Optimized Scenario Reduction: Solving Large-Scale Stochastic Programs with Quality Guarantees

还原(数学) 数学优化 列生成 启发式 随机规划 计算机科学 整数规划 比例(比率) 选择(遗传算法) 上下界 随机优化 数学 人工智能 数学分析 物理 量子力学 几何学
作者
Wei Zhang,Kai Wang,Alexandre Jacquillat,Shuaian Wang
出处
期刊:Informs Journal on Computing 卷期号:35 (4): 886-908 被引量:21
标识
DOI:10.1287/ijoc.2023.1295
摘要

Stochastic programming involves large-scale optimization with exponentially many scenarios. This paper proposes an optimization-based scenario reduction approach to generate high-quality solutions and tight lower bounds by only solving small-scale instances, with a limited number of scenarios. First, we formulate a scenario subset selection model that optimizes the recourse approximation over a pool of solutions. We provide a theoretical justification of our formulation, and a tailored heuristic to solve it. Second, we propose a scenario assortment optimization approach to compute a lower bound—hence, an optimality gap—by relaxing nonanticipativity constraints across scenario “bundles.” To solve it, we design a new column-evaluation-and-generation algorithm, which provides a generalizable method for optimization problems featuring many decision variables and hard-to-estimate objective parameters. We test our approach on stochastic programs with continuous and mixed-integer recourse. Results show that (i) our scenario reduction method dominates scenario reduction benchmarks, (ii) our scenario assortment optimization, combined with column-evaluation-and-generation, yields tight lower bounds, and (iii) our overall approach results in stronger solutions, tighter lower bounds, and faster computational times than state-of-the-art stochastic programming algorithms. History: Accepted by Andrea Lodi, Area Editor for Design and Analysis of Algorithms–Discrete. Supplemental Material: The e-companion is available at https://doi.org/10.1287/ijoc.2023.1295 .

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