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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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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背景信息：在过去几年中，机器学习（ML）一直是许多创新的核心。然而，包括在所谓的“安全关键”系统中，例如汽车或航空的系统已经被证明是非常具有挑战性的，因为ML的范式转变为ML带来完全改变传统认证方法。目的：本文旨在阐明与ML为基础的安全关键系统认证有关的挑战，以及文献中提出的解决方案，以解决它们，回答问题的问题如何证明基于机器学习的安全关键系统？'方法：我们开展2015年至2020年至2020年之间发布的研究论文的系统文献综述（SLR），涵盖了与ML系统认证有关的主题。总共确定了217篇论文涵盖了主题，被认为是ML认证的主要支柱：鲁棒性，不确定性，解释性，验证，安全强化学习和直接认证。我们分析了每个子场的主要趋势和问题，并提取了提取的论文的总结。结果：单反结果突出了社区对该主题的热情，以及在数据集和模型类型方面缺乏多样性。它还强调需要进一步发展学术界和行业之间的联系，以加深域名研究。最后，它还说明了必须在上面提到的主要支柱之间建立连接的必要性，这些主要柱主要主要研究。结论：我们强调了目前部署的努力，以实现ML基于ML的软件系统，并讨论了一些未来的研究方向。
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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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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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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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这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。
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This paper surveys the eld of reinforcement learning from a computer-science perspective. It is written to be accessible to researchers familiar with machine learning. Both the historical basis of the eld and a broad selection of current work are summarized. Reinforcement learning is the problem faced by an agent that learns behavior through trial-and-error interactions with a dynamic environment. The work described here has a resemblance to work in psychology, but di ers considerably in the details and in the use of the word \reinforcement." The paper discusses central issues of reinforcement learning, including trading o exploration and exploitation, establishing the foundations of the eld via Markov decision theory, learning from delayed reinforcement, constructing empirical models to accelerate learning, making use of generalization and hierarchy, and coping with hidden state. It concludes with a survey of some implemented systems and an assessment of the practical utility of current methods for reinforcement learning.
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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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Monte Carlo Tree Search (MCTS) is a recently proposed search method that combines the precision of tree search with the generality of random sampling. It has received considerable interest due to its spectacular success in the difficult problem of computer Go, but has also proved beneficial in a range of other domains. This paper is a survey of the literature to date, intended to provide a snapshot of the state of the art after the first five years of MCTS research. We outline the core algorithm's derivation, impart some structure on the many variations and enhancements that have been proposed, and summarise the results from the key game and non-game domains to which MCTS methods have been applied. A number of open research questions indicate that the field is ripe for future work.
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The reinforcement learning paradigm is a popular way to address problems that have only limited environmental feedback, rather than correctly labeled examples, as is common in other machine learning contexts. While significant progress has been made to improve learning in a single task, the idea of transfer learning has only recently been applied to reinforcement learning tasks. The core idea of transfer is that experience gained in learning to perform one task can help improve learning performance in a related, but different, task. In this article we present a framework that classifies transfer learning methods in terms of their capabilities and goals, and then use it to survey the existing literature, as well as to suggest future directions for transfer learning work.
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尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。
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强化学习和最近的深度增强学习是解决如Markov决策过程建模的顺序决策问题的流行方法。问题和选择算法和超参数的RL建模需要仔细考虑，因为不同的配置可能需要完全不同的性能。这些考虑因素主要是RL专家的任务;然而，RL在研究人员和系统设计师不是RL专家的其他领域中逐渐变得流行。此外，许多建模决策，例如定义状态和动作空间，批次的大小和批量更新的频率以及时间戳的数量通常是手动进行的。由于这些原因，RL框架的自动化不同组成部分具有重要意义，近年来它引起了很多关注。自动RL提供了一个框架，其中RL的不同组件包括MDP建模，算法选择和超参数优化是自动建模和定义的。在本文中，我们探讨了可以在自动化RL中使用的文献和目前的工作。此外，我们讨论了Autorl中的挑战，打开问题和研究方向。
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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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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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虽然深增强学习已成为连续决策问题的有希望的机器学习方法，但对于自动驾驶或医疗应用等高利害域来说仍然不够成熟。在这种情况下，学习的政策需要例如可解释，因此可以在任何部署之前检查它（例如，出于安全性和验证原因）。本调查概述了各种方法，以实现加固学习（RL）的更高可解释性。为此，我们将解释性（作为模型的财产区分开来和解释性（作为HOC操作后的讲话，通过代理的干预），并在RL的背景下讨论它们，并强调前概念。特别是，我们认为可译文的RL可能会拥抱不同的刻面：可解释的投入，可解释（转型/奖励）模型和可解释的决策。根据该计划，我们总结和分析了与可解释的RL相关的最近工作，重点是过去10年来发表的论文。我们还简要讨论了一些相关的研究领域并指向一些潜在的有前途的研究方向。
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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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由于数据量增加，金融业的快速变化已经彻底改变了数据处理和数据分析的技术，并带来了新的理论和计算挑战。与古典随机控制理论和解决财务决策问题的其他分析方法相比，解决模型假设的财务决策问题，强化学习（RL）的新发展能够充分利用具有更少模型假设的大量财务数据并改善复杂的金融环境中的决策。该调查纸目的旨在审查最近的资金途径的发展和使用RL方法。我们介绍了马尔可夫决策过程，这是许多常用的RL方法的设置。然后引入各种算法，重点介绍不需要任何模型假设的基于价值和基于策略的方法。连接是用神经网络进行的，以扩展框架以包含深的RL算法。我们的调查通过讨论了这些RL算法在金融中各种决策问题中的应用，包括最佳执行，投资组合优化，期权定价和对冲，市场制作，智能订单路由和Robo-Awaring。
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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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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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