MIP精确算法的关键——确定界-编程知识

1.界是什么？

2. 如何更新上下界

2.1 以分支定界为框架的一系列算法

2.2 benders分解

MIP精确算法包含，分支定界、分支切割、分支定价还有benders分解等等。前者是以分支定界为框架的一类算法；后者是以分解为框架的一类算法。甚至还包括拉格朗日松弛等等，我觉得除了算法细则需要搞清楚外，更关键的是弄懂界。

因为拉格朗日算法目前不熟，所以下面我具体总结分支定界的一类算法和benders分解算法界的确定原则。

本篇以min问题为例。

1.界是什么？

界包含上界UB，和下界LB。

我们做启发式算法的时候，有时候会被审稿专家提一个问题，就是你这个算法质量没有保证，所以一般我们会提供一个下界作为参考。比如：调度问题中，不相关并行机问题，我们松弛为相同的机器，以工件j在所有机器的最小加工时间 $min_{i\in I}\left \{ p_{ij} \right \}$ 为工件的加工时间 $\bar{p}$ ，然后叠加就可以得到一个总完工时间，这个就可以作为原问题的下界。

在精确算法中，我们会得到一个UB，和一个LB，不断提升LB，降低UB。当UB=LB的时候，我们就得到了最优解。换句话说，界和终止条件有关。

（1）UB是整数可行解，但我们降低UB的时候，就是找到更好可行解更新。

（2）LB是松弛解，像以分支定界为框架的一系列算法中，主要采用的是线性松弛解，因为约束减少，因此解的质量至少不差于（好于）原问题的解，原问题是min，不差于（好于）就是更小，即LB。

而拉格朗日松弛，采用的是不同于线性松弛的松弛方法，得到的LB更好，通常拉格朗日松弛的解≥线性松弛的解。

2. 如何更新上下界

当我们了解UB和LB了之后，下一个问题是：

（1）用什么来更新？以及

（2）更新的过程怎么保证不丢失信息，确保更新UB和LB之后得到的是精确最优解呢？

2.1 以分支定界为框架的一系列算法

先来说以分支定界为框架的一系列算法：

它的本质是隐枚举，通过剪支的操作来避免全枚举。剪支分为：不可行剪支（线性松弛后可行域变大了还不可行，那可行域是子集的原问题必定也不可行）、最优性剪支（已经是整数解了，没必要分支了）、和定界剪支（因为线性松弛后解更小，当线性松弛后解超过了UB，那肯定不松弛解更超过UB，也就是不会产生更好的解了）。

可以看到定界剪支与界（准确的说是LB）相关，以及我们在求解过程中需要不断更新，和比较UB和LB，因此界很重要。

编程的时候怎么实现呢？

我们需要定义一系列的界，包含全局UB&LB（上面说的都是这个）；以及当前节点的UB&LB（为了比较和替换，也是为了更清晰的展示每个点的上下界信息）；以及储存在每次迭代过程中UB&LB（比如我们想查看上下界怎么变化，就需要用到它，智能算法中显示全局解随迭代次数变化的迭代曲线一样的意思）。

总结一下，需要用到global_UB，global_LB；node.local_LB，node.local_UB，以及Global_UB_change，Global_LB_change。

后续我们需要对以上变量进行更新，具体的做法是：

（1）首先肯定是要预定义：

global_UB=正无穷，global_LB=原问题线性松弛的解；

node.local_LB=global_LB，node.local_UB=正无穷；

Global_UB_change=[]，Global_LB_change = [].

（2）求解每一个叶子节点current_node，会得到它的解current_node.model.ObjVal。

（3）假如是整数解，且该解比之前可行解都好，即current_node.model.ObjVal<global_UB，那么用current_node.model.ObjVal替换global_UB；

假如不是整数解，即小数解，不需要进行任何操作。

# update the LB and UB
if (is_integer == True):feasible_sol_cnt += 1  # 整数可行解的计数# For integer solution node, update the LB and UBcurrent_node.is_integer = Truecurrent_node.local_LB = current_node.model.ObjValcurrent_node.local_UB = current_node.model.ObjVal# if the solution is integer, update the UB of global and update the incumbentif (current_node.local_UB < global_UB):  # 整数可行解更优，更min，则更新上界，同时更新当前最好的整数可行解incumbent_nodeglobal_UB = current_node.local_UBincumbent_node = Node.deepcopy_node(current_node)if (is_integer == False):# For integer solution node, update the LB and UB alsocurrent_node.is_integer = Falsecurrent_node.local_UB = global_UBcurrent_node.local_LB = current_node.model.ObjVal

（可以看到每个点current_node的下上界信息也进行了更新，是为了展示各个节点的上下界情况。整数节点，上下界相等，都为current_node.model.ObjVal；非整数节点，上界为global_UB，下界为本身（因为是松弛解））。

（4）因为我们在分支的时候，把所有的子节点（一系列模型）放在队列Queue中，因此我们探测这些叶子节点的信息，来更新全局下界（是所有叶子节点解的最小值）>>>>（是保证不缺失信息的关键）。

注意：上界UB可以用更好的可行解信息来代替，但是下界LB不能，下界LB要全部探测所有节点方可确定。

# update the global LB, explore all the leaf nodes
temp_global_LB = np.inf
for node in Queue:node.model.optimize()if (node.model.status == 2):if (node.model.ObjVal <= temp_global_LB and node.model.ObjVal <= global_UB):temp_global_LB = node.model.ObjVal  # 下界是剩余节点集合Q中节点对应的LP中obj的最小值

（5）更新全局LB和UB，更新界的迭代信息列表Global_UB_change，Global_LB_change

global_LB = temp_global_LB
Global_UB_change.append(global_UB)
Global_LB_change.append(global_LB)

可以看到，全局UB直接更新（出现好的就更新，类似于我们说的贪婪更新），而下界LB是探测所有。然后把每次迭代过程中的全局UB和LB放在界的迭代列表Global_UB_change，Global_LB_change中，因为我们在先前已经比较过了，因此LB一定是增大（因为我们不断添加界，相当于可行域变小，所以即使探测所有节点，解一定是变大的，不会出现更小的情况），UB一定是减小的。

（6）当所有节点都探测完毕，别忘了再更新下全局上下界和界的迭代信息列表。

# all the nodes are explored, update the LB and UB
incumbent_node.model.optimize()
global_UB = incumbent_node.model.ObjVal
global_LB = global_UB
Gap = round(100 * (global_UB - global_LB) / global_LB, 2)
Global_UB_change.append(global_UB)
Global_LB_change.append(global_LB)

我们知道分支切割，和分支定价是在分支定界的基础上进行的，界的更新过程差不多。区别是分支数的样子。

2.2 benders分解

benders分解的初衷是因为原模型中含有两类变量，复杂变量和简单变量。它们之间具有耦合关系，所以我们想的是把它们拆开，复杂变量和简单变量分开，分成两个问题/模型，即我们说的主问题和子问题。但分开后的两个模型之间要建立一定的联系，才能和原模型等价。具体的做法是加约束（可行割和最优割），即缺失的信息。也就是说原模型等价于主问题+一系列的割。这些割是不断添加的，因此benders分解被也称为行生成。

所以我们可以看到，benders分解的关键在于，如何分解为主问题和子问题。以及界是如何更新的。

本篇我们主要谈界的更新，benders算法中界主要和算法终止条件有关。以下谈具体思路。

假设复杂变量是y，简单变量是x。

（1）则主问题MP是只看y，无视/忽略x（x相关的信息，即x对y的影响反映在不断添加的割上），目标函数是min(fy+q)，其中q是原始模型中目标函数min(fy+cx)中关于x的部分cx的下界；

（2）子问题SP是给了一个具体的y_bar后关于x的模型，目标函数是min(cx)。

以下是关于UB和LB的详细说明：

（1）因为子问题是给一个具体的y_bar后求解的得到x值的模型，因此该解必定是原问题的一个可行解，也就是子问题给出了一个上界UB=fy+Q(y)。

注：子问题的Q(y)其实子问题对偶问题的目标函数值。当子问题对偶问题最优，即子问题最优，目标函数值是相同的。

（2）再来考虑主问题，因为忽略了x，也就是对问题进行了松弛，并没有把x对y的影响全部加回来，即约束少，可行域变大（本质是松弛），因此解不弱于原来模型的解，即主问题给出了一个下界LB=fy+q。

（3）当上界UB=下界LB时，fy+Q(y)=fy+q，也就是Q(y)=q。因此判断原问题是否最优的方法是：查看主问题的q取值和子问题的Q(y)取值是否相同。

a) 当子问题最优时，即得到了一个可行解，UB=min{UB, fy+Q(y)}；

b) 添加割后求解主问题，得到的就是LB。