
本文详细阐述了如何准确衡量 CP-SAT 求解器的优化进度,特别是通过 `ObjectiveValue` 和 `BestObjectiveBound` 计算最优性间隙。文章分析了简单比率法的局限性,并引入了适用于正负目标值的通用间隙计算公式,同时提供了代码示例和关键注意事项,帮助用户更专业地评估求解器性能。
在约束规划(CP)和混合整数规划(MIP)领域,评估求解器的优化进度是至关重要的。通常,我们希望了解当前找到的最佳解距离理论上的最优解还有多远。CP-SAT 求解器提供了 ObjectiveValue()(当前找到的最佳可行解的目标值)和 BestObjectiveBound()(目标值的最佳理论界限)这两个关键指标来辅助这一评估。
一种直观的进度衡量方法是计算目标值与最佳界限的比率,例如 100 * ObjectiveValue() / BestObjectiveBound()。然而,这种方法存在显著局限性:
这些局限性表明,需要一种更通用、更鲁棒的方法来计算求解器进度,即最优性间隙(Optimality Gap)。
最优性间隙是衡量当前最佳可行解与最佳理论界限之间差距的标准指标。它通常表示为百分比,反映了当前解距离最优解的相对距离。为了处理各种目标函数值(正、负、零),MIP 求解器通常采用以下通用公式来定义间隙:
通用最优性间隙公式: 对于最小化问题,目标是找到最小的 ObjectiveValue,而 BestObjectiveBound 是目标值的下限。 对于最大化问题,目标是找到最大的 ObjectiveValue,而 BestObjectiveBound 是目标值的上限。
一个鲁棒的间隙计算方法需要考虑目标值的符号和零值情况。参考商业求解器(如 CPLEX)的做法,一个广泛接受的、对符号和零值健壮的间隙公式如下:
$$ \text{Gap} = \frac{|\text{BestObjective} - \text{BestBound}|}{10^{-10} + |\text{BestObjective}|} $$
其中:
解释:
CP-SAT 中的应用: 在 CP-SAT 中,solver.ObjectiveValue() 对应于 BestObjective,solver.BestObjectiveBound() 对应于 BestBound。无论目标是最小化还是最大化,这个公式都能提供一个一致的间隙度量。
以下 Python 代码片段展示了如何在 CP-SAT 求解过程中计算并监控最优性间隙:
from ortools.sat.python import cp_model
def solve_and_monitor_gap():
model = cp_model.CpModel()
# 声明变量
x = model.NewIntVar(-10, 10, 'x')
y = model.NewIntVar(-10, 10, 'y')
# 添加约束
model.Add(x + y >= 5)
model.Add(x - y <= 3)
# 定义目标函数 (这里以最小化为例,但公式对最大化也适用)
# 尝试一个可能产生负值或零的目标函数
model.Minimize(3 * x - 2 * y)
solver = cp_model.CpSolver()
solver.parameters.log_search_progress = True # 打印求解进度
solver.parameters.num_workers = 8 # 可以根据需要调整并行工作数
# 定义一个自定义的解决方案回调函数来监控进度
class GapMonitor(cp_model.CpSolverSolutionCallback):
def __init__(self):
cp_model.CpSolverSolutionCallback.__init__(self)
self.__solution_count = 0
self.__initial_bound = None # 可以选择记录初始界限
def on_solution_callback(self):
self.__solution_count += 1
current_obj = self.ObjectiveValue()
best_bound = self.BestObjectiveBound()
# 记录初始界限(可选)
if self.__initial_bound is None:
self.__initial_bound = best_bound
# 计算最优性间隙
# 使用一个小的epsilon值来避免除以零,并处理目标值接近零的情况
epsilon = 1e-10
if abs(current_obj) < epsilon and abs(best_bound) < epsilon:
gap = 0.0 # 如果两者都接近零,则认为间隙为零
else:
gap = abs(current_obj - best_bound) / (epsilon + abs(current_obj))
print(f"Solution #{self.__solution_count}:")
print(f" ObjectiveValue: {current_obj}")
print(f" BestObjectiveBound: {best_bound}")
print(f" Optimality Gap: {gap:.4f} ({(gap * 100):.2f}%)")
print("-" * 30)
# 创建并注册回调
monitor = GapMonitor()
status = solver.Solve(model, monitor)
print("\nSolver finished.")
print(f"Solver status: {solver.StatusName(status)}")
if status == cp_model.OPTIMAL or status == cp_model.FEASIBLE:
print(f"Final Objective Value: {solver.ObjectiveValue()}")
print(f"Final Best Objective Bound: {solver.BestObjectiveBound()}")
final_obj = solver.ObjectiveValue()
final_bound = solver.BestObjectiveBound()
epsilon = 1e-10
if abs(final_obj) < epsilon and abs(final_bound) < epsilon:
final_gap = 0.0
else:
final_gap = abs(final_obj - final_bound) / (epsilon + abs(final_obj))
print(f"Final Optimality Gap: {final_gap:.4f} ({(final_gap * 100):.2f}%)")
else:
print("No solution found or problem is infeasible/unbounded.")
if __name__ == '__main__':
solve_and_monitor_gap()通过理解和正确应用最优性间隙的概念,并使用鲁棒的计算公式,开发者可以更准确、专业地评估 CP-SAT 求解器的性能和优化进度,无论目标函数是正、负还是零。
以上就是CP-SAT 求解器进度衡量与最优性间隙分析的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!
每个人都需要一台速度更快、更稳定的 PC。随着时间的推移,垃圾文件、旧注册表数据和不必要的后台进程会占用资源并降低性能。幸运的是,许多工具可以让 Windows 保持平稳运行。
Copyright 2014-2025 https://www.php.cn/ All Rights Reserved | php.cn | 湘ICP备2023035733号