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利用强化学习改进列生成算法快速求解大规模不正常航班恢复问题

批准号:
72101162
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
钱雄文
依托单位:
学科分类:
运筹与管理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
钱雄文

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
不正常航班恢复问题是一类难以求解的大规模组合优化问题。在出现恶劣天气、飞机故障、流量控制等突发情况下,航空公司需要快速决策调整航班计划,减少因航班延误和取消造成的社会经济损失。现有的研究大多集中于单一的运筹优化算法,对于大规模问题,计算时间仍显过长尚不能适应动态变化的航班运行环境,且在数学模型中难以同时考虑关键业务要素。对此,本项目拟从算法角度在三个层面进一步提高求解效率,缩短计算时间至分钟级并获得最优误差小于10%的高质量解:①针对航空公司的现实需求,构建完整刻画问题核心特点与关键矛盾的数学模型。②使用混合启发式的列生成算法及增强策略,在保证列生成算法收敛性和最优性的前提下提升算法的迭代效率;③利用数据驱动的强化学习对列生成算法建模、分析与优化,根据算例自适应指导列生成算法的寻优机制。本项目不仅有助于解决现实中我国民航业的运营痛点问题,也为学习型优化算法的研究提供必要科学依据。
英文摘要
Aircraft recovery problem is one of the NP-hard combinatorial optimization problems which are difficult to solve. When disruptions such as bad weather, mechanical failure, or traffic flow control happen, airlines need to modify its original flight plan to reduce the social and economic costs due to flight delays and cancellations. Previous researches mainly focus on optimization algorithms and it is difficult to consider critical business factors simultaneously in the mathematical model. For large scale problems the computational time is still too long given the ever-changing environment in which the airlines operate. To further enhance the computational efficiency and reduce the computational time to several minutes with optimality gap less than 10%, this research proposes to tackle the problem in three aspects. First, the mathematical model will be built to capture the core characteristics and critical conflicts within the problem according to the real needs of airlines. Second, heuristics and other improving techniques are to be embedded in the column generation process to enhance its iteration efficiency. The column generation process is still ensured to converge to the optimal. Third, reinforcement learning will be utilized to model, analyze, and optimize the column generation process, so the algorithm is adaptive to specific problem instances. This research is not only aiming to solve the critical operation problem faced by the civil aviation industry of the country, but also providing scientific guidance for the research on developing optimization methods with learning ability.
不正常航班恢复问题是一类难以求解的大规模组合优化问题。在出现恶劣天气、飞机故障、流量控制等突发情况下,航空公司需要快速决策调整航班计划,减少因航班延误和取消造成的社会经济损失。针对大规模不正常航班恢复问题,亟需提升求解效率、缩短计算时间,以满足从宏观决策到微观规划的多层次现实业务需求。本项目围绕该问题开展了系列研究,具体包括:(a)在利用数据驱动的强化学习对列生成算法建模、分析与优化方面,建立了强化学习模型,基于SARSA学习算法对列生成算法迭代过程中新列数量进行了训练,获得策略函数,并通过计算实验验证了方法有效性;(b)在混合启发式的列生成算法及增强策略方面,提出了创新方法,基于图神经网络和强化学习的启发式方法生成初始列,设计了图注意力网络节点特征、编码器-解码器架构,并且结合近端策略优化算法构建了强化学习框架,在公开算法竞赛标杆问题上进行了验证,为提升列生成算法求解效率提供了参考;(c)在考虑现实业务需求的不正常航班恢复问题建模方面,提出了考虑扇区容量约束的不正常航班路径优化问题,明确了体现航空公司利益诉求的用户驱动优先级处理过程,设计了基于列生成算法的求解框架,通过计算实验验证有效性,并且实现了子问题并行,提高求解效率;(d)在不正常航班四维航迹规划方面,设计了行-列生成算法迭代求解优化四维航迹,计算实验验证该方法能生成高质量的四维航迹规划方案,对于问题规模有着较好的扩展性。整个项目涵盖了从不正常航班的延误取消决策开始,继而到考虑扇区容量限制的宏观路径规划,最终拓展至精细四维航迹规划的系列研究。这些研究为不正常航班恢复问题提供了高效求解方法,推动相关领域算法发展,具有一定的科学意义和应用价值。
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