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(cái)團(tuán)手中。對(duì)國內(nèi)企業(yè)而言，長期以來只能購買海外進(jìn)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(cè)平臺(tái)、米特爾曼教授的測(cè)試集上位列第一，成為我國第一個(gè)自主研發(fā)的商業(yè)級(jí)別求解器，我國求解器的測(cè)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(yùn)籌學(xué)會(huì)理事長、研究員胡旭東告訴科技日?qǐng)?bào)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(hù)的這一測(cè)試平臺(tái)，提供了多個(gè)商業(yè)和開源的數(shù)學(xué)規(guī)劃求解器的測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)，這一測(cè)評(píng)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(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

求解器像是運(yùn)籌學(xué)里的“芯片”

對(duì)于求解器，很多人都很陌生。那么到底什么是求解器?

“在運(yùn)籌學(xué)里，對(duì)于數(shù)學(xué)規(guī)劃求解器的定義是，針對(duì)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(jìn)行算法優(yōu)化的求解器，可以看作一個(gè)‘黑盒子’軟件系統(tǒng)。”胡旭東說，求解器就像是運(yùn)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(gè)個(gè)軟件。一個(gè)求解器可以衍生出很多垂直的場(chǎng)景，盡管這些場(chǎng)景看上去差別很大，但本質(zhì)上相通。救護(hù)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(yùn)籌學(xué)模型與機(jī)器學(xué)習(xí)將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型求解。”胡旭東說。

國計(jì)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(jì)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(gè)物流機(jī)器人的行進(jìn)路線該如何實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)，才能實(shí)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(gè)司機(jī)，才能實(shí)現(xiàn)路線最優(yōu)，讓司機(jī)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(jì)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(huì)產(chǎn)生惡性競(jìng)爭(zhēng)。”

斯坦福大學(xué)李國鼎工程講座教授、運(yùn)籌學(xué)專家葉蔭宇曾表示，云計(jì)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(jìn)入新階段，也離不開優(yōu)化算法的進(jìn)一步發(fā)展。而優(yōu)化算法想要實(shí)現(xiàn)自身作用，求解器是不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

進(jìn)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(jìn)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(cái)團(tuán)手中。對(duì)國內(nèi)企業(yè)而言，長期以來只能購買海外進(jìn)口產(chǎn)品。

胡旭東表示，對(duì)于各大企業(yè)而言，購買的進(jìn)口商業(yè)求解器不僅價(jià)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(duì)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(shí)，常常得不到最好的答案，‘黑盒子’永遠(yuǎn)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(duì)自主知識(shí)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(shí)積累。

耗時(shí)長、人才少制約自主求解器發(fā)展

求解器研發(fā)是一項(xiàng)耗時(shí)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?yàn)檫@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(yàn)。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(gè)數(shù)學(xué)上高度復(fù)雜的系統(tǒng)，以百萬行級(jí)別的代碼工程化地實(shí)現(xiàn)出來，是很多國外求解器團(tuán)隊(duì)走了30年的求索之路。計(jì)算速度和精度的每一點(diǎn)提升都需要無數(shù)的思考和嘗試，凝聚著研發(fā)團(tuán)隊(duì)的辛勤汗水和思維火花。

“要做可靠的求解器，時(shí)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(gè)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(rèn)就需要這么長時(shí)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(shí)間。“投入幾千萬、十來個(gè)人去做一個(gè)軟件，但3年后還不一定能出結(jié)果，面臨的現(xiàn)實(shí)壓力是很大的。”

除了時(shí)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(rèn)為，開發(fā)求解器的人才需要具備3個(gè)特點(diǎn)。第一是數(shù)學(xué)功底好，優(yōu)化算法功底扎實(shí);第二是代碼能力強(qiáng)，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(yàn)。“高校培養(yǎng)的學(xué)生，最大的弱點(diǎn)是解決多方面問題的綜合能力不足。另外高校團(tuán)隊(duì)欠缺承續(xù)性，雖然代碼都會(huì)寫，但是一旦一位核心人才離開團(tuán)隊(duì)，研發(fā)就會(huì)受到較大影響。而國內(nèi)企業(yè)培養(yǎng)人才又有點(diǎn)急功近利，等不起一個(gè)人才慢慢成熟。”葛冬冬說。

關(guān)鍵詞： 數(shù)學(xué)規(guī)劃求解器 國產(chǎn)化