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      這個關(guān)系國計民生的“黑盒子”數(shù)學(xué)規(guī)劃求解器 我們造出來了
      發(fā)布時間:2019-11-26 10:14:35 文章來源:科技日報
      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

      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。

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