渐近最佳的，并且还得出了收敛速率和有限的样本保证。计算实验验证了我们的理论结果，证明了我们数据驱动的公式比现有方法的潜在优势（即使预测模型被误解了），并说明了我们在有限的数据制度中新的数据驱动配方的好处。
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Decision-making problems are commonly formulated as optimization problems, which are then solved to make optimal decisions. In this work, we consider the inverse problem where we use prior decision data to uncover the underlying decision-making process in the form of a mathematical optimization model. This statistical learning problem is referred to as data-driven inverse optimization. We focus on problems where the underlying decision-making process is modeled as a convex optimization problem whose parameters are unknown. We formulate the inverse optimization problem as a bilevel program and propose an efficient block coordinate descent-based algorithm to solve large problem instances. Numerical experiments on synthetic datasets demonstrate the computational advantage of our method compared to standard commercial solvers. Moreover, the real-world utility of the proposed approach is highlighted through two realistic case studies in which we consider estimating risk preferences and learning local constraint parameters of agents in a multiplayer Nash bargaining game.
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算法配置（AC）与对参数化算法最合适的参数配置的自动搜索有关。目前，文献中提出了各种各样的交流问题变体和方法。现有评论没有考虑到AC问题的所有衍生物，也没有提供完整的分类计划。为此，我们引入分类法以分别描述配置方法的交流问题和特征。我们回顾了分类法的镜头中现有的AC文献，概述相关的配置方法的设计选择，对比方法和问题变体相互对立，并描述行业中的AC状态。最后，我们的评论为研究人员和从业人员提供了AC领域的未来研究方向。
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Two-stage robust optimization problems constitute one of the hardest optimization problem classes. One of the solution approaches to this class of problems is K-adaptability. This approach simultaneously seeks the best partitioning of the uncertainty set of scenarios into K subsets, and optimizes decisions corresponding to each of these subsets. In general case, it is solved using the K-adaptability branch-and-bound algorithm, which requires exploration of exponentially-growing solution trees. To accelerate finding high-quality solutions in such trees, we propose a machine learning-based node selection strategy. In particular, we construct a feature engineering scheme based on general two-stage robust optimization insights that allows us to train our machine learning tool on a database of resolved B&B trees, and to apply it as-is to problems of different sizes and/or types. We experimentally show that using our learned node selection strategy outperforms a vanilla, random node selection strategy when tested on problems of the same type as the training problems, also in case the K-value or the problem size differs from the training ones.
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疏散计划是灾难管理的关键部分，其目标是将人员搬迁到安全和减少伤亡。每个疏散计划都有两个基本组件：路由和调度。但是，这两个组件与目标的联合优化，例如最大程度地减少平均疏散时间或疏散完成时间，这是一个计算问题上的问题。为了解决它，我们提出了MIP-LNS，这是一种可扩展的优化方法，将启发式搜索与数学优化结合在一起，并可以优化各种目标函数。我们使用来自德克萨斯州休斯敦的哈里斯县的现实世界道路网络和人口数据，并应用MIP-LNS来查找该地区的疏散路线和时间表。我们表明，在给定的时间限制内，我们提出的方法在平均疏散时间，疏散完成时间和解决方案的最佳保证方面找到了比现有方法更好的解决方案。我们在研究区域进行基于代理的疏散模拟，以证明解决方案的功效和鲁棒性。我们表明，即使撤离人员在一定程度上偏离了建议的时间表，我们的规定疏散计划仍然有效。我们还研究了疏散计划如何受到道路故障的影响。我们的结果表明，MIP-LN可以使用有关道路估计截止日期的信息，以成功，方便地撤离更多人，以提出更好的疏散计划。
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We study distributionally robust optimization (DRO) with Sinkhorn distance -- a variant of Wasserstein distance based on entropic regularization. We provide convex programming dual reformulation for a general nominal distribution. Compared with Wasserstein DRO, it is computationally tractable for a larger class of loss functions, and its worst-case distribution is more reasonable. We propose an efficient first-order algorithm with bisection search to solve the dual reformulation. We demonstrate that our proposed algorithm finds $\delta$-optimal solution of the new DRO formulation with computation cost $\tilde{O}(\delta^{-3})$ and memory cost $\tilde{O}(\delta^{-2})$, and the computation cost further improves to $\tilde{O}(\delta^{-2})$ when the loss function is smooth. Finally, we provide various numerical examples using both synthetic and real data to demonstrate its competitive performance and light computational speed.
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在确定性优化中，通常假定问题的所有参数都是固定和已知的。但是，实际上，某些参数可能是未知的先验参数，但可以从历史数据中估算。典型的预测 - 优化方法将预测和优化分为两个阶段。最近，端到端的预测到优化已成为有吸引力的替代方法。在这项工作中，我们介绍了PYEPO软件包，这是一个基于Pytorch的端到端预测，然后在Python中进行了优化的库。据我们所知，PYEPO（发音为“带有静音” n“”的“菠萝”）是线性和整数编程的第一个通用工具，具有预测的目标函数系数。它提供了两种基本算法：第一种基于Elmachtoub＆Grigas（2021）的开创性工作的凸替代损失函数，第二个基于Vlastelica等人的可区分黑盒求解器方法。 （2019）。 PYEPO提供了一个简单的接口，用于定义新的优化问题，最先进的预测 - 优化训练算法，自定义神经网络体系结构的使用以及端到端方法与端到端方法与与端到端方法的比较两阶段的方法。 PYEPO使我们能够进行一系列全面的实验，以比较沿轴上的多种端到端和两阶段方法，例如预测准确性，决策质量和运行时间，例如最短路径，多个背包和旅行等问题销售人员问题。我们讨论了这些实验中的一些经验见解，这些见解可以指导未来的研究。 PYEPO及其文档可在https://github.com/khalil-research/pyepo上找到。
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大多数机器学习算法由一个或多个超参数配置，必须仔细选择并且通常会影响性能。为避免耗时和不可递销的手动试验和错误过程来查找性能良好的超参数配置，可以采用各种自动超参数优化（HPO）方法，例如，基于监督机器学习的重新采样误差估计。本文介绍了HPO后，本文审查了重要的HPO方法，如网格或随机搜索，进化算法，贝叶斯优化，超带和赛车。它给出了关于进行HPO的重要选择的实用建议，包括HPO算法本身，性能评估，如何将HPO与ML管道，运行时改进和并行化结合起来。这项工作伴随着附录，其中包含关于R和Python的特定软件包的信息，以及用于特定学习算法的信息和推荐的超参数搜索空间。我们还提供笔记本电脑，这些笔记本展示了这项工作的概念作为补充文件。
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机器学习（ML）管道中的组合优化（CO）层是解决数据驱动决策任务的强大工具，但它们面临两个主要挑战。首先，CO问题的解通常是其客观参数的分段常数函数。鉴于通常使用随机梯度下降对ML管道进行训练，因此缺乏斜率信息是非常有害的。其次，标准ML损失在组合设置中不能很好地工作。越来越多的研究通过各种方法解决了这些挑战。不幸的是，缺乏维护良好的实现会减慢采用CO层的速度。在本文的基础上，我们对CO层介绍了一种概率的观点，该观点自然而然地是近似分化和结构化损失的构建。我们从文献中恢复了许多特殊情况的方法，我们也得出了新方法。基于这个统一的观点，我们提出了inferpopt.jl，一个开源的朱莉娅软件包，1）允许将任何具有线性物镜的Co Oracle转换为可区分的层，以及2）定义足够的损失以训练包含此类层的管道。我们的图书馆使用任意优化算法，并且与朱莉娅的ML生态系统完全兼容。我们使用视频游戏地图上的探索问题来证明其能力。
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最小的平方和群集（MSSC）或K-Means型聚类，传统上被认为是无监督的学习任务。近年来，使用背景知识来提高集群质量，促进聚类过程的可解释性已成为数学优化和机器学习研究的热门研究课题。利用数据群集中的背景信息的问题称为半监督或约束群集。在本文中，我们为半监控MSSC提供了一种新的分支和绑定算法，其中背景知识被包含为成对必须 - 链接和无法链接约束。对于较低的界限，我们解决了MSSC离散优化模型的Semidefinite编程宽松，并使用了用于加强界限的纤维平面程序。相反，通过使用整数编程工具，我们提出了将K-Means算法适应受约束的情况。这是第一次，所提出的全局优化算法有效地管理，以解决现实世界的情况，最高可达800个数据点，具有必要的必须 - 链接和无法链接约束以及通用数量的功能。这个问题大小大约比最先进的精确算法解决的实例大约四倍。
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