Scenario-Based Robust Optimization for Two-Stage Decision Making Under Binary Uncertainty

稳健优化 计算机科学 聚类分析 数学优化 随机规划 概率逻辑 不确定度量化 上下界 随机优化 二进制数 最优化问题 算法 数据挖掘 数学 机器学习 人工智能 数学分析 算术
作者
Kai Wang,Mehmet Ali Aydemir,Alexandre Jacquillat
出处
期刊:INFORMS journal on optimization [Institute for Operations Research and the Management Sciences]
卷期号:6 (2): 84-117 被引量:1
标识
DOI:10.1287/ijoo.2020.0038
摘要

This paper addresses problems of two-stage optimization under binary uncertainty. We define a scenario-based robust optimization (ScRO) formulation that combines principles of stochastic optimization (by constructing probabilistic scenarios) and robust optimization (by protecting against adversarial perturbations within discrete uncertainty sets). To solve it, we develop a sparse row generation algorithm that iterates between a master problem (which provides a lower bound based on minimal uncertainty sets) and a history-based subproblem (which generates an upper bound and updates minimal uncertainty sets). We generate scenarios and uncertainty sets from element-wise probabilities using a deviation likelihood method or from historical samples using a sample clustering approach. Using public data sets, results suggest that (i) our ScRO formulation outperforms benchmarks based on deterministic, stochastic, and robust optimization; (ii) our deviation likelihood and sample clustering approaches outperform scenario generation baselines; and (iii) our sparse row generation algorithm outperforms off-the-shelf implementation and state-of-the-art cutting plane benchmarks. An application to a real-world ambulance dispatch case study suggests that the proposed modeling and algorithmic approach can reduce the number of late responses by more than 25%. Funding: K. Wang’s research was supported by the National Natural Science Foundation of China [Grants 72322002, 52221005, and 52220105001]
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