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杉数科技创始人葛冬冬:“数学规划求解器”为什么需要国产化

2019-11-06 12:17:46

谈到数学解算器(以下简称“解算器”),如果它不是专业的,就很难理解它的含义和功能。然而,解决者对于解决一些复杂的问题非常有用。

例如,在2018年平昌冬奥会闭幕式上,无人驾驶机器人出现在中国接力棒八分钟的展示中,以一种科技感震惊了世界。如何计算这些机器人的运行路线,以确保这些机器人不会相互“碰撞”,同时效率最高,要解决这些问题,一个最优算法需要依靠求解器。

在运筹学中,数学规划求解器的定义是,为各种已建立的线性、整数和非线性规划模型优化算法的求解器可以被视为“黑盒”软件系统。

在过去的30年里,世界领先的商业求解器一直掌握在ibm和其他企业和财团手中,这也使得美国、英国和其他国家在求解器研发领域保持领先地位。

2015年,上海财经大学葛东东教授带领的科学家团队在服务国内电网需求的过程中,满足了解决方案本地化的要求。他开始组织一个团队,试图发展国内解决方案。

2016年,葛东东与斯坦福的几名博士生共同成立了杉山科技。通过为各种企业提供运筹学咨询和开发服务,他还将解决者的研发作为公司最核心的任务和未来的技术支持。

Sugi Technology是一家人工智能决策公司,依靠世界领先的深层数据优化算法和解决复杂决策模型的能力,致力于为企业提供解决方案。

2019年7月,为期3年的杉木科技研发项目copt发布,在知名第三方评估网站亚利桑那州立大学米特曼教授(professor mittelmann)设定的公开测试中,线性规划部分排名第一。这是国内第一个独立开发的业务级求解器。

“我们现在做的是踩在坑上。有许多算法迭代。这是一个相对纯粹的数学问题,或者说是一些纯粹的经验。你一年到头都没试过。你一遍又一遍地尝试各种事情。如果你没有积累足够的时间,你就不能把它拿出来。如果你不能尽快到达那里,那就没用了。”最近,葛东东在接受媒体采访时表示,包括澎湃,他为什么要在中国建立自己的团队。

为什么中国应该建立自己的商业解决方案?

“像国外更成熟的解决方案者一样,像ibm的cplex,像美国的gurobi,他们已经积累了几十年的经验,每个环节都已经优化到难以改进的程度。但现在我们只有一个非常粗略的算法,你真的不知道如何在每个细节上实现更高的效率。”杉机科技副总裁黄付琪告诉澎湃新闻。

杉山科技的成立是为了利用商业公司的力量更好地促进国内溶剂的应用。“起初,我们依靠学校的力量。凯达和杉基一起工作,花了两年时间来制作树叶。后来,我们也意识到这比我们预期的要困难得多。这需要很长时间,需要大量投资,需要高度的专业精神,并且不能发送文件。用成熟的国外商业软件pk基本上是不可能用学校来做的,所以我们后来发布了leaf作为开源软件,主要用于社区建设。后来,我们成立了一家公司,向外看,专门召集了一个由世界各地最有经验的中国人组成的团队,并从头开始开发了基数优化器(copt)。”葛东东说道。

皇甫琦表示,解算器中有许多基础软件,如操作系统、数据库和仿真系统。这些基本软件的难点不在数据上。数据确实存在,算法的基本框架也存在。然而,在实施中有许多困难。设计一个好的框架需要经验和能力,还需要清楚地了解细节。坦率地说,这些细节是坑。这些坑已经被外国人踩了30年了。专利文件中没有包括人们如何踩踏它们。我们只能一个接一个地踩坑。

谈团队在实际应用过程中遇到的“坑”。皇甫琦说:“正常情况下,我们写一个方程,然后找到一个解。这看起来很简单,但问题是一个有许多系数的方程。例如,系数是10的7次方和10的7次方,这是非常不同的。这时,当你用电脑计算时,电脑本身就会产生错误。如何处理这样的错误?事实上,我们这些从事数学工作的人以前从未想过这个问题,而从事计算机工作的人很少遇到这样极端的情况。然而,在实际应用中,外国解决者不会告诉你如何解决它,他们需要找到自己的解决方法。”

除了积累经验和破解解算器的内部“秘密”,解算器国有化的另一个重要原因是,在一些军事和基础设施领域,如航空和电网运营,使用国产解算器意味着更安全。当遇到贸易摩擦等不可抗力因素时,这些领域的企业可以有更多的选择。

此外,解决方案本地化的另一个原因是本地化后,国内企业可以根据自己的问题进行定制设计。由于不了解国外的求解系统,许多企业以前遇到过许多具体问题,往往无法得到最佳答案。求解器本地化后,杉山科技破解了“黑匣子”的秘密,可以根据企业的特殊问题进行定制选择。

解决者如何帮助企业解决问题?

在生活中,整数问题是最常见的数学问题。例如,超大型工厂的调度问题往往面临着生产资源和生产能力在拥有数万个备件和数百个车间的大型系统之间的分配和协调,未来几周的生产计划需要精确到每小时的水平。“我们已经帮助中国最大的电子和通信设备工厂以及汽车企业做了类似的事情。”葛东东说道。

除了工厂调度问题,在日常旅行中也有类似的问题需要解决。例如,当乘客在打车系统中请求出租车时,应该将乘客分配给哪个驾驶员,是选择最佳区域、分配给最近的现实,还是实现动态优化?考虑到音乐会将在几个小时后结束,可以预测音乐会周围地区对汽车的需求将会增加。那么,当前对汽车的需求如何才能通过整个城市的决策达到平衡状态,从而使每个人的满意度尽可能达到最大?

这些问题的解决可能需要大型动态规划系统来建模,而最终的解决方案通常需要线性整数规划来近似。求解器提供了这样一个计算系统。

让系统着陆的最好方法是在不同行业找到更多的合作伙伴并改进求解器。例如,在上海,永辉超市面临着如何选择门店地址的问题,以确保未来开业的新超市能够最好地抓住顾客的需求,不会影响其原有超市,也不会形成恶性竞争。

“永辉现在在上海有300多家店铺。从很早的阶段,他们就与Sugi合作,使用选址软件进行智能选址。例如,我计划今年开50栋房子,明年开100栋,明年开150栋。使用解算器,我们可以计算出如何打开这50栋房子,以及明年如何打开100栋房子。他们之间不会有恶性循环。这需要求解器对300家商店进行全局优化,建立线性集成规划系统,然后使用软件进行计算。最终的计算更接近于全局优化,而不仅仅是局部优化。”葛东东说道。

除了智能定位,解算器还可以在电网、航空、物流等领域发挥巨大作用。例如,电网中机组组合优化、调度优化、无功优化甚至现货市场计算的核心算法基本上需要求解器来驱动。其次是航空中飞机、飞行员和乘务员的日常调度,以及资金条件下调度的调整和重新规划。在物流中,配送路线和车辆的调度和规划,以及许多行业服务人员的日常路线规划,都是传统上解决者可能发挥重要作用的领域。

国内解决者的未来挑战是什么?

杉山爱科技成立三年来,帮助合作伙伴解决了一些问题,但也遇到了许多挑战。

谈到国内解决者未来面临的挑战,葛东东说,最重要的是时间。“在我们建立团队后,我们发现我们真的需要成为一个可靠的求解者。我们发现必须投入时间。这东西必须随着时间积累。我们在整数解算器部分已经工作了两年多,但是在第一个版本发布之前,整个预期是3-4年。相比之下,对于世界上这么多的企业来说,他们所做的不仅仅是一个版本,还包括迭代。人们普遍认为这需要很长时间。”

然而,在中国制造溶剂的过程中,往往不可能等这么长时间。“如果你在三年内什么也得不到,你可以告诉你的领导,你已经投资了数千万人来制作一个软件,但是要得到一个不安全的结果需要三年时间。谁会向你保证没有领导者会同意你这样做。因此,如果一个人真的想做这样的事情,真正的压力是非常大的。”葛东东说:“幸运的是,杉木的数量可能在一开始就设定了它的使命,无论成败都应该这样做。它对求解器的开发困难有足够的期望。”

除了时间投资,人才也成为制约解决者本地化的一个因素。皇甫琦认为,培养解决者所需的人才有三个特点。一是数学基础好,优化算法基础扎实,二是代码和系统工程开发能力强。第三,最好有规划求解开发经验。“对于在大学接受过培训的学生来说,最大的问题可能是学生们不能关注所有方面。他们不知道求解器中有什么洞。然而,国内企业对人才培养的快速成功和立竿见影有点渴望,不能等到人才慢慢成熟。”皇甫琦说道。