开源线性规划求解器(Linear Programming solver)LP_Solve和CLP的PK

简介: 开源线性规划求解器(Linear Programming solver)LP_Solve和CLP的PK

01 Introduction

前几天老板让测一下一些open source LP solver的稳定性。先看看本次上场的主角:

  • lp_solve is a free (see LGPL for the GNU lesser general public license) linear (integer) programming solver based on the revised simplex method and the Branch-and-bound method for the integers. http://web.mit.edu/lpsolve/doc/
  • Clp (Coin-or linear programming) is an open-source linear programming solver. It is primarily meant to be used as a callable library, but a basic, stand-alone executable version is also available. It is designed to find solutions of mathematical optimization problems of the form. https://github.com/coin-or/clp
  • CPLEX Optimizer provides flexible, high-performance mathematical programming solvers for linear programming, mixed integer programming, quadratic programming and quadratically constrained programming problems. These solvers include a distributed parallel algorithm for mixed integer programming to leverage multiple computers to solve difficult problems.

CPLEX可不是open-source的哦,这里主要是作为baseline,这样就可以看看lp_solve和Clp跟目前state of the art commercial solver的差距了。

02 Setting

开始之前,还是先做一些准备工作。首先是测试数据集,本次测试了两个数据集:

数据集中的文件有些是.mps,部分solver可以直接读取。而NETLIB中的是compressed MPS,需要用他提供的工具进行解压。当然也可以从这里下载现成的:

https://github.com/zrjer/LP-TEST-PROBLEM-FROM-NETLIB/tree/master/netlib_mps

测试平台是ubuntu 18.04,lp_solve和clp用的是python调用,而CPLEX还是用Java调用的(别问,问就是使起来顺手),反正这些平台只是起到一个调用的作用,应该不会影响求解的时间(I think so~错了麻烦多多指正)。

然后讲讲python下怎么配置lp_solve和clp吧:

  • lp_solve
  • Clp
  • Clp是一个solver,Coin-or团队又为python开发了一个包叫CyLP(https://github.com/coin-or/CyLP) ,可以直接用来调用他们家的求解器 (CLP, CBC, and CGL),所以下面讲讲怎么装CyLP。
  • windows平台:直接pip install cylp,会自动安装clp等求解器。
  • linux平台:比较麻烦,需要用conda先安装cbc等求解器,具体方法参照CyLP的说明,比较麻烦。

然后把测试的code准备好,再写个shell脚本进行批量测试:

dir=MPS_Files
for file in $dir/*; do
    python lpsolve_run.py $file
done

意思是读取中的所有文件,然后挨个传入code里面让他跑,当然跑完了记得在程序中把一些结果记录一下哦。最后把code和脚本upload到服务器上,执行一下./run_lpsolve.sh,然后就可以安心去刷剧摸鱼等结果啦。

03 Computational Results

由于lpsolve只能使用单线程模式,因此在实验中也限制了CPLEX也只能使用单线程。关于表格一些列的说明:

  • variable: 模型中变量的个数。
  • constraint: 模型中约束的个数。
  • non_zero: 约束Ax=b中,矩阵A中非0元素的个数。
  • objective: 问题的目标值。
  • time: 求解所花的时间。

3.1 Netlib

一共有96个算例,其中有5个CPLEX读取错误(我也不知道为啥。。),剩下91个算例中(平均variable=2524,平均constraint=978,平均non_zero=14763):

  • cplex能全部解到最优,平均求解时间为0.48s(yyds?)。
  • lpsolve只求得了88个算例的最优解,这87个的平均求解的时间为0.89s。有三个算例在长时间内(大于2000s)无法得出可行解(表中标NA的单元格),手动终止了(用我导的话说,that's why lpsolve is free...)。
  • clp比lpsolve更稳定一点,得出的所有结果和cplex一致,时间上也低于lpsolve。
  • 不同的地方在表格中已经加粗了。

640.png微信图片_20220423182807.png微信图片_20220423182809.png微信图片_20220423182812.png

一些有趣的现象

对于E226.SIF这个case,对比了几个solver,求解结果分别如下:

  • 官方报告的optimal: -18.7519
  • cplex, gurobi, clp: -11.64
  • matlab: -18.7519
  • lpsolve: -25.86

会不会是模型解析的问题呢?我把他们的模型打出来看过了,模型都是一样的,只是求解的结果不一样。

至于为什么会这样,看到网上一个比较有趣的回答:

MIP solvers work with floating-point data. For problems such as yours that have wide variations in the magnitude in the data, this leads to round-off errors. Any LP solver will have to perform operations on this data that can amplify the problem. In some cases like your problem, this can make the solver conclude that the problem is infeasible when it isn't. When you fix variables, the solver does fewer floating point operations.

the commercial solvers solvers like Gurobi or cplex generally do a better job of working with numerically difficult data like yours. Gurobi has a parameter QuadPrecision that works with higher-precision floating point numbers. Most solvers have a parameter that will make the solver work better with numerically-difficult data. For example LPSolve has a parameter epsint that will make it relax what the it considers an integer. The default for the parameter is 10e-7, so 0.9999999 would be considered to be an integer, but 0.9999998 would not be. You can make this value larger, but you risk receiving unacceptable results.

You are experiencing a leaky abstrction. Your problem is technically in the scope of Mixed-Integer Programming, but MIP solvers are not designed to solve it. Mixed Integer Programming is an NP-Hard problem. It is impossible to have a solver that works quickly and reliably on all inputs. MIP solvers try to work well on problems that come from diverse areas like portfolio optimization, supply chain planning, and network flows. They aren't designed to solve cryptology problems.

出处:https://stackoverflow.com/questions/16001462/solving-an-integer-linear-program-why-are-solvers-claiming-a-solvable-instance

3.2 L1数据集

共34个cases,初步观察有以下的结论:

  • lpsolve和clp差不多,cplex依然领先很多。
  • 有好几个cases,几个solver得出的解不一样,表中标粗的部分。

微信图片_20220423182815.png微信图片_20220423182818.png

最后经过测试发现,CPLEX中的pre_solve有可能会影响到最后的结果,按理说不应该影响才是,摘一点官网的介绍:

Presolve consists in modifying the model to improve it so that it can be solved more efficiently.

CP Optimizer presolves the input model before search. Presolve consists in modifying the model to improve it so that it can be solved more efficiently. Presolve works by

  • simplifying the model by reducing linear constraints by removing redundancies and fixed expressions and
  • strengthening the model to achieve more domain reduction by aggregating constraints or factorizing common subexpressions.

As a consequence, the overall engine memory consumption can increase because an internal model is created to perform the improvement operations

有可能是solver的一些bug。在lpsolve中也遇到过,用pre_solve以后居然直接说问题infeasible了???interesting。

04 Conclusion

这里有份开源的榜单,里面测了更多的solver,数据也更加权威,可以看到有很多国产的solver在榜单中都取得了很不错的成绩,希望国产的MILP也快快提上日程。

http://plato.asu.edu/ftp/lpsimp.html

总结一下,作为开源免费的LP solver, clp是一个不错的选择,目前cylp也还在逐渐开发。Google的or tools没有测因为他们的python接口还没有很完善。lp_solve比较出名了,但是感觉还是不太稳定吧,帮助文档倒是写得不错。

相关文章
|
机器学习/深度学习 人工智能 运维
超参数调优河伯、组合优化器CompBO,华为诺亚开源贝叶斯优化库
超参数调优河伯、组合优化器CompBO,华为诺亚开源贝叶斯优化库
196 0
|
7月前
|
达摩院 Linux 决策智能
阿里达摩院MindOpt优化求解器-月刊(2024年3月)
### MindOpt 优化求解器月刊(2024年3月) - 发布亮点:MAPL建模语言升级至V2.4,支持云上无安装使用和向量化建模语法。 - 新增功能:Linux用户可本地安装`maplpy`,并支持Python与MAPL混编。 - 实例分享:介绍背包问题的组合优化,展示如何在限定容量下最大化收益。 - 用户投稿:探讨机票超售时的最优调派策略,以最小化赔付成本。 - 加入互动:官方钉钉群32451444,更多资源及。 [查看详细内容](https://opt.aliyun.com/)
132 0
阿里达摩院MindOpt优化求解器-月刊(2024年3月)
|
7月前
|
达摩院 Linux API
阿里达摩院MindOpt求解器V1.1新增C#接口
阿里达摩院MindOpt求解器发布最新版本V1.1,增加了C#相关API和文档。优化求解器产品是求解优化问题的专业计算软件,可广泛各个行业。阿里达摩院从2019年投入自研MindOpt优化求解器,截止目前经历27个版本的迭代,取得了多项国内和国际第一的成绩。就在上个月,2023年12月,在工信部产业发展促进中心等单位主办的首届能源电子产业创新大赛上,MindOpt获得电力用国产求解器第一名。本文将为C#开发者讲述如何下载安装MindOpt和C#案例源代码。
244 3
阿里达摩院MindOpt求解器V1.1新增C#接口
|
7月前
|
达摩院 开发者 容器
「达摩院MindOpt」优化形状切割问题(MILP)
在制造业,高效地利用材料不仅是节约成本的重要环节,也是可持续发展的关键因素。无论是在金属加工、家具制造还是纺织品生产中,原材料的有效利用都直接影响了整体效率和环境影响。
「达摩院MindOpt」优化形状切割问题(MILP)
|
7月前
|
机器学习/深度学习 达摩院
阿里达摩院MindOpt优化求解器-月刊(2024年4月)
【摘要】2024.04.30,阿里云发布了MindOpt优化求解器的新商品和功能。MindOpt现在已上架,提供超低价零售求解器,支持按需购买,可在阿里云平台上直接购买联网或不联网License。新版本V1.2发布,提升MILP性能,并增加PostScaling参数。此外,MindOpt Studio推出租户定制版,正处于邀测阶段。同时分享了使用MindOpt解决二分类SVM问题的案例。更多内容,可访问相关链接。
150 0
|
4月前
|
达摩院 供应链 安全
光储荷经济性调度问题【数学规划的应用(含代码)】阿里达摩院MindOpt
本文介绍使用MindOpt工具优化光储荷经济性调度的数学规划问题。光储荷经济性调度技术旨在最大化能源利用率和经济效益,应用场景包括分布式光伏微网、家庭能源管理系统、商业及工业用电、电力市场参与者等。文章详细阐述了如何通过数学规划方法解决虚拟电厂中的不确定性与多目标优化难题,并借助MindOpt云建模平台、MindOpt APL建模语言及MindOpt优化求解器实现问题建模与求解。最终案例展示了如何通过合理充放电策略减少37%的电费支出,实现经济与环保双重效益。读者可通过提供的链接获取完整源代码。
|
4月前
|
达摩院 BI 索引
切割问题【数学规划的应用(含代码)】阿里达摩院MindOpt
本文主要讲述了使用MindOpt工具对切割问题进行优化的过程与实践。切割问题是指从一维原材料(如木材、钢材等)中切割出特定长度的零件以满足不同需求,同时尽可能减少浪费的成本。文章通过实例详细介绍了如何使用MindOpt云上建模求解平台及其配套的MindOpt APL建模语言来解决此类问题,包括数学建模、代码实现、求解过程及结果分析等内容。此外,还讨论了一维切割问题的应用场景,并对其进行了扩展,探讨了更复杂的二维和三维切割问题。通过本文的学习,读者能够掌握利用MindOpt工具解决实际切割问题的方法和技术。
|
4月前
|
达摩院 算法 安全
智慧楼宇多目标调度问题【数学规划的应用(含代码)】阿里达摩院MindOpt
本文探讨了使用MindOpt工具优化智慧楼宇的多目标调度问题,特别是在虚拟电厂场景下的应用。智慧楼宇通过智能化技术综合考虑能耗、舒适度等多目标,实现楼宇设备的有效管理和调度。虚拟电厂作为多能源聚合体,能够参与电力市场,提供调峰、调频等辅助服务。文章介绍了如何使用MindOpt云上建模求解平台及MindOpt APL建模语言对楼宇多目标调度问题进行数学建模和求解,旨在通过优化储能设备的充放电操作来最小化用电成本、碳排放成本和功率变化成本,从而实现经济、环保和电网稳定的综合目标。最终结果显示,在使用储能设备的情况下,相比不使用储能设备的情形,成本节约达到了约48%。
|
4月前
|
达摩院 供应链 JavaScript
网络流问题--仓储物流调度【数学规划的应用(含代码)】阿里达摩院MindOpt
本文通过使用MindOpt工具优化仓储物流调度问题,旨在提高物流效率并降低成本。首先,通过考虑供需匹配、运输时间与距离、车辆容量、仓库储存能力等因素构建案例场景。接着,利用数学规划方法,包括线性规划和网络流问题,来建立模型。在网络流问题中,通过定义节点(资源)和边(资源间的关系),确保流量守恒和容量限制条件下找到最优解。文中还详细介绍了MindOpt Studio云建模平台和MindOpt APL建模语言的应用,并通过实例展示了如何声明集合、参数、变量、目标函数及约束条件,并最终解析了求解结果。通过这些步骤,实现了在满足各仓库需求的同时最小化运输成本的目标。
|
5月前
|
达摩院 安全 调度
网络流问题--交通调度【数学规划的应用(含代码)】阿里达摩院MindOpt
本文探讨了如何利用数学规划工具MindOpt解决交通调度问题。交通调度涉及网络流分析,考虑道路容量、车辆限制、路径选择等因素,以实现高效运行。通过建立数学模型,利用MindOpt云平台和建模语言MAPL,设定流量最大化目标并确保流量守恒,解决实际的调度问题。案例展示了如何分配车辆从起点到终点,同时满足道路容量约束。MindOpt Studio提供在线开发环境,支持模型构建和求解,帮助优化大规模交通调度。