JP2008059146A - Search device for state space and search method for state space - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、非線形組合せの最適解を求める状態空間の探索装置及び状態空間の探索方法に関するものである。 The present invention relates to a state space search apparatus and a state space search method for obtaining an optimal solution of a nonlinear combination.
従来の組合せ最適化手法として、例えば、非特許文献1には、タブーサーチ法を採用したものが記載されている。
非線形組合せ最適化問題は、組合せ最適化問題における各状態の連続変数を連続系最適化手法により決定する2重の最適化問題として扱うことが一般的であり、従来技術においても、組合せ最適化手法として非特許文献1に示されるようなタブーサーチ法や、連続系最適化手法として内点法を用いた二次計画法を採用している。
As a conventional combinatorial optimization technique, for example, Non-Patent
The nonlinear combinatorial optimization problem is generally handled as a double optimization problem in which continuous variables in each state in the combinatorial optimization problem are determined by a continuous system optimization method. As shown in
しかしながら、現実的な非線形組合せ最適化問題では、1つの状態(離散変数と連続変数の集合)に対して、その組合せ(離散変数)の1箇所以上を変更して得られる隣接状態の数は、数十から数百以上存在し、また1つの状態について連続系最適化手法で最適化すべき連続変数の数は、数千から数万、あるいはそれ以上存在することが一般的であり、内点法を用いた二次計画法を全ての状態に対する連続変数の最適化方法として適用する従来の技術では、個々の状態に対する連続変数の算出に多大な処理時間を要することとなり、その結果、状態空間の探索範囲が限られるという問題があった。 However, in a realistic nonlinear combinatorial optimization problem, for one state (a set of discrete variables and continuous variables), the number of adjacent states obtained by changing one or more locations of the combination (discrete variables) is In general, there are several tens to several hundreds, and the number of continuous variables that should be optimized by a continuous optimization method for one state is typically thousands to tens of thousands, or more. In the conventional technique that applies the quadratic programming method using the above as a method for optimizing continuous variables for all states, it takes a lot of processing time to calculate continuous variables for individual states. There was a problem that the search range was limited.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、状態に対する連続値(連続変数)の算出を効率的に行い、非線形組合せの最適化問題を効率的に解くことができる状態空間の探索装置及び状態空間の探索方法を得ることを目的にしている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can efficiently calculate a continuous value (continuous variable) with respect to a state and efficiently solve an optimization problem of a non-linear combination. It is an object of the present invention to obtain a state space search device and a state space search method.
この発明に係わる状態空間の探索装置においては、複数の離散値の組合せと、離散値の組合せに対応して決定される連続値とを併せ持つ状態からなる状態空間の中を、初期の着目状態から出発し、着目状態の組合せを変更して得られる隣接状態の中から遷移すべき状態を決定して次の着目状態とする処理を順次繰返し、評価関数値が最良の状態を探索する状態空間の探索装置において、着目状態に対して、内点法を用いた二次計画法により連続値の最適化を行う着目状態評価手段、及び隣接状態に対して、着目状態評価手段による連続値の最適化によって得られた解を初期値として、Active−set法を用いた二次計画法により連続値の最適化を行う隣接状態作成・評価手段を備えたものである。 In the state space search device according to the present invention, a state space consisting of a state having both a combination of a plurality of discrete values and a continuous value determined corresponding to the combination of the discrete values is determined from the initial state of interest. The state space in which the evaluation function value is searched for is determined by sequentially repeating the process of determining the state to be transitioned from the adjacent states obtained by changing the combination of the target states and setting the next target state. In the search device, the target state evaluation unit that optimizes the continuous value by the quadratic programming method using the interior point method for the target state, and the continuous value optimization by the target state evaluation unit for the adjacent state As an initial value, an adjacent state creation / evaluation means for optimizing continuous values by a quadratic programming method using the Active-set method is provided.
この発明は、以上説明したように、複数の離散値の組合せと、離散値の組合せに対応して決定される連続値とを併せ持つ状態からなる状態空間の中を、初期の着目状態から出発し、着目状態の組合せを変更して得られる隣接状態の中から遷移すべき状態を決定して次の着目状態とする処理を順次繰返し、評価関数値が最良の状態を探索する状態空間の探索装置において、着目状態に対して、内点法を用いた二次計画法により連続値の最適化を行う着目状態評価手段、及び隣接状態に対して、着目状態評価手段による連続値の最適化によって得られた解を初期値として、Active−set法を用いた二次計画法により連続値の最適化を行う隣接状態作成・評価手段を備えたので、解の精度を落とすことなく高速に状態の連続値を求めることが可能となり、限られた処理時間の中でより広範な状態空間を探索することができる。 As described above, the present invention starts from an initial state of interest in a state space consisting of a state having a combination of a plurality of discrete values and a continuous value determined corresponding to the combination of discrete values. , A state space search device that sequentially repeats the process of determining the state to be transitioned from adjacent states obtained by changing the combination of the target states and setting the next target state, and searching for the state with the best evaluation function value In the target state evaluation means that optimizes the continuous value by the quadratic programming method using the interior point method for the target state and the continuous value optimization by the target state evaluation means for the adjacent state. As an initial value, the adjacent state creation / evaluation means that optimizes the continuous value by the quadratic programming method using the Active-set method is provided, so that the state continuation can be performed at high speed without reducing the accuracy of the solution. Seeking a value Possible and it is possible to explore the broader state space in a limited processing time.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による状態空間探索装置を示すブロック図であり、タブーサーチ法を用いた状態空間探索装置200が示されている。
図1において、入力情報100として、状態空間探索装置200において、状態空間探索を行う上で必要となる情報が、LANなどの通信手段、あるいはGUI(Graphical User Interface)を通じて状態作成用データベース7に入力される。
状態作成データ読込み部1は、状態空間の探索の出発点となる状態を着目状態として初期設定する機構であり、状態作成用データベース7から、状態を作成するために必要となるデータを抽出し、初期の着目状態ならびに最良状態の評価関数値の初期値を設定すると共に、以降の着目状態評価部2から探索継続判定部5までの繰返し処理における繰返し回数カウンタLの初期設定を行う。
ここで、状態空間は、複数の離散値からなる組合せと、この離散値の組合せに対応して決定される連続値とを併せ持つ状態からなる。例えば、離散値を設備の台数とすると、連続値はその設備の燃料費などであり、この連続値は、全体の設備の組み合せに対応して個々の設備の燃料費が決定される。状態空間の探索とは、全体の燃料費が最小となる状態、すなわち全体の評価関数値が最小の状態を探索するものである。
FIG. 1 is a block diagram showing a state space search apparatus according to
In FIG. 1, information necessary for performing a state space search in the state
The state creation
Here, the state space is composed of a state having both a combination of a plurality of discrete values and a continuous value determined corresponding to the combination of the discrete values. For example, when the discrete value is the number of facilities, the continuous value is the fuel cost of the facility, and the continuous value is determined as the fuel cost of each facility corresponding to the combination of the entire facilities. The search of the state space is a search for a state where the overall fuel cost is minimum, that is, a state where the overall evaluation function value is minimum.
着目状態評価部2(着目状態評価手段、第一の手順)は、内点法を用いた二次計画法により着目状態における連続値の最適化(全体の組み合せに対応した個々の連続値の決定)を行うと共に、この着目状態の評価を行う(評価関数値を求める)機構であり、連続値の最適化結果を、後述する隣接状態作成・評価部3および状態遷移部4において使用するActive−set法を用いた二次計画法の初期値として、Active−set法初期値データベース9に保存する。
また、評価した着目状態がそれまでに探索した着目状態の中で最も良い評価関数値を持つ場合は、その着目状態を最良状態として最良解保存データベース8に保存する。
The focused state evaluation unit 2 (focused state evaluation means, first procedure) optimizes the continuous values in the focused state by the quadratic programming method using the interior point method (determining individual continuous values corresponding to the overall combination) ) And the evaluation of the state of interest (determining an evaluation function value), and the result of the optimization of the continuous value is used in the adjacent state creation /
If the evaluated state of interest has the best evaluation function value among the states of interest searched so far, the state of interest is stored in the best
隣接状態作成・評価部3(隣接状態評価手段、第二の手順)は、タブーリストデータベース11を参照し、着目状態から1箇所以上異なる組合せを持つ隣接状態の中から、タブーリストにより作成を禁止されていない隣接状態を作成して、Active−set法初期値データベース9に保存されている初期値を用いて、隣接状態の連続値の最適化を行うと共に、隣接状態に対する評価を行う機構であり、着目状態から隣接状態へ状態遷移するために必要な隣接状態種別、組合せ変更箇所などの状態変更情報ならびに隣接状態の評価関数値を、隣接状態データベース10に保存する。
The adjacent state creation / evaluation unit 3 (adjacent state evaluation means, second procedure) refers to the
状態遷移部4は、隣接状態データベース10に保存されている隣接状態データのうち、評価関数値が最も良い隣接状態を次の着目状態に設定する機構である。また、着目状態から次の着目状態に遷移するために必要となる隣接状態種別、組合せ変更箇所などの状態変更情報をタブーリストデータベース11に保存すると共に、それまでの探索において保存されていたタブーリストの更新を行う。
探索継続判定部5は、着目状態評価部2から探索継続判定部5までの繰返し処理における繰返し回数Lが、繰返し最大数LMAXを超えたかどうかを判定する。
最適状態出力部6は、着目状態評価部2から探索継続判定部5までの繰返し処理の中で得られた最良状態を最良解保存データベース8から抽出し、最適解として出力情報101に出力する。
The
The search
The optimum
図2は、この発明の実施の形態1による状態空間探索装置の状態作成データ読込み部の処理を示すフローチャートである。
図3は、この発明の実施の形態1による状態空間探索装置の着目状態評価部の処理を示すフローチャートである。
図4は、この発明の実施の形態1による状態空間探索装置の隣接状態作成・評価部の処理を示すフローチャートである。
図5は、この発明の実施の形態1による状態空間探索装置の状態遷移部の処理を示すフローチャートである。
図6は、この発明の実施の形態1による状態空間探索装置の探索継続判定部の処理を示すフローチャートである。
図7は、この発明の実施の形態1による状態空間探索装置の最適状態出力部の処理を示すフローチャートである。
FIG. 2 is a flowchart showing processing of the state creation data reading unit of the state space search apparatus according to
FIG. 3 is a flowchart showing the processing of the focused state evaluation unit of the state space search apparatus according to
FIG. 4 is a flowchart showing processing of the adjacent state creation / evaluation unit of the state space search apparatus according to
FIG. 5 is a flowchart showing processing of the state transition unit of the state space search apparatus according to
FIG. 6 is a flowchart showing processing of the search continuation determination unit of the state space search apparatus according to
FIG. 7 is a flowchart showing processing of the optimum state output unit of the state space search apparatus according to
図8は、この発明の実施の形態1による状態空間探索装置の物理イメージを示す図である。
図8において、記憶媒体202は、7〜11のデータベースを有している。CPU201は、1〜6の各プログラムを有し、記憶媒体202と接続されている。
FIG. 8 is a diagram showing a physical image of the state space search apparatus according to
In FIG. 8, the
次に、状態作成データ読込み部1の処理について、図2のフローチャートを用いて説明する。
ステップS11で、探索を行うためのデータを入力する。ステップS12では、ステップS11で入力したデータを元に着目状態の初期設定を行う。次いで、ステップS13で、最良解の評価関数値を初期設定する(最小化問題であれば十分大きな値、最大化問題であれば十分小さな値を設定する)。次いで、ステップS14で、着目状態評価部2から探索継続判定部5までの繰返し処理における繰返しカウンタLを初期設定する。
Next, processing of the state creation
In step S11, data for searching is input. In step S12, an initial state of interest is set based on the data input in step S11. Next, in step S13, the evaluation function value of the best solution is initialized (a sufficiently large value is set for a minimization problem and a sufficiently small value is set for a maximization problem). Next, in step S14, an iterative counter L in the iterative process from the focused
次に、着目状態評価部2について、図3のフローチャートを用いて説明する。
ステップS21で、内点法を用いた二次計画法により、着目状態の組み合せに対応して個々の連続値を決定する。ステップS22で、内点法を用いた二次計画法で得られた解を、Active−set法を用いた二次計画法の初期値として保存する。
Next, the focused
In step S21, individual continuous values are determined corresponding to the combination of the state of interest by the quadratic programming method using the interior point method. In step S22, the solution obtained by the quadratic programming method using the interior point method is stored as an initial value of the quadratic programming method using the Active-set method.
ここで、内点法ならびにActive−set法について説明する。
まず、内点法について説明する。内点法では、下記の標準形式の最適化問題を扱う。
Min f(x) (式1)
s.t. g(x) = 0 (式2)
x+s−ω = 0 (式3)
x ≧ 0 (式4)
s ≧ 0 (式5)
ただし、
si:xの要素xiの上限制約を等式制約に変換するために導入されたスラック変数
ω :xの上限値
Here, the interior point method and the Active-set method will be described.
First, the interior point method will be described. The interior point method handles the following standard form of optimization problems:
Min f (x) (Formula 1)
s. t. g (x) = 0 (Formula 2)
x + s−ω = 0 (Formula 3)
x ≧ 0 (Formula 4)
s ≧ 0 (Formula 5)
However,
s i : slack variable introduced to convert upper limit constraint of element x i of x into equality constraint ω: upper limit value of x
上記の標準形式には、関数型不等式制約が含まれないが、以下に示すように、スラック変数を導入することにより、関数型不等式制約は、関数型等式制約に変換可能であり、上記の標準形式は一般性を失わない。
hmin≦h(x)≦hmax → h(x)−s=0,hmin≦s≦hmax
また、上記の標準形問題では、xの範囲を0≦x≦ωとしているが(sに関しても同様)、これは、変数の座標原点をxminに移し、変数の伸縮を行うことにより実現できるため、一般性を失わない。上記問題の最適解においては、下記のKKT(Karush−Kuhn−Tucker)条件が満たされる必要がある。
The above standard form does not include functional inequality constraints, but by introducing slack variables, functional inequality constraints can be converted into functional inequality constraints, as shown below. The standard format does not lose generality.
h min ≦ h (x) ≦ h max → h (x) −s = 0, h min ≦ s ≦ h max
In the standard form problem, the range of x is 0 ≦ x ≦ ω (the same applies to s). This can be realized by moving the coordinate origin of the variable to x min and expanding / contracting the variable. Therefore, generality is not lost. In the optimal solution of the above problem, the following KKT (Karush-Kuhn-Tucker) condition needs to be satisfied.
g(x) = 0 (式7)
x+s−ω = 0 (式8)
xiλxi = 0 (式9)
siλsi = 0 (式10)
x ≧ 0 (式11)
s ≧ 0 (式12)
λx ≧ 0 (式13)
λs ≧ 0 (式14)
ただし、
μ:g(x)=0 に対応するラグランジュ乗数
ν:x+s−ω=0 に対応するラグランジュ乗数
λx:xの下限制約に対応するラグランジュ乗数
λs:sの下限制約に対応するラグランジュ乗数
g (x) = 0 (Formula 7)
x + s−ω = 0 (Formula 8)
x i λ xi = 0 (Equation 9)
s i λ si = 0 (Formula 10)
x ≧ 0 (Formula 11)
s ≧ 0 (Formula 12)
λ x ≧ 0 (Formula 13)
λ s ≧ 0 (Formula 14)
However,
μ: Lagrange multiplier corresponding to g (x) = 0 ν: Lagrange multiplier corresponding to x + s−ω = 0 λ x : Lagrange multiplier corresponding to the lower limit constraint of x λ s : Lagrange multiplier corresponding to the lower limit constraint of s
内点法は、変数x,s,λx,λsを非負の領域に留めながら、(式6),(式7),(式8),(式9),(式10)を同時に満たすx,μ,ν,λx,λsを解き、最適解を得る手法で、最適解の近似値を初期値として与える必要もなく、数万変数を超える大型問題に対しても数十回で収束するため、一般的には最も使い易い最適化手法である。 The interior point method simultaneously satisfies (Expression 6), (Expression 7), (Expression 8), (Expression 9), and (Expression 10) while keeping the variables x, s, λ x , and λ s in a non-negative region. This method solves x, μ, ν, λ x , and λ s and obtains an optimal solution. There is no need to give an approximate value of the optimal solution as an initial value. For large problems exceeding tens of thousands of variables, dozens of times In order to converge, it is generally the most convenient optimization method.
続いて、Active−set法について説明する。
Active−set法では、下記(式15)に示す標準形式の最適化問題を扱う。
Min f(x) (式15)
s.t. gi(x) = 0 ,i=1,・・・・,I
xmin≦x≦xmax
上記の標準形式には関数型不等式制約が含まれないが、前述の通り、スラック変数を導入することにより、関数型不等式制約は関数型等式制約に変換可能であり、上記の標準形式は一般性を失わない。また、上記の標準形式では制御変数xに上下限制約を与えているが、制約がない場合には、十分に小さなxminあるいは十分に大きなxmaxを与えることが可能であり、上記の標準形式は一般性を失わない。上記問題の最適解においては、下記のKKT条件が満たされる必要がある。
Subsequently, the Active-set method will be described.
In the Active-set method, the optimization problem of the standard format shown in the following (Formula 15) is handled.
Min f (x) (Formula 15)
s. t. gi (x) = 0, i = 1,..., I
x min ≤ x ≤ x max
The above standard form does not include functional inequality constraints, but as described above, by introducing slack variables, functional inequality constraints can be converted to functional equality constraints. Does not lose sex. In the standard format, upper and lower limits are given to the control variable x. However, if there is no limit, it is possible to give a sufficiently small xmin or a sufficiently large xmax. Does not lose generality. In the optimal solution of the above problem, the following KKT condition needs to be satisfied.
∇f + Σμi∇gi + λU − λL = 0 (式16)
gi(x) = 0 (式17)
xmin≦x≦xmax (式18)
λU ≧ 0 (式19)
λL ≧ 0 (式20)
ただし、
λU :xの上限制約に関するラグランジュ乗数を格納するベクトルであり、最適解において上限制約が活性なxの要素位置に非負の要素を持ち、その他の要素は0となる。
λL :xの下限制約に関するラグランジュ乗数を格納するベクトルであり、最適解において下限制約が活性なxの要素位置に非負の要素を持ち、その他の要素は0となる。なお、xの上限制約と下限制約が同時に活性になることはないので、(λU−λL)をまとめてλと表すことも可能であり、この場合には、下限制約が活性な要素に関しては、非正の値を持つこととなる。(式16)をλで表すと下記となる。
∇f + Σμi∇gi + λ = 0 (式16a)
∇f + Σμ i ∇g i + λ U - λ L = 0 ( Equation 16)
g i (x) = 0 (Formula 17)
x min ≦ x ≦ x max (Formula 18)
λ U ≧ 0 (Equation 19)
λ L ≧ 0 (Formula 20)
However,
λ U : A vector that stores a Lagrangian multiplier relating to the upper limit constraint of x, has a non-negative element at the element position of x where the upper limit constraint is active in the optimal solution, and the other elements are zero.
λ L : A vector that stores a Lagrangian multiplier relating to the lower limit constraint of x, has a non-negative element at the element position of x where the lower limit constraint is active in the optimal solution, and the other elements are zero. Since the upper limit constraint and the lower limit constraint of x are not active at the same time, (λ U −λ L ) can be collectively expressed as λ. In this case, the lower limit constraint is related to the active element. Will have a non-positive value. When (Equation 16) is represented by λ, it is as follows.
∇f + Σμ i ∇g i + λ = 0 (Formula 16a)
Active−set法では、最適解において活性となる不等式制約(標準形式の最適化問題を扱うので最適解において上下限制約が活性となる変数xの要素)を仮定し、その仮定の下で(式16a)と(式17)を同時に満たすx,μ,λを解き、x,λが満たすべき不等式制約((式18)、(式19)、(式20))を満たしていれば、それを解とし、満たしていなければ、最適解において活性となる不等式制約の仮定を見直して、再度処理を繰返す最適化手法で、最適解において活性となる不等式制約をかなり正確に予測可能な場合には特に有効となる。 The Active-set method assumes inequality constraints that are active in the optimal solution (elements of the variable x in which the upper and lower limit constraints are active in the optimal solution since the standard form optimization problem is handled), and under that assumption (expression If x, μ, and λ that simultaneously satisfy 16a) and (Expression 17) are solved and inequality constraints ((Expression 18), (Expression 19), and (Expression 20)) that x and λ must satisfy are satisfied, If the inequality constraint that becomes active in the optimal solution can be predicted fairly accurately by an optimization method that reviews the assumption of the inequality constraint that is active in the optimal solution and repeats the process again It becomes effective.
Active−set法の繰返し計算回数は、ほぼ基本問題の最適解と、基本問題から僅かに条件の異なる最適化問題の最適解との活性となる不等式制約の相違箇所数(上下限に張付く変数の相違箇所数)となる。
また、Active−set法では、上下限に張付く変数(固定値となり変数ではなくなる)を仮定するため、Active−set法における繰返し1回あたりの処理時間は実質的に減少し、内点法における繰返し1回あたりの処理時間のほぼ(上下限に張付かない変数の数/変数の数)2倍となる。
内点法の繰返し計算回数は、一般的に40回程度であることから、Active−set法で扱う変数の半分が上下限に張付く変数と仮定すると、上記の活性となる不等式制約の相違箇所数(上下限に張付く変数の相違箇所数)が160以下の問題に対しては、Active−set法が内点法に比べ、処理時間的に有利となる。
The number of iterations of the Active-set method is approximately the number of different parts of the inequality constraints that are active between the optimal solution of the basic problem and the optimal solution of the optimization problem that is slightly different from the basic problem (variables attached to the upper and lower limits). The number of differences).
Further, since the Active-set method assumes a variable that sticks to the upper and lower limits (becomes a fixed value and is not a variable), the processing time per iteration in the Active-set method is substantially reduced. It doubled approximately (the number of number / variable variables not adhere Zhang above lower limit) of the processing time per iteration.
Since the number of iterations in the interior point method is generally about 40, assuming that half of the variables handled in the Active-set method are variables that stick to the upper and lower limits, the difference in the inequality constraints that are active as described above The Active-set method is advantageous in terms of processing time compared to the interior point method for the problem that the number (the number of differences between the variables attached to the upper and lower limits) is 160 or less.
図3に戻り、ステップS23は、着目状態、ならびにステップS21で決定した着目状態に対する連続値から、着目状態に対する評価関数値を算出するステップである。
ステップS24は、着目状態の評価関数値が、それまでの探索で保存された最良解の評価関数値よりも良い(最小化問題であれば小さい/最大化問題であれば大きい)かどうかを判定し、着目状態の評価関数値が最良解の評価関数値よりも良い場合は、ステップS25に進み、良くない場合は、着目状態評価部2の処理を終了するように分岐する。ステップS25では、着目状態とその評価関数値を最良解として保存する。
Returning to FIG. 3, step S23 is a step of calculating an evaluation function value for the state of interest from the state of interest and the continuous value for the state of interest determined in step S21.
Step S24 determines whether or not the evaluation function value of the state of interest is better than the evaluation function value of the best solution stored in the previous search (small for a minimization problem / large for a maximization problem). If the evaluation function value of the target state is better than the evaluation function value of the best solution, the process proceeds to step S25. If not, the process branches to end the process of the target
次に、隣接状態作成・評価部3について、図4のフローチャートを用いて説明する。
ステップS31では、隣接状態数をカウントするためのカウンタJの初期設定を行う。ステップS32で、作成しようとする隣接状態、あるいは着目状態から隣接状態に遷移するための状態変更情報がタブーリストに登録されているかどうかを検索することにより、着目状態から隣接状態への遷移が禁止されていないかどうかを判定する。遷移が禁止されていれば、ステップS37に進み、遷移可能であれば、ステップS33に進むよう分岐する。
ステップS33では、着目状態から1つ以上の組合せを変更して隣接状態を作成する。ステップS34では、ステップS22で保存した初期値を使用して、Active−set法を用いた二次計画法を行うことにより、隣接状態に対する連続値を最適化する。ステップS35では、隣接状態の組合せ、ならびにステップS34で算出した連続値から隣接状態の評価関数値を算出する。ステップS36で、着目状態から隣接状態へ遷移するために必要となる状態変更情報、ならびに隣接状態の評価関数値を保存する。
ステップS37で、隣接状態数のカウンタJを1カウントアップした後、全ての隣接状態に対する処理を終了したかどうかを判定するステップS38で、全ての隣接状態に対する処理を終了していれば、隣接状態作成・評価部3の処理を終了し、終了していなければ、ステップS32に戻り、処理を継続するよう分岐する。
Next, the adjacent state creation /
In step S31, initialization of the counter J for counting the number of adjacent states is performed. In step S32, a transition from the target state to the adjacent state is prohibited by searching whether the adjacent state to be created or state change information for transition from the target state to the adjacent state is registered in the tabu list. Determine whether it is not done. If transition is prohibited, the process proceeds to step S37. If transition is possible, the process branches to step S33.
In step S33, one or more combinations are changed from the state of interest to create an adjacent state. In step S34, the continuous value for the adjacent state is optimized by performing quadratic programming using the active-set method using the initial value stored in step S22. In step S35, the evaluation function value of the adjacent state is calculated from the combination of adjacent states and the continuous value calculated in step S34. In step S36, state change information necessary for transition from the state of interest to the adjacent state and the evaluation function value of the adjacent state are stored.
In step S37, after the counter J for the number of adjacent states has been incremented by one, it is determined in step S38 whether or not the processing for all adjacent states has been completed. The process of the creation /
次いで、状態遷移部4について、図5のフローチャートを用いて説明する。
ステップS41では、隣接状態作成・評価部3において保存した隣接状態のうち、最も評価関数値が良い状態を次の着目状態として設定する。ステップS42では、着目状態から次の着目状態への遷移に必要となる隣接状態種別、状態変更箇所などの状態変更情報をタブーリストへ保存すると共に、タブーリストにすでに保存されている情報を更新する。
Next, the
In step S41, the state with the best evaluation function value among the adjacent states stored in the adjacent state creation /
次に、探索継続判定部5について、図6のフローチャートを用いて説明する。
ステップS51では、着目状態評価部2から探索継続判定部5までの繰返し処理に関する繰返し回数Lが、繰返し回数上限LMAXより小さいかどうかを判定する。LがLMAXより小さい場合は、ステップS52へ進み、LがLMAX以上となる場合は、着目状態評価部2から探索継続判定部5までの繰返し処理を終了し、最適状態出力部6へと進むよう分岐する。ステップS52では、繰返し回数Lを1カウントアップする。
Next, the search
In step S51, it is determined whether or not the iteration count L regarding the iteration process from the focused
次に、最適状態出力部6について、図7のフローチャートを用いて説明する。
ステップS61で、状態作成データ読込み部1から探索継続判定部5までの処理で得られた最良解を最良解保存データベース8より抽出する。ステップS62では、抽出した最良解を計算結果として出力情報101に出力する。
Next, the optimum
In
出力情報101は、状態作成データ読込み部1から最適状態出力部6に示す機構において得られた最適解を、状態空間探索装置が求められている形態で出力した出力結果である。
この出力結果は、例えば複数の需要家の電力需要および熱需要に対して、自然エネルギーや二次電池、ガスエンジンなどの電力供給設備を用いて電力の需要と供給量が一致するよう電力供給設備の起動・停止ならびに発電量を制御するのに用いられたり、ボイラなどの熱供給設備を用いて熱の需要と供給が一致するよう熱供給設備の起動・停止ならびに熱出力を制御するのに用いられる。
すなわち、これらのシステムに対して状態空間探索装置を適用した場合、GUIを介して運転員に対して最適解を表示する、あるいはLANなどの通信手段を介して電力供給設備、あるいは熱供給設備に対して起動・停止指令などの制御指令を出力するためなどに使用される。
The
This output result indicates that, for example, the power supply equipment and the demand for heat are matched so that the demand and supply amount of power are matched using the power supply equipment such as natural energy, secondary battery, gas engine, etc. Used to control the start / stop of power and the amount of power generation, and to control the start / stop of heat supply equipment and heat output so that the demand and supply of heat match using a heat supply equipment such as a boiler It is done.
In other words, when the state space search device is applied to these systems, the optimal solution is displayed to the operator via the GUI, or the power supply facility or the heat supply facility via the communication means such as LAN. It is used to output control commands such as start / stop commands.
図8は、状態空間探索装置のハードウェアと図1の各機能との関連を示すものであり、次にこの図8について説明する。
図1の状態作成データ読込み部1は、状態空間探索装置のCPU201上で動作するプログラムであり、状態作成用データベース7からCPU201上に状態を作成するために必要となる入力情報100を呼び出すと共に、CPU201において初期の着目状態を作成する。ここで、状態作成用データベース7は、ハードディスク、メモリなどに代表される記憶媒体202に形成されている。
FIG. 8 shows the relationship between the hardware of the state space search apparatus and each function of FIG. 1, and FIG. 8 will be described next.
The state creation
図1の着目状態評価部2は、状態空間探索装置のCPU201上で動作するプログラムであり、内点法を用いた二次計画法により着目状態に関する連続値を決定し、その際に得られた計算結果をActive−set法初期値データベース9に保存すると共に、着目状態の評価関数値を算出する。また、最良解保存データベース8から、CPU201上に、それまでの探索で得られた最良解を呼び出し、着目状態の評価関数値が呼び出した最良解の評価関数値よりも良いか否かを判定し、着目状態が最良解よりも良い解であれば、着目状態を最良解保存データベース8に保存する。ここで、最良解保存データベース8ならびにActive−set法初期値データベース9の各データベースは、ハードディスク、メモリなどに代表される記憶媒体202に形成されている。
The state-of-
図1の隣接状態作成・評価部3は、状態空間探索装置のCPU201上で動作するプログラムであり、タブーリストデータベース11からCPU201上に、それまでの探索で設定されたタブーリストを呼び出して、着目状態に対する隣接状態として作成可能かどうかを判定し、作成可能な隣接状態である場合は、着目状態に対する隣接状態を作成した後、Active−set法初期値データベース9から初期値を呼び出して、Active−set法を用いた二次計画法を行うことにより、隣接状態に対する連続値を決定すると共に隣接状態の評価関数値を計算する。
また、作成した隣接状態、着目状態から隣接状態へ遷移するための状態変更情報、ならびに隣接状態の評価関数値を隣接状態データベース10に保存する。ここで、隣接状態データベース10ならびにタブーリストデータベース11は、ハードディスク、メモリなどに代表される記憶媒体202に形成されている。
The adjacent state creation /
Further, the created adjacent state, state change information for transitioning from the state of interest to the adjacent state, and the evaluation function value of the adjacent state are stored in the
図1の状態遷移部4は、状態空間探索装置のCPU201上で動作するプログラムであり、隣接状態データベース10からCPU201上に、隣接状態作成・評価部3にて作成した隣接状態のうち最良の評価関数値を持つ状態を呼び出して、次の着目状態に設定する。また、着目状態から次の着目状態へ遷移するための状態変更情報を、タブーリストデータベース11に保存すると共に、タブーリストデータベース11に保存されているリスト情報を更新する。
The
図1の探索継続判定部5は、状態空間探索装置のCPU201上で動作するプログラムであり、着目状態評価部2から探索継続判定部5までの繰返し処理に関する繰返し回数Lが、繰返し回数上限LMAXより小さいかどうかを判定すると共に、繰返し回数Lを1カウントアップする。
The search
図1の最適状態出力部6は、状態空間探索装置のCPU201上で動作するプログラムであり、最良解保存データベース8に保存されている最良解を呼び出すと共に、最良解を計算結果として出力する。
The optimum
なお、上述では、タブーサーチ法について説明したが、この発明はタブーサーチ法に限らず、問題空間探索法、ローカルサーチ法、遺伝アルゴリズム、シミュレーテッドアニーリングなど、初期の着目状態から出発し、着目状態の組合せを変更して得られる隣接状態の中から遷移すべき状態を決定して次の着目状態とすることを順次繰返し、評価関数値が最良の状態を探索する探索方式に適用できる。
これにより、処理速度の向上に非常に有効であり、従来技術に比べ、より広範な状態空間の探索が可能となる。
In the above description, the tabu search method has been described. However, the present invention is not limited to the tabu search method, and starts from an initial state of interest such as a problem space search method, a local search method, a genetic algorithm, and simulated annealing. It is possible to apply to a search method in which the state to be transitioned from the adjacent states obtained by changing the combination of these is determined and the next state of interest is sequentially repeated to search for the state with the best evaluation function value.
This is very effective in improving the processing speed, and a wider state space can be searched as compared with the prior art.
実施の形態1によれば、解の精度を落とすことなく高速に状態の連続値を求めることが可能となり、限られた処理時間の中で、より広範な状態空間を探索することができる。 According to the first embodiment, it is possible to obtain a continuous value of a state at high speed without reducing the accuracy of the solution, and it is possible to search a wider state space within a limited processing time.
実施の形態2.
図9は、この発明の実施の形態2による状態空間探索装置を示すブロック図である。
図9において、図1に構成で、隣接状態作成・評価部3が隣接状態作成・評価部3’に変っている。他の構成は図1と同じである。
FIG. 9 is a block diagram showing a state space search apparatus according to
9, the adjacent state creation /
図10は、この発明の実施の形態2による状態空間探索装置の隣接状態作成・評価部の処理を示すフローチャートである。
図10において、ステップS31〜ステップS33、ステップS35〜ステップS38は図4におけるものと同一の処理である。図10では、図4のステップS34に代えて、ステップS341、S342の処理が実行される。
FIG. 10 is a flowchart showing processing of the adjacent state creation / evaluation unit of the state space search apparatus according to
In FIG. 10, steps S31 to S33 and steps S35 to S38 are the same processes as those in FIG. In FIG. 10, processing of steps S341 and S342 is executed instead of step S34 of FIG.
図11は、この発明の実施の形態2による状態空間探索装置の隣接状態作成・評価部の処理を説明する説明図である。
図11において、着目状態から隣接状態2への状態変更箇所は4である。着目状態から隣接状態作成手順1により隣接状態1を作成し、この隣接状態1から隣接状態作成手順2により隣接状態2を作成する。隣接状態1から隣接状態2への状態変更箇所は2である。
ここで、隣接状態1、2は、ともにある着目状態に対する隣接状態。隣接状態1は、着目状態から2箇所の状態を1→2に変更した隣接状態。隣接状態2は、着目状態から2箇所の状態を1→2に変更し、さらに別の2箇所の状態1→0に変更した状態。隣接状態2に関する連続値を決定する場合、着目状態から隣接状態2への状態変更(連続値の上下限制約変更)箇所数4よりも、隣接状態1からの状態変更(連続値の上下限制約変更)箇所数2の方が少ない。
FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining the processing of the adjacent state creation / evaluation unit of the state space search apparatus according to
In FIG. 11, the number of state change points from the focused state to the
Here, the
実施の形態2は、例えば図11に示すような複数箇所を同時に変更する隣接状態を順次作成し、その連続値を決定する場合、前回作成した隣接状態の連続値を決定した際に保存した計算結果を用いて、次のActive−set法を用いた二次計画法を行うようにする。 In the second embodiment, for example, when adjacent states that change a plurality of locations at the same time as shown in FIG. 11 are sequentially created and the continuous values are determined, the calculation stored when the continuous value of the adjacent state that was created last time is determined. A quadratic programming method using the following Active-set method is performed using the result.
次に、図9の隣接状態作成・評価部3’の処理について、図10のフローチャートを用いて説明する。
ステップS31〜ステップS33を図4と同様にして実行した後、ステップS341は、図9のActive−set法初期値データベース9より、ステップS22で保存した初期値、あるいは後述するステップS342で保存した初期値、すなわち当該時点で最新の初期値を呼び出して、Active−set法を用いた二次計画法を行うことにより、隣接状態に対する連続値を計算する。
すなわち、着目状態から最初に作成した隣接状態(第一の隣接状態)に対しては、内点法を用いた二次計画法により連続値の最適化を行って得られた解をステップS22で保存した初期値を用いて連続値の最適化を行う。また、着目状態から二番目以降に作成した隣接状態(第二の隣接状態)に対しては、直前のActive−set法を用いた二次計画法による連続値の最適化によって得られた解を初期値として、連続値の最適化を行う。
ステップS342では、ステップS341で計算した二次計画法の計算結果を次のActive−set法を用いた二次計画法を行うための初期値として、図9のActive−set法初期値データベース9に保存する。
次いで、ステップS35〜ステップS38を図4と同様に実行する。
Next, the processing of the adjacent state creation /
After step S31 to step S33 are executed in the same manner as in FIG. 4, step S341 is the initial value stored in step S22 from the Active-set method
That is, for the adjacent state (first adjacent state) created first from the state of interest, a solution obtained by optimizing continuous values by quadratic programming using the interior point method is obtained in step S22. Optimize the continuous value using the saved initial value. In addition, for the adjacent state (second adjacent state) created after the second state from the state of interest, the solution obtained by optimization of the continuous value by the quadratic programming method using the immediately preceding Active-set method is obtained. As an initial value, a continuous value is optimized.
In step S342, the calculation result of the quadratic programming method calculated in step S341 is used as the initial value for performing the quadratic programming method using the next Active-set method in the Active-set method
Next, steps S35 to S38 are executed in the same manner as in FIG.
実施の形態2によれば、例えば図11に示すような複数箇所を同時に変更する隣接状態を順次作成し、その連続値を決定する場合、着目状態の連続値を決定した際に保存した計算結果を初期値とするよりも、前回作成した隣接状態の連続値を決定した際に保存した計算結果の方が、より最適解の条件に近くなると考えられ、その結果Active−set法を用いた二次計画法の繰返し回数が減ることにより、処理時間の短縮が図れるという効果が得られる。 According to the second embodiment, for example, when sequentially creating adjacent states that simultaneously change a plurality of locations as shown in FIG. 11 and determining the continuous values, the calculation results stored when determining the continuous values of the state of interest It is considered that the calculation result stored when determining the continuous value of the adjacent state created last time is closer to the optimum solution condition than the initial value, and as a result, the result using the Active-set method is used. By reducing the number of iterations of the next programming method, the effect of shortening the processing time can be obtained.
実施の形態3.
図12は、この発明の実施の形態3による状態空間探索装置の隣接状態作成・評価部の処理を示すフローチャートである。
図12において、ステップS31〜ステップS33、ステップS35〜ステップS38は図4におけるものと同一の処理である。図12では、図4のステップS34に代えて、ステップS343の処理が実行される。
以下、前述した実施の形態1との差異に着目して説明する。
FIG. 12 is a flowchart showing processing of the adjacent state creation / evaluation unit of the state space search apparatus according to
In FIG. 12, steps S31 to S33 and steps S35 to S38 are the same processes as those in FIG. In FIG. 12, the process of step S343 is executed instead of step S34 of FIG.
Hereinafter, the description will be given focusing on the difference from the first embodiment.
実施の形態3は、図12のステップS343が実施の形態1と異なる。ステップS343では、ステップS22で保存した初期値を使用して、Active−set法を用いた二次計画法を行うことにより、隣接状態に対する連続値を計算する。このActive−set法を用いた二次計画法では、繰り返し計算によって連続値の最適化を行い、このActive−set法を用いた二次計画法における繰り返し計算回数が、所定の繰り返し回数上限を超える場合には、内点法を用いた二次計画法に切替えて隣接状態に対する連続値を計算する。 The third embodiment is different from the first embodiment in step S343 in FIG. In step S343, a continuous value for the adjacent state is calculated by performing quadratic programming using the active-set method using the initial value stored in step S22. In the quadratic programming method using the Active-set method, continuous values are optimized by iterative calculation, and the number of iterative calculations in the quadratic programming method using the Active-set method exceeds a predetermined upper limit of the number of iterations. In this case, the continuous value for the adjacent state is calculated by switching to the quadratic programming method using the interior point method.
一般的な内点法の繰返し計算回数を40回程度と仮定すると、基本問題の最適解を知っている状況において、基本問題に対する派生問題(基本問題から僅かに条件の異なる最適化問題)を解こうとするとき、基本問題の変数の数、基本問題の最適解と派生問題との上下限に張付く変数の相違箇所数、ならびに上下限に張付かない変数の数の関係が(式21)を満たす場合には、内点法を用いるよりもActive−set法を用いて最適化する方が処理速度の面から有利となる。
ただし、上下限に張付く変数の相違箇所数と、上下限に張付かない変数の数は、基本問題の最適解と派生問題との条件の差異から想定される値であることから、上下限に張付く変数の相違箇所数ならびに上下限値に張付かない変数の数については、1〜2割程度の尤度を持つ必要がある。
Assuming that the number of iterations of a general interior point method is approximately 40, solve a derived problem (an optimization problem with slightly different conditions from the basic problem) in a situation where the optimal solution of the basic problem is known. When doing so, the relationship between the number of variables of the basic problem, the number of differences between the variables that stick to the upper and lower limits of the optimal solution of the basic problem and the derived problem, and the number of variables that do not stick to the upper and lower limits (Equation 21) When satisfying the above, it is more advantageous in terms of processing speed to optimize using the Active-set method than to use the interior point method.
However, the number of differences between the variables that stick to the upper and lower limits and the number of variables that do not stick to the upper and lower limits are values that are assumed based on the difference in conditions between the optimal solution of the basic problem and the derived problem. It is necessary to have a likelihood of about 10 to 20% for the number of different parts of the variable that stick to and the number of variables that do not stick to the upper and lower limits.
(上下限に張付く変数の相違箇所数)×(上下限に張付かない変数の数/変数の数)2<40 (式21) (Number of differences between variables that stick to upper and lower limits) x (number of variables that do not stick to upper and lower limits / number of variables) 2 <40 (Formula 21)
また、Active−set法の繰返し回数が(式22)の条件を満たす回数となった場合、前述の想定が外れたこととなり、この後どれだけの繰返し計算が必要となるかが不明となる。このような想定外の状況で処理時間が大幅に増加する危険を避けるため、Active−set法の繰返し回数が(式22)の条件を満たした時点で、Active−set法による最適化を中止し、内点法による最適化に切替える。 Further, when the number of repetitions of the Active-set method reaches the number satisfying the condition of (Equation 22), the above assumption is not satisfied, and it is unclear how many iterative calculations are required thereafter. In order to avoid the risk of a significant increase in processing time in such an unexpected situation, when the number of repetitions of the Active-set method satisfies the condition of (Equation 22), the optimization by the Active-set method is stopped. , Switch to optimization by interior point method.
繰返し回数>40×(変数の数/上下限に張付かない変数の数)2 (式22) Number of repetitions> 40 × (number of variables / number of variables not sticking to upper and lower limits) 2 (Formula 22)
実施の形態3によれば、以上のように構成することにより、上述のような想定外の状況に陥った場合でも、処理時間の大幅な増加を防ぐことができる。 According to the third embodiment, the configuration as described above can prevent a significant increase in processing time even in the case of an unexpected situation as described above.
実施の形態4.
図13は、この発明の実施の形態4による状態空間探索装置を示すブロック図である。
図13において、図1の構成で、隣接状態作成・評価部3が隣接状態振分け部3a〜隣接状態集約部3eに変っている。他の構成は図1と同じである。
FIG. 13 is a block diagram showing a state space search apparatus according to
In FIG. 13, in the configuration of FIG. 1, the adjacent state creation /
図14は、この発明の実施の形態4による状態空間探索装置の物理イメージを示す図である。
図14において、202、1、2、4〜11は図8におけるものと同一のものである。図14では、隣接状態振分け部3a、隣接状態作成・評価部3b、隣接状態集約部3eがCPU1(201)上で、隣接状態作成・評価部3cがCPU2(203)上で、隣接状態作成・評価部3dがCPU3(204)上でそれぞれ動作する。
以下、前述した実施の形態1との差異に着目して説明する。
FIG. 14 is a diagram showing a physical image of the state space search apparatus according to
In FIG. 14, 202, 1, 2, 4 to 11 are the same as those in FIG. In FIG. 14, the adjacent
Hereinafter, the description will be given focusing on the difference from the first embodiment.
実施の形態4は、図13のように、3つのCPU201、203、204ならびに1つの記憶媒体202を持つハードウェア上で動作するタブーサーチ法を用いた状態空間探索装置についてのものである。また、図14は、図13の状態空間探索装置に関し、ハードウェアと図13の各機能との関連を示している。
The fourth embodiment relates to a state space search apparatus using a tabu search method that operates on hardware having three
次に、各機能について、図14に基き説明する。
状態作成データ読込み部1、着目状態評価部2、状態遷移部4、探索継続判定部5、ならびに最適状態出力部6は、実施の形態1に示すものと同じであり、CPU1(201)上で動作するプログラムである。
Next, each function will be described with reference to FIG.
The state creation
隣接状態振分け部3aは、着目状態に対して1箇所以上の組合せを変更して得られる複数の隣接状態について、各々の隣接状態をCPU1(201)、CPU2(203)、あるいはCPU3(204)の何れのCPUで作成して評価を行うかを決定し、各CPUに振分ける機構であり、CPU1(201)上で動作する。
隣接状態作成・評価部3bは、CPU1(201)上で動作するプログラムであり、隣接状態作成・評価部3cは、CPU2(203)上で動作するプログラムであり、隣接状態作成・評価部3dは、CPU3(204)上で動作するプログラムであり、それぞれ実施の形態1に示す隣接状態作成・評価部3と同様の動作をする。
隣接状態集約部3eは、CPU1(201)上で動作するプログラムであり、隣接状態作成・評価部3b、隣接状態作成・評価部3c、ならびに隣接状態作成・評価部3dにおいて作成した隣接状態、着目状態から隣接状態へ遷移するための状態変更情報、ならびに隣接状態の評価関数値を隣接状態データベース10に保存する。
The adjacent
The adjacent state creation /
The adjacent
実施の形態4によれば、以上のように構成することにより、複数のCPUによる並列演算を行う場合でも、実施の形態1と同様の効果が得られる。 According to the fourth embodiment, by configuring as described above, the same effects as those of the first embodiment can be obtained even when parallel operations are performed by a plurality of CPUs.
この発明は、ロジスティクス、LSI最適配線決定などの各種最適化設計、電力系統における発電機起動停止問題や系統構成作成、ガスや水道の供給経路作成などの各種最適計画、最適制御に適用される。 The present invention is applied to various optimization designs such as logistics, LSI optimum wiring determination, generator start / stop problems and system configuration creation in the power system, various optimization plans such as gas and water supply route creation, and optimum control.
1 状態作成データ読込み部、2 着目状態評価部、
3,3’,3b,3c,3d 隣接状態作成・評価部、
3a 隣接状態振分け部、3e 隣接状態集約部、
4 状態遷移部、5 探索継続判定部、6 最適状態出力部、
7 状態作成用データベース、8 最良解保存データベース、
9 Active−set法初期値データベース、
10 隣接状態データベース、11 タブーリストデータベース、
100 入力情報、101 出力情報、200 状態探索装置、
201,203,204 CPU、202 記憶媒体。
1 state creation data reading unit, 2 state of interest evaluation unit,
3, 3 ′, 3b, 3c, 3d adjacent state creation / evaluation unit,
3a Adjacent state distribution unit, 3e Adjacent state aggregation unit,
4 state transition unit, 5 search continuation determination unit, 6 optimum state output unit,
7 database for state creation, 8 best solution storage database,
9 Active-set method initial value database,
10 Adjacency state database, 11 Tabu list database,
100 input information, 101 output information, 200 state search device,
201, 203, 204 CPU, 202 Storage medium.
Claims (5)
Starting from an initial focus state in a state space consisting of a combination of a plurality of discrete values and a continuous value determined corresponding to the discrete value combination, the combination of the focus states is changed. In the state space search method for determining a state with the best evaluation function value by sequentially determining the next state of interest by determining the state to be transitioned from the adjacent states obtained in the above, , A first procedure for optimizing the continuous value by quadratic programming using the interior point method, and a solution obtained by optimizing the continuous value by the first procedure for the adjacent state A state space search method comprising a second procedure for optimizing the continuous value by a quadratic programming method using an Active-set method as an initial value.
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