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
187 0
|
6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)
|
6月前
|
人工智能 自然语言处理 达摩院
MindOpt 云上建模求解平台:多求解器协同优化
数学规划是一种数学优化方法,主要是寻找变量的取值在特定的约束情况下,使我们的决策目标得到一个最大或者最小值的决策。
|
29天前
|
机器学习/深度学习 算法 数据可视化
如果你的PyTorch优化器效果欠佳,试试这4种深度学习中的高级优化技术吧
在深度学习领域,优化器的选择对模型性能至关重要。尽管PyTorch中的标准优化器如SGD、Adam和AdamW被广泛应用,但在某些复杂优化问题中,这些方法未必是最优选择。本文介绍了四种高级优化技术:序列最小二乘规划(SLSQP)、粒子群优化(PSO)、协方差矩阵自适应进化策略(CMA-ES)和模拟退火(SA)。这些方法具备无梯度优化、仅需前向传播及全局优化能力等优点,尤其适合非可微操作和参数数量较少的情况。通过实验对比发现,对于特定问题,非传统优化方法可能比标准梯度下降算法表现更好。文章详细描述了这些优化技术的实现过程及结果分析,并提出了未来的研究方向。
24 1
|
4月前
|
人工智能 算法 调度
优化问题之如何选择合适的优化求解器
优化问题之如何选择合适的优化求解器
|
4月前
|
调度 决策智能
优化问题之优化求解器有哪些主要的评估特性
优化问题之优化求解器有哪些主要的评估特性
|
达摩院 调度
使用达摩院MindOpt优化交通调度_最大化通行量—线性规划问题
在数学规划中,网络流问题是指一类基于网络模型的流量分配问题。网络流问题的目标是在网络中分配资源,使得网络的流量满足一定的限制条件,并且使得某些目标函数最小或最大化。网络流问题通常涉及一个有向图,图中每个节点表示一个资源,每条边表示资源之间的关系。边上有一个容量值,表示该边上最多可以流动的资源数量。流量从源节点开始流出,经过一系列中间节点,最终到达汇节点。在这个过程中,需要遵守一定的流量守恒和容量限制条件。
|
6月前
|
存储 达摩院 调度
「达摩院MindOpt」优化FlowShop流水线作业排班问题
在企业在面临大量多样化的生产任务时,如何合理地安排流水线作业以提高生产效率及确保交货期成为了一个重要的问题。
「达摩院MindOpt」优化FlowShop流水线作业排班问题
MindOpt V1.0优化种植计划问题,新的建模方法
种植计划是指农业生产中针对不同农作物的种植时间、面积和种植方式等方面的规划安排。根据具体情况进行合理的规划和安排,以实现农作物的高产、优质和可持续发展。
MindOpt V1.0优化种植计划问题,新的建模方法
|
6月前
|
达摩院 自然语言处理 Java
MindOpt APL:一款适合优化问题数学建模的编程语言
本文将以阿里达摩院研发的MindOpt建模语言(MindOpt Algebra Programming Language, MindOptAPL,简称为MAPL)来讲解。MAPL是一种高效且通用的代数建模语言,当前主要用于数学规划问题的建模,并支持调用多种求解器求解。