franklina m. b. toledo / alysson m. costa - icmc/usp programação inteira decomposição de benders
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Franklina M. B. Toledo / Alysson M. Costa - ICMC/USP
Programação inteira
Decomposição de Benders
FMBT/ AMC
Decomposição de BendersBenders, J. F.Partitioning Procedures for Solving Mixed Variables Programming ProblemsNumerische Mathematik, 1962, 4, 238-252
FMBT/ AMC
Parágrafo 1 - Problema
FMBT/ AMC
Parágrafo 2 - Contexto
FMBT/ AMC
Parágrafo 3 - Aplicação
FMBT/ AMC
Restrições de acoplamento
Decomposição de Benders (estrutura em blocos)
FMBT/ AMC
Nas palavras de Geoffrion
volta
FMBT/ AMC
Decomposição de Benders
com
plica
ting
varia
ble
s
FMBT/ AMC
Benders decomposition - aplicação imediata
• x - variáveis reais• y - variáveis inteiras
FMBT/ AMC
Benders decomposition - desenvolvimento
=
FMBT/ AMC
dual
Benders decomposition - desenvolvimento
Interessante: o espaço factível do problema dual independede y!
FMBT/ AMC
Espaço factível do dual
F
FMBT/ AMC
Espaço factível do dual + função objetivo
F dual ilimitado
FMBT/ AMC
dual
Dual ilimitado ? O que significa isso ?
Primal infactível!
Problema original infactível!
FMBT/ AMC
Queremos que o dual seja limitado
FMBT/ AMC
A solução é um dos pontos extremos. Qual ? Aquele que dá o maior valor!
FMBT/ AMC
Reformulação de Benders!
Problema reescrito unicamente em função das variáveis y e de uma variável real, z.
definição do Geoffrion
FMBT/ AMC
Reformulação de Benders!
• Problema ?
Número muito grande de restrições, uma vez que o número de pontos e raios extremos é geralmente muito grande!
FMBT/ AMC
• O que nos dá uma relaxação ? (em um problema de minimização)
– Limitante inferior– Além disso: uma solução "tentativa" y.
estratégia de resolução
FMBT/ AMC
Benders - Visão geral
y
FMBT/ AMC
Benders - Término!
yLP
UB
LP
UB
Master Problem Subproblem
Por que ?
FMBT/ AMC
Algoritmo
1. Resolva o problema MASTER(Atualize LP - Pare se UB-LB · )
2. Use a solução tentativa y no SUBPROBLEMA3. Se a solução do SUBPROBLEMA é infactível:
Gere um corte de infactibilidade e volte para 1.Se a solução do SUBPROBLEMA é factível:
(Atualize UB - Pare se UB-LB · )Gere um corte de optimalidade e volte
para 1.
FMBT/ AMC
Benders. Exemplo
Master
subproblem
FMBT/ AMC Retirado de: http://lyle.smu.edu/emis/8371/f07/conversion.pdf
FMBT/ AMC
Benders. Exemplosubproblem
dual subproblem
FMBT/ AMC
subproblema dual
Master
subproblema primal
FMBT/ AMC
Exemplo: solução
Sol: y = (0 3 1) x = (0 0 0)
y1 y2 y3 b1 b2 u1 u2 fact
LP UB
5 0 5 -62 -30
FMBT/ AMC
Exemplo: solução
Sol: y = (0 3 1) x = (0 0 0)
y1 y2 y3 b1 b2 u1 u2 fact
LP UB
5 0 5 -62 -30 1 1 n 7 -inf
FMBT/ AMC
Exemplo: solução
Sol: y = (0 3 1) x = (0 0 0)
y1 y2 y3 b1 b2 u1 u2 fact
LP UB
5 0 5 -62 -30 1 1 n 7 -inf
1 1 0 -4 4
FMBT/ AMC
Exemplo: solução
Sol: y = (0 3 1) x = (0 0 0)
y1 y2 y3 b1 b2 u1 u2 fact
LP UB
5 0 5 -62 -30 1 1 n 7 -inf
1 1 0 -4 4 1 0 n 3 -inf
FMBT/ AMC
Exemplo: solução
Sol: y = (0 3 1) x = (0 0 0)
y1 y2 y3 b1 b2 u1 u2 fact
LP UB
5 0 5 -62 -30 1 1 n 7 -inf
1 1 0 -4 4 1 0 n 3 -inf
0 3 1 0 0
FMBT/ AMC
Exemplo: solução
Sol: y = (0 3 1) x = (0 0 0)
y1 y2 y3 b1 b2 u1 u2 fact
LP UB
5 0 5 -62 -30 1 1 n 7 -inf
1 1 0 -4 4 1 0 n 3 -inf
0 3 1 0 0 0.5 1/3 s 3 3
FMBT/ AMC
Benders. Exemplo
1 2
1
2
3
u1
u2
y1 y2 y3 b1 b2 u1 u2 fact
LP UB
5 0 5 -62 -30 1 1 n 7 -inf
1 1 0 -4 4 1 0 n 3 -inf
0 3 1 0 0 0.5 1/3 s 3 3
FMBT/ AMC
Observações
Há maneiras de fazer com que o cplex nos forneça um raio quando a solução do dual é infactível.
Este raio não necessariamente é extremo!
(Isso pode ser uma boa coisa!)
FMBT/ AMC
Um clássico: Geoffrion and Graves, 1974
Geoffrion, A. M. & Graves, G. W.Multicommodity Distribution System Design By Benders DecompositionManagement Science, 1974, 20, 822-844
FMBT/ AMC
O problemaCap. 110
Fixed: $ 100Unitary: $2
Cap. 350Fixed: $ 500Unitary: $1
Cap. 60 $4Cap. 50 $3
Cap. 200 $4Cap. 110 $2
Demand: 50Demand: 20
Demand: 100Demand: 30
Demand: 50Demand: 60
$0
$5
$4
$2
$4 $3
$3 $2
$5 $3
$2 $3
$1 $2
$2 $3
FMBT/ AMC
Formulação
FMBT/ AMC
Formulação
decomposição
FMBT/ AMC
Decomposição
Master problem
formulação original
Subproblem
FMBT/ AMC
Re-otimização
Solução ótima do exemplo:
Cap. 200 $4Cap. 110 $2
Demand: 50Demand: 20
Demand: 100Demand: 30
Demand: 50Demand: 60
50 20
100 30
50 60
200 110
$3050
-e se o custo unitário do primeiro depósito baixasse de uma unidade ?- e se os custos de transporte aumentassem ?- e se...
FMBT/ AMC
Re-otimização
um aumento em c mantém e factíveis. Os cortes continuam válidos e a re-otimização pode ter um "hot start".
FMBT/ AMC
Seminal...
• Geoffrion e Graves previram diversas dificuldades da decomposição de Benders:
Grande número de iterações necessárias!
FMBT/ AMC
Duas extensões clássicas
• McDaniel e Devine• Magnanti e Wong
FMBT/ AMC
McDaniel e Devine
• McDaniel, D. & Devine, M.A modified Benders' partitioning algorithm for mixed integer programmingManagement Science, 1977, 24, 312-319
Master problem
Subproblem
FMBT/ AMC
McDaniel e Devine
• Qual a etapa mais demorada ?
Master problem
Subproblem
FMBT/ AMC
McDaniel e Devine
• Cortes gerados para o problema linear também são válidos para o problema inteiro!
FMBT/ AMC
McDaniel e Devine
•
Tradicional McDaniels e Devine
FMBT/ AMC
Mais extensões!
• Cortes de Pareto
Magnanti, T. L. & Wong, R. T.Accelerating Benders Decomposition: Algorithmic Enhacement and Model Selection CriteriaOperations Research, 1981, 23, 464-484
FMBT/ AMC
Pareto-Optimal Cuts
"Melhor corte" a cada iteração!
Dual
0 1
FMBT/ AMC
Pareto-Optimal Cuts
Dual
Dual
Keep the maximum cut for the current y
FMBT/ AMC
Outras extensões
• Muitas especializações podem ser feitas segundo o problema.
FMBT/ AMC
Especialização para projeto de redes
Costa, A. M.; Cordeau, J. & Gendron, B.Benders, metric and cutset inequalities for multicommodity capacitated network designComputational Optimization and Applications, 2008 (previsto)
FMBT/ AMC
Especialização para projeto de redes
• Multicommodity network flow
FMBT/ AMC
• Multicommodity network flow
Especialização para projeto de redes
FMBT/ AMC
Especialização para projeto de redes
• Multicommodity network flow subproblem
• dual
FMBT/ AMC
• Quando o problema Z(w) é limitado ?
Shortest path problem
FMBT/ AMC
Desigualdades validas
FMBT/ AMC
Shortest path problem
1 2 3
3
1 1
dual
FMBT/ AMC
Metric inequalities
Franklina M. B. Toledo / Alysson M. Costa - ICMC/USP
y46
y47
y58
u46 y46 + u47 y47 + u58 y58 ¸ d1 + d2
d2
d1
Cutset inequalities
FMBT/ AMC
Cutset inequalities
FMBT/ AMC
Resumo
FMBT/ AMC
ResultadosCosta, A. M.; Cordeau, J. & Gendron, B.Benders, metric and cutset inequalities for multicommodity capacitated network designComputational Optimization and Applications (forthcoming), 2008
FMBT/ AMC
Resumo
FMBT/ AMC
Aproveitando a fase linear
Costa, A. M.Models and algorithms for two network design problemsHEC - Université de Montréal, 2006
FMBT/ AMC
Aproveitando a fase linear
FMBT/ AMC
Aproveitando a fase linear
...
...
FMBT/ AMC
Resultados
InstanceN/A/K
Number of IP IterationsWithout Extra cuts With Extra
Cuts
10/35/10 19 8
10/35/25 7 6
10/35/50 3 3
10/60/10 10 5
10/60/25 341 11
10/82/10 101 13
10/83/25 98 5
FMBT/ AMC
Resultados
Extra Cuts – (N=10/A=83/K=25)
0
20
40
60
80
100
120
Incubent Ex. Fea. Ex. Inf. Mult. Aux
Nu
mb
er
of
IP It
era
tio
ns
Without
With
FMBT/ AMC
Resultados
• Generalizável!