在分支机构和结合中得出良好的可变选择策略对于现代混合编程（MIP）求解器的效率至关重要。通过在先前的解决方案过程中收集的MIP分支数据，学习分支方法最近变得比启发式方法更好。由于分支机构自然是一项顺序决策任务，因此应该学会优化整个MIP求解过程的实用性，而不是在每个步骤上都是近视。在这项工作中，我们将学习作为离线增强学习（RL）问题进行分支，并提出了一种长期视线的混合搜索方案来构建离线MIP数据集，该数据集对分支决策的长期实用程序。在政策培训阶段，我们部署了基于排名的奖励分配计划，以将有希望的样本与长期或短期视图区分开，并通过离线政策学习训练名为分支排名的分支模型。合成MIP基准和现实世界任务的实验表明，与广泛使用的启发式方法和基于先进的学习分支模型相比，分支rankink更有效，更健壮，并且可以更好地概括为MIP实例的大型MIP实例。
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分支机构是一种用于组合优化的系统枚举方法，在该方法中，性能高度依赖于可变选择策略。最先进的手工启发式策略的推理时间相对较慢，而当前的机器学习方法需要大量的标记数据。我们提出了一种新方法，以根据使用强化学习（RL）范式来解决组合优化中的数据标记和推理潜伏期问题。我们使用模仿学习来引导RL代理，然后使用近端策略优化（PPO）进一步探索全球最佳动作。然后，一个值网络用于运行蒙特卡洛树搜索（MCT）以增强策略网络。我们评估了我们在四个不同类别的组合优化问题上的方法的性能，并表明我们的方法与最先进的机器学习和基于启发式方法的方法相比表现强劲。
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在各种现实世界应用中，组合优化问题作为混合整数线性程序（MILP）无处不在。规范的分支和结合算法通过构建越来越约束的子问题的搜索树来寻求精确解决MILP。实际上，其解决时间性能取决于启发式方法，例如选择下一个变量来约束（“分支”）。最近，机器学习（ML）已成为分支的有希望的范式。但是，先前的工作一直在努力应用强化学习（RL），理由是稀疏的奖励，艰难的探索和部分可观察性是重大挑战。取而代之的是，领先的ML方法论通过模仿学习（IL）近似高质量的手工启发式方法，这排除了新型政策的发现并需要昂贵的数据标签。在这项工作中，我们提出了复古分支。一种简单而有效的分支RL方法。通过回顾性将搜索树解构为子树中包含的多个路径，我们使代理能够从更短的轨迹中学习具有更可预测的下一步状态。在对四个组合任务的实验中，我们的方法可以在没有任何专家指导或预培训的情况下学习分支。我们的表现优于当前最新的RL分支算法，比最佳IL方法在MILPS上具有500个约束和1000个变量的最佳性能的20％以内，并验证了我们的回顾性构建轨迹对于实现的必要这些结果。
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符合使用机器学习的不断增长的趋势，帮助解决组合优化问题，一个有希望的想法是通过使用学习的策略来改善混合整数编程（MIP）分支和绑定树内的节点选择。以前使用模仿学习的工作指示通过学习自适应节点搜索顺序来获取节点选择策略的可行性。相比之下，我们的模仿学习策略仅专注于学习节点的孩子中的哪一个选择。我们介绍了一个脱机方法，用于在两个设置中学习这样的策略：一个通过致力于修剪节点的启发式;一个是从叶子精确和背溯以保证找到最佳整数解决方案的备用。前一个设置对应于困扰期间的儿童选择器，而后者则类似于潜水启发式。我们在热情和确切的设置中将策略应用于流行的开源求解器SCIP。五个MIP数据集的经验结果表明，我们的节点选择策略比文献中最先进的先例更快地导致解决方案。虽然我们在精确解决方案的时间内没有击败高度优化的SCIP状态基准节点选择器，但如果预测模型的准确性足够，我们的启发式政策比所有基线都具有始终如一的最佳最优性差距。此外，结果还表明，当应用时间限制时，我们的启发式方法发现比测试大多数问题中所有基线的更好的解决方案。我们通过表明学习的政策模仿了SCIP基线来解释结果，但没有后者早期的暴跌中止。我们的建议是，尽管对文献的清晰改进，但这种MIP儿童选择器在更广泛的方法中更好地使用MIP分支和束缚树决策。
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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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为混合整数线性编程问题（MILLS）找到高质量解决方案对于许多实际应用非常重要。在这方面，提出了精炼启发式局部分支（LB）来生产改进解决方案，并且对MILP中的本地搜索方法的开发产生了高度影响力。该算法迭代地探索由所谓的本地分支约束定义的一系列解决方案邻域，即，限制与参考解决方案的距离的线性不等式。对于LB算法，邻域大小的选择对于性能至关重要。虽然它是由原始LB方案中的保守值初始化的，但我们的新观察是最佳规模强烈依赖于特定的MILP实例。在这项工作中，我们调查搜索附近的大小与底层LB算法的行为之间的关系，我们设计了一种基于倾斜的框架，用于引导LB启发式的邻居搜索。该框架由两阶段战略组成。对于第一阶段，训练缩放的回归模型以通过回归任务在第一迭代中预测LB邻域的大小。在第二阶段，我们利用加强学习和设计加强的邻域搜索策略，以动态调整随后的迭代处的大小。我们计算地表明，确实可以学习邻域大小，导致改进的性能，并且整个算法在实例大小相对于实例大小概括，并且显着地跨越实例概括。
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切割平面对于解决混合企业线性问题（MILP）至关重要，因为它们促进了最佳解决方案值的界限。为了选择切割，现代求解器依靠手动设计的启发式方法来评估切割的潜在有效性。我们表明，一项贪婪的选择规则明确地寻求选择的剪裁，从而产生最佳的界限可以为切割选择提供强大的决策 - 但太贵了，无法在实践中部署。作为回应，我们提出了一种新的神经体系结构（神经曲），以模仿LookAhead专家。我们的模型优于标准基准，用于在几个合成的MILP基准上进行切割选择。使用B＆C求解器进行神经网络验证的实验进一步验证了我们的方法，并在这种情况下展示了学习方法的潜力。
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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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对于组合优化（ML4CO）竞争的2021个内潜冲潮羊件机器学习是为了通过用机器学习模型替换关键启发式组件来改善最先进的组合优化求解器的目的。竞争的主要科学问题是以下内容：机器是在历史数据可用的特定问题分布时改进传统组合优化求解器的可行选择，是一种可行的选择这是因为在许多实际情况中，数据在组合优化问题的重复之间只会略微发生变化，这是机器学习模型特别强大的区域。本文总结了华为EI-ORAS团队在竞争对手的双重任务中汲取的解决方案和经验教训。我们团队的提交在最终排名中实现了第二位，距离第一点非常近距离。此外，在最终评估之前，我们的解决方案首先是持续的几周排行榜更新。我们提供从大量实验中获得的见解，并争辩说简单的图形卷积神经网络（GCNNS）可以在训练和调整正确的情况下实现最先进的结果。
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表达性和计算便宜的两分图神经网络（GNN）已被证明是基于深度学习的混合成分线性程序（MILP）求解器的重要组成部分。最近的工作证明了此类GNN在分支结合（B＆B）求解器中取代分支（可变选择）启发式方面的有效性。这些GNN经过训练，离线和集合，以模仿一个非常好但计算昂贵的分支启发式，强大的分支。鉴于B＆B会导致子隔间树，我们问（a）目标启发式启发式在B＆B树的邻近节点之间是否存在很强的依赖性，并且（b）如果是这样，我们是否可以将它们合并到我们的培训程序。具体来说，我们发现，有了强大的分支启发式，孩子节点的最佳选择通常是父母的第二好的选择。我们将其称为“回顾”现象。令人惊讶的是，Gasse等人的典型分支GNN。 （2019年）经常错过这个简单的“答案”。为了通过将回顾现象纳入GNN来更紧密地模仿目标行为，我们提出了两种方法：（a）标准跨凝性损失函数的目标平滑，（b）添加父级（PAT）target（PAT）回顾量学期。最后，我们提出了一个模型选择框架，以结合更难构建的目标，例如在最终模型中解决时间。通过对标准基准实例进行广泛的实验，我们表明我们的提案导致B＆B树大小的22％减少，并且在解决时间的解决方案中提高了15％。
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回溯搜索算法通常用于解决约束满足问题（CSP）。回溯搜索的效率在很大程度上取决于可变排序启发式。目前，最常用的启发式是根据专家知识进行手工制作的。在本文中，我们提出了一种基于深度的加强学习方法，可以自动发现新的变量订购启发式，更好地适用于给定类CSP实例。我们显示，直接优化搜索成本很难用于自动启动，并建议优化在搜索树中到达叶节点的预期成本。为了捕获变量和约束之间的复杂关系，我们设计基于图形神经网络的表示方案，可以处理具有不同大小和约束的CSP实例。随机CSP实例上的实验结果表明，学习的政策在最小化搜索树大小的方面优于古典手工制作的启发式，并且可以有效地推广到比训练中使用的实例。
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在混合整数线性编程（MIP）中，A（强）后门是实例的整数变量的“小”子集，具有以下属性：在分支和结合过程中，可以通过仅通过分支来求解该实例到全局最优性。在后门中的变量上。为广泛使用的MIP基准集或特定问题构建预计的后门数据集，家庭可以在MIP的新结构属性上引起新的问题，或者解释为什么在理论上很难在实践中有效解决问题的问题。现有用于查找后门的算法依赖于以各种方式对候选变量子集进行采样，这种方法证明了MIPLIB2003和MIPLIB2010的某些实例的后门存在。但是，由于勘探和剥削之间的不平衡，这些算法在任务中始终取得成功。我们建议BAMCTS，这是一个蒙特卡洛树搜索框架，用于寻找MIPS的后门。广泛的算法工程，与传统MIP概念的杂交以及与CPLEX求解器的密切集成使我们的方法能够超过MIPLIB2017实例的基础线，从而更频繁，更有效地找到后门。
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蒙特卡洛树搜索（MCT）是设计游戏机器人或解决顺序决策问题的强大方法。该方法依赖于平衡探索和开发的智能树搜索。MCT以模拟的形式进行随机抽样，并存储动作的统计数据，以在每个随后的迭代中做出更有教育的选择。然而，该方法已成为组合游戏的最新技术，但是，在更复杂的游戏（例如那些具有较高的分支因素或实时系列的游戏）以及各种实用领域（例如，运输，日程安排或安全性）有效的MCT应用程序通常需要其与问题有关的修改或与其他技术集成。这种特定领域的修改和混合方法是本调查的主要重点。最后一项主要的MCT调查已于2012年发布。自发布以来出现的贡献特别感兴趣。
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组合优化的神经方法（CO）配备了一种学习机制，以发现解决复杂现实世界问题的强大启发式方法。尽管出现了能够在单一镜头中使用高质量解决方案的神经方法，但最先进的方法通常无法充分利用他们可用的解决时间。相比之下，手工制作的启发式方法可以很好地执行高效的搜索并利用给他们的计算时间，但包含启发式方法，这些启发式方法很难适应要解决的数据集。为了为神经CO方法提供强大的搜索程序，我们提出了模拟引导的光束搜索（SGB），该搜索（SGB）在固定宽度的树搜索中检查了候选解决方案，既是神经网络学习的政策又是模拟（推出）确定有希望的。我们将SGB与有效的主动搜索（EAS）进一步融合，其中SGB提高了EAS中反向传播的解决方案的质量，EAS提高了SGB中使用的策略的质量。我们评估了有关众所周知的CO基准的方法，并表明SGB可显着提高在合理的运行时假设下发现的解决方案的质量。
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Large Neighborhood Search (LNS) is a popular heuristic algorithm for solving combinatorial optimization problems (COP). It starts with an initial solution to the problem and iteratively improves it by searching a large neighborhood around the current best solution. LNS relies on heuristics to select neighborhoods to search in. In this paper, we focus on designing effective and efficient heuristics in LNS for integer linear programs (ILP) since a wide range of COPs can be represented as ILPs. Local Branching (LB) is a heuristic that selects the neighborhood that leads to the largest improvement over the current solution in each iteration of LNS. LB is often slow since it needs to solve an ILP of the same size as input. Our proposed heuristics, LB-RELAX and its variants, use the linear programming relaxation of LB to select neighborhoods. Empirically, LB-RELAX and its variants compute as effective neighborhoods as LB but run faster. They achieve state-of-the-art anytime performance on several ILP benchmarks.
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强化学习（RL）通过与环境相互作用的试验过程解决顺序决策问题。尽管RL在玩复杂的视频游戏方面取得了巨大的成功，但在现实世界中，犯错误总是不希望的。为了提高样本效率并从而降低错误，据信基于模型的增强学习（MBRL）是一个有前途的方向，它建立了环境模型，在该模型中可以进行反复试验，而无需实际成本。在这项调查中，我们对MBRL进行了审查，重点是Deep RL的最新进展。对于非壮观环境，学到的环境模型与真实环境之间始终存在概括性错误。因此，非常重要的是分析环境模型中的政策培训与实际环境中的差异，这反过来又指导了更好的模型学习，模型使用和政策培训的算法设计。此外，我们还讨论了其他形式的RL，包括离线RL，目标条件RL，多代理RL和Meta-RL的最新进展。此外，我们讨论了MBRL在现实世界任务中的适用性和优势。最后，我们通过讨论MBRL未来发展的前景来结束这项调查。我们认为，MBRL在被忽略的现实应用程序中具有巨大的潜力和优势，我们希望这项调查能够吸引更多关于MBRL的研究。
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混合整数程序（MIP）通常通过分支结合算法解决。最近，学会模仿专家强的分支启发式的快速近似，由于它成功地减少了解决MIP的运行时间，因此引起了人们的关注。但是，现有的学习与分支方法假设整个培训数据都可以在一次培训中获得。这个假设通常不正确，如果随着时间的推移以连续的方式提供培训数据，现有技术会遭受灾难性遗忘。在这项工作中，我们研究了迄今未开发的终身学习范式，以在混合整数程序上分支。为了减轻灾难性的遗忘，我们提出了Limip，该limip是由以两部分图的形式对MIP实例进行建模的想法，我们使用双方图形注意力网络将其映射到嵌入式空间。这种丰富的嵌入空间避免了通过应用知识蒸馏和弹性重量巩固的灾难性遗忘，其中我们学习参数的关键是保持疗效，因此受到保护，免受明显的漂移。我们评估了一系列NP硬性问题的利润，并确定与现有基线相比，在面对终身学习时，Limip的速度高达50％。
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预订控制问题是收入管理领域中发生的顺序决策问题。更确切地说，货运预订控制重点是决定接受或拒绝预订的问题：鉴于有限的能力，接受预订请求或拒绝其保留能力，以预订可能更高收入的未来预订。该问题可以作为有限的摩尼斯随机动态程序提出，其中接受一组请求会在预订期结束时获得利润，取决于履行公认的预订的成本。对于许多货运申请，可以通过解决操作决策问题来获得满足请求的成本，该问题通常需要解决混合组织线性计划的解决方案。在部署强化学习算法时，通常会常规地解决此类操作问题，这可能太耗时了。大多数预订控制策略是通过解决特定问题的数学编程松弛来获得的，这些松弛通常是不宽松的，无法推广到新问题，并且在某些情况下提供了相当粗糙的近似值。在这项工作中，我们提出了一种两阶段的方法：我们首先训练一个监督的学习模型来预测操作问题的目标，然后我们将模型部署在加固学习算法中以计算控制政策。这种方法是一般的：每当可以预测Horizon操作问题的目标函数时，都可以使用它，并且特别适合那些此类问题在计算上很难的情况。此外，它允许人们利用加强学习的最新进展，因为常规解决操作问题被单个预测所取代。我们的方法对文献中的两个预订控制问题进行了评估，即分销物流和航空公司货物管理。
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最近的研究表明，神经组合优化（NCO）在许多组合优化问题（如路由）中具有优于传统算法的优点，但是对于涉及相互条件的动作空间的包装，诸如打包的更加复杂的优化任务的效率较低。在本文中，我们提出了一种经常性的条件查询学习（RCQL）方法来解决2D和3D包装问题。我们首先通过经常性编码器嵌入状态，然后采用先前操作的条件查询注意。条件查询机制填充了学习步骤之间的信息差距，将问题塑造为Markov决策过程。从复发中受益，单个RCQL模型能够处理不同尺寸的包装问题。实验结果表明，RCQL可以有效地学习用于离线和在线条带包装问题（SPP）的强烈启发式，优于空间利用率范围广泛的基线。 RCQL与最先进的方法相比，在离线2D 40盒案例中将平均箱间隙比率降低1.83％，3.84％。同时，我们的方法还实现了5.64％的空间利用率，对于1000件物品的空间利用率比现有技术更高。
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在机器人，游戏和许多其他地区，加固学习导致各种区域导致相当大的突破。但是在复杂的真实决策中申请RL仍然有限。运营管理中的许多问题（例如，库存和收入管理）的特点是大动作空间和随机系统动态。这些特征使得解决问题的问题很难解决依赖于每步行动问题解决枚举技术的现有RL方法。要解决这些问题，我们开发可编程演员强化学习（PARL），一种策略迭代方法，该方法使用整数编程和示例平均近似的技术。在分析上，我们表明，对于给定的批评者，每个迭代的学习政策会聚到最佳政策，因为不确定性的底层样本转到无穷大。实际上，我们表明，即使来自潜在的不确定性的样本很少，潜在的不确定分布的正确选择的不确定分布可以在最佳的演员政策附近产生。然后，我们将算法应用于具有复杂的供应链结构的现实库存管理问题，并显示Parl优于这些设置中的最先进的RL和库存优化方法。我们发现Parl优于常用的基础股票启发式44.7％，并且在不同供应链环境中平均最高可达的RL方法高达12.1％。
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