Algorithmes et l'apprentissage automatique pour optimisation combinatoire équitable et classique

Algorithms and Machine Learning for fair and classical combinatorial optimization

• Auteur / Autrice : Thi Quynh Trang Vo
• Direction : Viet Hung Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/05/2024
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique, de Modélisation et d'Optimisation des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Fatiha Bendali-Mailfert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Demassey, Kim Thang Nguyen, Mourad Baïou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Axel Parmentier, Dritan Nace

Mots clés

Mots clés contrôlés

Problème du voyageur de commerce

Apprentissage automatique

Optimisation combinatoire

Mots clés libres

Optimisation combinatoire équitable

Moyenne des poids ordonnés (OWA)

Algorithmes Branch-And-Cut

Apprentissage par renforcement

Réseaux neuronaux pour les graphs

Problème du Voyageur de Commerce

Fair combinatorial optimization

Ordered Weights Average

Branch-And-Cut algorithms

Reinforcement Learning

Graph neural networks

Traveling Salesman Problem

Résumé

L'optimisation combinatoire est un domaine des mathématiques dans lequel un problème consiste à trouver une solution optimale dans un ensemble fini d'objets. Elle a des applications cruciales dans de nombreux domaines. Le branch-and-cut est l'un des algorithmes les plus utilisés pour résoudre exactement des problèmes d'optimisation combinatoire. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur les aspects informatiques du branch-and-cut et plus particulièrement, sur deux aspects importants de l'optimisation combinatoire: l'équité des solutions et l'intégration de l'apprentissage automatique. Dans la partie I, nous étudions deux approches courantes pour traiter la question de l'équité dans l'optimisation combinatoire, qui a fait l'objet d'une attention particulière au cours des dernières décennies. La première approche est l'optimisation combinatoire équilibrée, qui trouve une solution équitable en minimisant la différence entre les plus grands et les plus petits composants utilisés. En raison des difficultés à délimiter ces composants, aucun cadre général exact basé sur la programmation linéaire en nombres entiers mixtes (MILP) n'a été proposé pour l'optimisation combinatoire équilibrée. Pour combler cette lacune, nous présentons au chapitre 3 une nouvelle classe de plans de coupe locaux adaptés aux problèmes d'optimisation combinatoire équilibrée pour l'algorithme du branch-and-cut. Nous démontrons l'efficacité de la méthode proposée dans la cadre du problème du voyageur de commerce équilibré. Notamment, nous introduisons des algorithmes pour trouver des bornes et des mécanismes pour la détermination des variables afin d'accélérer un peu plus les performances. Une deuxième approche pour traiter l'équité est l'optimisation combinatoire Ordered Weighted Average (OWA), qui utilise l'opérateur OWA dans la fonction objectif. En raison de l'opérateur d'ordonnancement, l'optimisation combinatoire OWA est non linéaire, même si ses contraintes d'origine sont linéaires. Deux formulations MILP de tailles différentes ont été introduites dans la littérature pour linéariser l'opérateur OWA. Cependant, la formulation la plus performante pour l'optimisation combinatoire OWA reste incertaine, car l'intégration des méthodes de linéarisation peut introduire des difficultés supplémentaires. Dans le chapitre 4, nous fournissons des comparaisons théoriques et empiriques des deux formulations MILP pour l'optimisation combinatoire OWA. En particulier, nous prouvons que les formulations sont équivalentes en termes de relaxation de programmation linéaire. Nous montrons empiriquement que pour les problèmes d'optimisation combinatoire OWA, la formulation avec le plus de variables peut être résolue plus rapidement avec le branch-and-cut. Dans la partie II, nous développons des méthodes d'application de l'apprentissage automatique pour améliorer les problèmes de décision fondamentaux du branch-and-cut, en mettant l'accent sur la génération de coupes. Ce dernier problème se réfère à la décision de générer des coupes ou des branches à chaque nœud de l'arbre de recherche. Nous démontrons empiriquement que cette décision a un impact significatif sur les performances du branch-and-cut, en particulier pour les coupes combinatoires qui exploitent les faces de la coque convexe des solutions réalisables. Nous proposons ensuite un cadre général combinant l'apprentissage supervisé et l'apprentissage par renforcement afin d'apprendre des stratégies efficaces pour générer des coupes combinatoires dans la méthode branch-and-cut. Notre cadre comporte deux composantes : un détecteur de coupes pour prédire l'existence de coupes et un évaluateur de coupes pour choisir entre la génération de coupes et le branchement. Enfin, nous fournissons des résultats expérimentaux montrant que la méthode proposée est plus performante que les stratégies couramment utilisées pour la génération de coupes, même sur des instances plus grandes que celles utilisées pour l'apprentissage.

Combinatorial optimization is a field of mathematics that searches for an optimal solution in a finite set of objects. It has crucial applications in many fields, including applied mathematics, software engineering, theoretical computer science, and machine learning. extit{Branch-and-cut} is one of the most widely-used algorithms for solving combinatorial optimization problems exactly. In this thesis, we focus on the computational aspects of branch-and-cut when studying two critical dimensions of combinatorial optimization: extit{the fairness of solutions} and extit{the integration of machine learning}.In Partef{part:1} (Chaptersef{chap:bnc-btsp} andef{chap:owa}), we study two common approaches to deal with the issue of fairness in combinatorial optimization, which has gained significant attention in the past decades. The first approach is extit{balanced combinatorial optimization}, which finds a fair solution by minimizing the difference between the largest and smallest components used. Due to the difficulties in bounding these components, to the best of our knowledge, no general exact framework based on mixed-integer linear programming (MILP) has been proposed for balanced combinatorial optimization. To address this gap, in Chapteref{chap:bnc-btsp}, we present a branch-and-cut algorithm and a novel class of local cutting planes tailored for balanced combinatorial optimization problems. We demonstrate the effectiveness of the proposed framework in the Balanced Traveling Salesman Problem. Additionally, we introduce bounding algorithms and mechanisms to fix variables to accelerate performance further.The second approach to handling the issue of fairness is extit{Ordered Weighted Average (OWA) combinatorial optimization}, which integrates the OWA operator into the objective function. Due to the ordering operator, OWA combinatorial optimization is nonlinear, even if its original constraints are linear. Two MILP formulations of different sizes have been introduced in the literature to linearize the OWA operator. However, which formulation performs best for OWA combinatorial optimization remains uncertain, as integrating the linearization methods may introduce additional difficulties. In Chapteref{chap:owa}, we provide theoretical and empirical comparisons of the two MILP formulations for OWA combinatorial optimization. In particular, we prove that the formulations are equivalent in terms of the linear programming relaxation. We empirically show that for OWA combinatorial optimization problems, the formulation with more variables can be solved faster with branch-and-cut.In Partef{part:2} (Chapteref{chap:mlbnc}), we develop methods for applying machine learning to enhance fundamental decision problems in branch-and-cut, with a focus on cut generation. Cut generation refers to the decision of whether to generate cuts or to branch at each node of the search tree. We empirically demonstrate that this decision significantly impacts branch-and-cut performance, especially for combinatorial cuts that exploit the facial structure of the convex hull of feasible solutions. We then propose a general framework combining supervised and reinforcement learning to learn effective strategies for generating combinatorial cuts in branch-and-cut. Our framework has two components: a cut detector to predict cut existence and a cut evaluator to choose between generating cuts and branching. Finally, we provide experimental results showing that the proposed method outperforms commonly used strategies for cut generation, even on instances larger than those used for training.