在過去30余年中，世界領(lǐng)先的商業(yè)求解器一直掌握在一些海外企業(yè)及財團手中。對國內(nèi)企業(yè)而言，長期以來只能購買海外進口產(chǎn)品。

近日，我國自主研發(fā)的“杉數(shù)數(shù)學(xué)規(guī)劃求解器”在世界知名求解器公測平臺、米特爾曼教授的測試集上位列第一，成為我國第一個自主研發(fā)的商業(yè)級別求解器，我國求解器的測試速度躋身世界頂尖商業(yè)求解器之列。

“其速度比第二名快了40%多。”中國運籌學(xué)會理事長、研究員胡旭東告訴科技日報記者，由美國亞利桑那州立大學(xué)漢斯·米特爾曼教授所維護的這一測試平臺，提供了多個商業(yè)和開源的數(shù)學(xué)規(guī)劃求解器的測評數(shù)據(jù)，這一測評成為人們了解和選擇求解器的窗口，也被求解器業(yè)界奉為軟件性能排名的事實標(biāo)準(zhǔn)。

求解器像是運籌學(xué)里的“芯片”

對于求解器，很多人都很陌生。那么到底什么是求解器?

“在運籌學(xué)里，對于數(shù)學(xué)規(guī)劃求解器的定義是，針對多種已經(jīng)建立的線性、整數(shù)及各種非線性規(guī)劃模型，進行算法優(yōu)化的求解器，可以看作一個‘黑盒子’軟件系統(tǒng)。”胡旭東說，求解器就像是運籌學(xué)里的“芯片”，絕大多數(shù)復(fù)雜系統(tǒng)的決策問題都需要用到數(shù)學(xué)規(guī)劃求解器，來尋求最優(yōu)化的解決方案。

“求解器就好比是電腦的操作系統(tǒng)，解決不同問題的數(shù)學(xué)模型就是一個個軟件。一個求解器可以衍生出很多垂直的場景，盡管這些場景看上去差別很大，但本質(zhì)上相通。救護車調(diào)度、航班規(guī)劃、庫存優(yōu)化……這些從數(shù)據(jù)到?jīng)Q策的轉(zhuǎn)化工作，都可以利用運籌學(xué)模型與機器學(xué)習(xí)將實際問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型求解。”胡旭東說。

國計民生都需要用到“黑盒子”

“大規(guī)模數(shù)學(xué)規(guī)劃求解器關(guān)系到國計民生的眾多方面。”制造杉數(shù)數(shù)學(xué)規(guī)劃求解器的杉數(shù)科技公司創(chuàng)始人葛冬冬表示。

連鎖快餐店應(yīng)該如何選址，才能覆蓋盡可能多的人口?幾百個物流機器人的行進路線該如何實時設(shè)計，才能實現(xiàn)最高工作效率，又不發(fā)生碰撞?在打車系統(tǒng)中，乘客發(fā)出叫車需求，把這位乘客分配給哪個司機，才能實現(xiàn)路線最優(yōu)，讓司機和乘客全滿意……這些問題的解決都需要求解器來幫忙。而且問題求解規(guī)模越大，就越依賴于求解器這一神秘“黑盒子”。

葛冬冬舉例說，永輝超市現(xiàn)在在上海已經(jīng)有300多家店。此前，他們與杉數(shù)科技合作，用選址軟件做智能選址。“比如，今年計劃開50家店，明年開100家店，后年開150家店，利用求解器就可以算出這50家店該怎么開、開在哪，明年100家店該怎么開、開在哪，互相之間不會產(chǎn)生惡性競爭。”

斯坦福大學(xué)李國鼎工程講座教授、運籌學(xué)專家葉蔭宇曾表示，云計算、大數(shù)據(jù)與人工智能的井噴，出現(xiàn)了超大規(guī)模的大數(shù)據(jù)，這正是優(yōu)化算法繁榮的基礎(chǔ)，人工智能想要進入新階段，也離不開優(yōu)化算法的進一步發(fā)展。而優(yōu)化算法想要實現(xiàn)自身作用，求解器是不可缺少的一個環(huán)節(jié)。

進口產(chǎn)品無法定制、存在安全隱患

但是，在過去30余年中，這種高精度求解器高度依賴進口。世界領(lǐng)先的商業(yè)求解器一直掌握在一些海外企業(yè)及財團手中。對國內(nèi)企業(yè)而言，長期以來只能購買海外進口產(chǎn)品。

胡旭東表示，對于各大企業(yè)而言，購買的進口商業(yè)求解器不僅價格高昂，而且通常都是已經(jīng)經(jīng)過封裝、無法自主調(diào)整的算法代碼的“黑盒子”。

“以國家發(fā)展為例，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的電網(wǎng)、水利系統(tǒng)、鐵路、高速公路建設(shè)等都涉及到類似的大規(guī)模優(yōu)化算法問題，使用國際上成熟的商業(yè)求解器就意味著難以做出針對性改良，得到最優(yōu)結(jié)果。”胡旭東說，“由于不了解國外求解器系統(tǒng)，此前許多企業(yè)遇到特定問題時，常常得不到最好的答案，‘黑盒子’永遠是封閉的，甚至不知道數(shù)據(jù)的傳輸是否安全。”此外，軍事上的戰(zhàn)略資源調(diào)度、航空領(lǐng)域的戰(zhàn)略部署等關(guān)乎國家安全的問題，也對自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件有著根本性需求。無論從何種角度來說，這樣的軟件，國內(nèi)必須得有自己的核心技術(shù)知識積累。

耗時長、人才少制約自主求解器發(fā)展

求解器研發(fā)是一項耗時長、見效慢，不能發(fā)論文的基礎(chǔ)性工作。

“由于開發(fā)難度大、開發(fā)周期長、資金需求高等種種原因，國內(nèi)的優(yōu)化算法求解器此前幾乎處于空白狀態(tài)。因為這就好像研發(fā)一枚芯片，要想做出可以供企業(yè)使用的芯片，有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)門檻，需要千百次的試驗。求解器的開發(fā)也是一樣。”胡旭東說，求解器在技術(shù)層面要求非常高，將一個數(shù)學(xué)上高度復(fù)雜的系統(tǒng)，以百萬行級別的代碼工程化地實現(xiàn)出來，是很多國外求解器團隊走了30年的求索之路。計算速度和精度的每一點提升都需要無數(shù)的思考和嘗試，凝聚著研發(fā)團隊的辛勤汗水和思維火花。

“要做可靠的求解器，時間是必須要投入的。整數(shù)求解器部分我們做了2年以上，但整個預(yù)期是3—4年。國外的那些企業(yè)做的都是迭代的求解器，大家公認就需要這么長時間。”葛冬冬稱，國內(nèi)做求解器，大多數(shù)公司往往等不了這么長的時間。“投入幾千萬、十來個人去做一個軟件，但3年后還不一定能出結(jié)果，面臨的現(xiàn)實壓力是很大的。”

除了時間投入外，人才也成為制約求解器國產(chǎn)化的因素。葛冬冬認為，開發(fā)求解器的人才需要具備3個特點。第一是數(shù)學(xué)功底好，優(yōu)化算法功底扎實;第二是代碼能力強，有系統(tǒng)工程開發(fā)能力;第三是最好具有求解器開發(fā)經(jīng)驗。“高校培養(yǎng)的學(xué)生，最大的弱點是解決多方面問題的綜合能力不足。另外高校團隊欠缺承續(xù)性，雖然代碼都會寫，但是一旦一位核心人才離開團隊，研發(fā)就會受到較大影響。而國內(nèi)企業(yè)培養(yǎng)人才又有點急功近利，等不起一個人才慢慢成熟。”葛冬冬說。