Optimoinnin haasteet ja hyödyt



Samankaltaiset tiedostot
Matemaattinen optimointi I -kurssin johdantoluento Prof. Marko M. Mäkelä Turun yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos

SMAT5216 Mallinnusprojekti 10(+2) op

SMAT5216 Mallinnusprojekti 8-12 op

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

Harjoitus 4: Matlab - Optimization Toolbox

Luento 1: Optimointimallin muodostaminen; optimointitehtävien luokittelu

Logistiikkajärjestelmien mallintaminen - käytännön sovelluksia

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

TIEA382 Lineaarinen ja diskreetti optimointi

Keskeiset tulokset heikko duaalisuus (duaaliaukko, 6.2.1) vahva duaalisuus (6.2.4) satulapisteominaisuus (6.2.5) yhteys KKT ehtoihin (6.2.

Sekalukuoptimointi. Lehtonen, Matti Matemaattisen ohjelmoinnin seminaari, Tietojenkäsittelytieteen laitos Helsingin Yliopisto

Kokonaislukuoptimointi

Joonas Haapala Ohjaaja: DI Heikki Puustinen Valvoja: Prof. Kai Virtanen

Optimointi. Etsitään parasta mahdollista ratkaisua annetuissa olosuhteissa. Ongelman mallintaminen. Mallin ratkaiseminen. Ratkaisun analysointi

Kon Konepajojen tuotannonohjaus: ILOG CPLEX Studion käyttö

Luento 1: Optimointimallin muodostaminen; optimointitehtävien luokittelu

Mat Optimointiopin seminaari kevät Monitavoiteoptimointi. Tavoitteet

Harjoitus 8: Excel - Optimointi

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

Esimerkkejä kokonaislukuoptimointiongelmista

Luodin massajakauman optimointi

Monitavoiteoptimointi

TTY Porin laitoksen optimointipalvelut yrityksille

Parempaa äänenvaimennusta simuloinnilla ja optimoinnilla

Lineaaristen monitavoiteoptimointitehtävien ratkaiseminen Bensonin algoritmilla

Optimoinnin sovellukset

Malliratkaisut Demot

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. 3. Luennon sisältö

Epälineaarinen hinnoittelu: Diskreetin ja jatkuvan mallin vertailu

Optimaalisuusehdot. Yleinen minimointitehtävä (NLP): min f(x) kun g i (x) 0 h j (x) = 0

Optimoinnin mahdollisuudet tilaus- ja toimitusketjujen hallinnassa. Helsinki, Olli Bräysy

OPINTOJAKSOJA KOSKEVAT MUUTOKSET/MATEMATIIKAN JA FYSIIKAN LAITOS/ LUKUVUOSI

OPINTOJAKSOJA KOSKEVAT MUUTOKSET/MATEMATIIKAn JA FYSIIKAN LAITOS LUKUVUOSI

Matemaattinen optimointi I, demo

Eläkelaitoksen Optimointimallin Rakentaminen

OPERAATIOTUTKIMUS METSÄTALOUDESSA

Lineaaristen monitavoiteoptimointitehtävien

Aircraft Maintenance Scheduling with Multi- Objective Simulation- Optimization

Harjoitus 5 ( )

6. Luennon sisältö. Lineaarisen optimoinnin duaaliteoriaa

Tutkintovaatimukset suoraan DI-vaiheeseen valituille

Malliratkaisut Demot

Stokastinen optimointi taktisessa toimitusketjujen riskienhallinnassa (valmiin työn esittely)

Harjoitus 1 ( )

Malliratkaisut Demot

Varastonhallinnan optimointi

Mat Lineaarinen ohjelmointi

Luento 6: Monitavoitteinen optimointi

Luento 7: Kokonaislukuoptimointi

Tuotantoprosessin optimaalinen aikataulutus (valmiin työn esittely)

Malliratkaisut Demo 4

12. luento: Simplexin implementointi Mallinnusjärjestelmät. Simplexin implementointiin liittyviä asioita

Metsikkötason optimointi metsäsuunnittelussa, esimerkkinä SMA

Finanssitekninen opetustarjonta Turussa

Malliratkaisut Demot

Harjoitus 5 ( )

Harjoitus 3 ( )

ENSIHOITOMALLINNUS. Malli laskee asemapaikkojen määrän ja sijainnin, ambulanssien määrän, palvelun peittoprosentin ja kustannukset

Luetteloivat ja heuristiset menetelmät. Mat , Sovelletun matematiikan tutkijaseminaari, kevät 2008, Janne Karimäki

Kasvuyrityksen tuotekehitysportfolion optimointi (valmiin työn esittely)

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

OPTIMOINNIN JA PÄÄTÖKSENTEON MAISTERI- KOULUTUS (OPTI)

Kokemuksia ja näkemyksiä teollisuusmatematiikan koulutuksen kehittämisestä

MAT PÄÄTÖKSENTEKO JA ONGELMANRATKAISU

Lentotiedustelutietoon perustuva tykistön tulenkäytön optimointi (valmiin työn esittely)

Sovelletun fysiikan laitoksen tutkimus- ja yritysyhteistyö osana yhteiskäyttölaboratoriota

Logistiikan optimointi- ja ohjausjärjestelmä TCS-Opti

Demo 1: Branch & Bound

HOPS Henkilökohtainen opintosuunnitelma LuK -tutkintoon

Lataa Matemaattinen mallinnus. Lataa

Talousmatematiikan perusteet: Luento 12. Lineaarinen optimointitehtävä Graafinen ratkaisu Ratkaisu Excel Solverilla

4. Luennon sisältö. Lineaarisen optimointitehtävän ratkaiseminen Simplex-menetelmä

Simulation and modeling for quality and reliability (valmiin työn esittely) Aleksi Seppänen

Trimmitysongelman LP-relaksaation ratkaiseminen sarakkeita generoivalla algoritmilla ja brute-force-menetelmällä

Malliratkaisut Demot

How to Support Decision Analysis with Software Case Förbifart Stockholm

Tuotannon jatkuva optimointi muutostilanteissa

Talousmatematiikan perusteet: Luento 11. Lineaarinen optimointitehtävä Graafinen ratkaisu Ratkaisu Excel Solverilla

Katkonnanohjaus evoluutiolaskennan keinoin

MATEMATIIKKA MATEMATIIKAN PITKÄ OPPIMÄÄRÄ. Oppimäärän vaihtaminen

Malliratkaisut Demot

Mat Systeemien identifiointi, aihepiirit 1/4

73125 MATEMAATTINEN OPTIMOINTITEORIA 2

monitavoitteisissa päätöspuissa (Valmiin työn esittely) Mio Parmi Ohjaaja: Prof. Kai Virtanen Valvoja: Prof.

TFM-tutkinto-ohjelma, tekniikan kandidaatin tutkinnon pääaineet lv Teknillinen fysiikka Matematiikka Mekaniikka Systeemitieteet

Kombinatorinen optimointi

Luento 7: Kokonaislukuoptimointi

Harjoitus 9: Optimointi I (Matlab)

Harjoitus 3 ( )

Talousmatematiikan perusteet: Johdanto. Kurssin tavoitteet Käytännön järjestelyt Suosituksia suorittamiseen

Lineaarisen ohjelman määritelmä. Joonas Vanninen

Panosprosessien integroitu hallinta

Malliratkaisut Demo 1

TIES483 Epälineaarinen optimointi

Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

Lineaaristen monitavoiteoptimointitehtävien ratkaiseminen Bensonin algoritmilla

ALGORITMIT & OPPIMINEN

F901-P Perusopinnot P (80 op) op opetusperiodi

Erasmus liikkuvuus Suomesta

TEKNILLINEN TIEDEKUNTA, MATEMATIIKAN JAOS

Transkriptio:

Optimoinnin haasteet ja hyödyt esimerkkejä elävästä elämästä Prof. Marko M. Mäkelä Turun yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos

Turku Optimization Group (TOpGroup ) Johtaja: - Marko M. Mäkelä Tutkijat: - Stefan Emet - Yury Nikulin - Napsu Karmitsa Jatko-opiskelijat: - Outi Wilppu - Kaisa Joki - Ville-Pekka Eronen - Olga Karelkina (väit. 18.12.2012) - Seppo Pulkkinen (väit. 5.12.2014) - Vladimit Korotkov (väit 20.2.2015)

Turku Optimization Group (TOpGroup ) Optimointialat: - epäsileä optimointi - monitavoiteoptimointi - globaali optimointi - diskreetti optimointi - sekalukuoptimointi - robusti optimointi Teoriaa, menetelmiä ja sovelluksia!

Yhteistyökumppanit Kansalliset: - Åbo Akademi - Aalto yliopisto - Jyväskylän yliopisto - Tampereen teknillinen yliopisto (Pori) Kansainväliset: - University of Ballarat, Australia - University of Southern Denmark - Belarusian State University, Minsk, Belarus - Imperial College London, United Kingdom - Federal University of Rio de Jaineiro, Brazil - Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland - Witwatersrand University, Johannesburg, South Africa - Academy of Sciences, Czech Republic - Universidad Católica de la Ssma. Concepción, Chile - Pontificia Universidad Catolica de Chile

Matemaattinen mallintaminen mallinnus = ilmiön kuvaamista matemaattisten yhtälöiden avulla simulointi = ilmiön matkimista tietokoneella optimointi = parhaan ratkaisun etsimistä annetuissa olosuhteissa Fysikaalinen ilmiö Matemaattinen malli Numeerinen malli Tulosten analysointi

Optimointi: Parhaan mahdollisen ratkaisun etsimistä sallituissa olosuhteissa lyhimmän reitin ongelma, kauppamatkustaja lukujärjestys, aikataulut, pakkausongelma, selkäreppu tukiasemien sijoittelu teiden linjaus, reititys tuotantolinjan optimisäätö minimikustannukset, maksimivoitto, jne.

Optimointitehtävä matemaattisesti: Minimoi/maksimoi f (x) siten että x S, missä x on (päätös, suunnittelu, kontrolli, säätö)muuttuja, f on kohde(objekti, kriteeri, kustannus, hyöty)funktio, S on sallittujen pisteiden joukko (sallittu joukko, rajoitejoukko, käypä joukko, sallittu alue, jne.). Lisäksi: parametrit, esim. f (x) = x T Qx indeksit, esim x ijk

Optimointialoja: Lineaarinen optimointi (LP) Epälineaarinen optimointi (NLP, mathematical programming) Konveksi optimointi Kvadraattinen optimointi (QP) Diskreetti (kokonaisluku) optimointi Sekalukuoptimointi (MILP/MINLP) Kombinatorinen optimointi Stokastinen optimointi (vs. deterministinen) Sumea optimointi Robusti optimointi Dynaaminen optimointi Globaali optimointi Epäsileä optimointi Monitavoiteoptimointi Geometrinen optimointi Variaatiolaskenta Kontrolliteoria, (Optimi)säätöteoria Portfolio-optimointi Semi-ääretön optimointi (semi-infinite programming, SIP) Semidefiniitti optimointi (SDP) Fraktionaalinen optimointi (FP) jne

Turun saariston yhteysalusverkosto:

Yhteysalusverkon reititys- ja aikataulutusongelma optimointikriteerit: käyttökustannukset (min) palvelutasot (max) päätösmuuttujat - vastaavat mm. seuraaviin kysymyksiin: Ajaako tietty alus tietyn reitin tiettyyn aikaan? (bin) Käytetäänkö tiettyä alusta tiettynä vuodenaikana? (bin.) Liikennöikö tietty alus kahdella miehistöllä? (bin) Kuinka monta kysyntäyksikköä tietty alus kuljettaa? (kok.luku) Kuinka suuri palvelutaso tietyllä reitillä saavutetaan? (jatkuva) jne. rajoitukset: alus vain yhdellä reitillä kerrallaan, kapasiteetit, työaikalainsäädäntö, jne. parametrit: alusten nopeudet, reittien pituudet, aikarajat, polttoaineen hinnat, jne.

1. päätös: Ajaako Eivor Utön reitin kesällä maanantaiaamuisin? 2 vaihtoehtoa 2. päätös: Ajaako Eivor Utön reitin kesällä maanantai-iltaisin? 4 vaihtoehtoa 3. päätös: Ajaako Eivor Utön reitin talvella maanantai-iltaisin? 8 vaihtoehtoa 4. päätös: Ajaako Finnö Utön reitin talvella maanantai-iltaisin? 16 vaihtoehtoa 5. päätös: Ajaako Finnö Paraisten reitin talvella maanantai-iltaisin? 32 vaihtoehtoa 20. päätös: Ajaako Cheri Paraisten reitin kesällä maanantai-iltaisin? yli miljoona vaihtoehtoa

Matemaattiset haasteet (vs. LP-malli) epälineaarisuus transformaatiotekniikat (vs. linearisointi) monitavoitteisuus skalarisointi (rajoiteyhtälömenetelmä) sarja yksitavoitteisia MILP-tehtäviä sekalukutehtävä haaroitusmenetelmä (branch & bound) relaksointi sarja jatkuvia LP-tehtäviä tehtävän koko 300 miljoonaa päätösmuuttujaa 1 miljoona diskreettiä muuttujaa 'eksponentiaalisen kasvun kirous'

Monitavoitteinen lineaarinen sekalukutehtävä: min c 1T x + c 2T y + c 3T z max s 1T x + s 2T y + s 3T z (kustannukset) (palvelutasot) siten että A 1 x + A 2 y + A 3 z b, x 0, z 0, x R n, y i {0,1} kaikilla i=1,, m ja z Z k.

ei ratkea nykypäivän parhailla supertietokoneillakaan!!! pienemmät ratkeavat osamallit ( ~ tuhansia muuttujia) uuden aluksen hankinta (ominaisuudet) GAMS & ILOG CPLEX satsaus tulevaisuuteen

Ensihoidon optimaalinen järjestäminen Ambulanssien kiinteiden sijoituspaikkojen optimointi Tavoitteet: palveluvutasot, saavutettavuus (max) kustannukset (min) Mallit: monitavoitteinen diskreetti optimointimalli paikkatietokantapohjainen malli

Sahahakkeen laadun optimointi Uusiutuva biopolttoaine Sahahaketta ja purua 15 % Seulonta: 6 kokoluokkaa, loput purua Laatuluokat (asiakaskohtaiset) Tehtävä: optimoi hakkeen koostumus (laatu/määrä) Matemaattinen malli: LP-tehtävä Numeerinen malli: Simplex-menetelmä (Lingo) Ratkaisu: ylisuuri- ja hienojae seulotaan kokonaan pois, tikkujae kokonaan mukaan, ylipaksujakeesta pois 35 % Herkkyysanalyysi: pullonkaulana laatuarvon yläraja

Kuormauslavan pakkausongelma 3D-pakkausongelma Manuaalinen pakkaus automatisoitu robottilinja Tavoitteet: täyttöasteen maksimointi stabiilisuuden maksimointi Kaksitasoinen optimointi: Pakkausjärjestys (Geneettinen algoritmi) Pakkaaja (pakkausheuristiikka)

Tavoitteet: Paperinvalmistuslinjan mallinnus ja optimointi hyvälaatuinen lopputuote (paperi) koneen maksimaalinen ajettavuus Malli: monifysikaalinen (kytketty) malli - virtausdynamiikka (Navier-Stokes) - tilastolliset mallit

Häivetekniikkaan perustuvan lentokoneen muodonoptimointi Tavoitteet: mahdollisimman heikko tutkakaiku mahdollisimman hyvät aerodynaamiset ominaisuudet Malli: monifysikaalinen malli - virtausdynamiikka (Navier-Stokes) - sähkömagneettinen säteily (Maxwell) - lujuuslaskenta (Hooken laki)

Tavoitteet: Metsätyökoneiden optimaalinen muodonsuunnittelu tehokkuus tuotantokustannukset ergonomiset kriteerit ekologiset kriteerit psygologinen kriteeri paino Malli: analyyttinen malli (lujuuslaskenta) FEM-malli Optimointi: epäsileä ja epäkonveksi monitavoitteinen rajoitteet

Tulokset: Metsätyökoneiden optimaalinen muodonsuunnittelu puomien painosta pois 20 % automatisoitu tuotantoprosessi ohuempi materiaali helpompi työstää

Muita sovelluksia: - teräksen jatkuvavalu - EMF-kalvoon perustuvan litteän kaiuttimen muodonoptimointi - ultraäänilähettimen muodonoptimointi - aktiivinen meluntorjunta - sädehoidon suunnittelu - tietoliikenneverkon kapasiteetin optimointi - piirilevyjen suunnittelu - sokeriteollisuuden erotteluongelmat - lentokentän toiminnan suunnittelu - konttilaivaston logistiikka - sataman konttikentän mallinnus ja simulointi - ennakoiva huolto (Preventive Maintenance)

Optimoinnin haasteet: Reaalimailman epäjatkuvuus Epäsileä optimointi Reaalimaailman epäkonveksisuus Globaali optimointi Metaheuristiikat ja hybridimenetelmät Useita ristiriitaisia tavoitteita Monitavoiteoptimointi Sekä jatkuvia että diskreettejä muuttujia Sekalukuoptimointi Suuret tehtävät (Big Data) Menetelmien tehostaminen Vastepinta- ja metamallit Suurempien kokonaisuuksien hallinta Monitieteiset (Multidisciplinary) mallit Epätarkka tai puutteellinen data Epävarmuuden käsittely, Robusti- ja stokastinen optimointi Herkkyys- ja stabiilisuusanalyysi

Optimoinnin hyödyt: Paremmat (optimaaliset) lopputuotteet Tuotantoprosessien (ml. logistiikka, varastonhallinta, huolto) tehostuminen Kilpailukyvyn lisääntyminen Suurempien kokonaisuuksien hallinta Ilmiöiden ja prosessien ymmärryksen lisääntyminen Uudet innovaatiot Optimoinnin ulottaminen liikkeenjohdon tasolle Älykkäät päätöksenteon tukijärjestelmät

Tutkimusyhteistyö Työn tilaaja yritys julkisyhteisö (kaupunki, kunnat,...) tutkimuslaitos Työn toteutus opinnäytetyö tutkimusprojekti (Tekes, EU) tilaustutkimus Opinnäytetyö työn muoto (pro gradu, kanditutkielma, mallinnusprojekti, ) rahoitus ei rahaliikennettä ulkopuolinen palkkatyö tutkimusprojekti (apuraha) aikataulu työn julkisuus tulokset opinnäyte

SMAT5216 Mallinnusprojekti 8 12 op Tavoitteet: mallintaa ja ratkaista joku reaalimaailman matemaattinen ongelma omaksua työelämässä käytetyn projektityöskentelyn periaatteet Ajoitus: Syventävät opinnot, 3. n. vuosi Arvostelu: 0 5 (tarvittaessa henkilökohtainen) Soveltuvuus: MOS Muoto ja suoritustapa: projektimuotoinen (2-4 henkilön) ryhmätyö projektisuunnitelman laadinta ja esittely muiden ryhmien suunnitelmien opponointi viikoittaiset projektipalaverit (kiertävä puheenjohtajuus, mukana ohjaaja ja tilaaja) palaverimuistiot (kiertävät sihteerin tehtävät) henkilökohtainen ajankäyttöpäiväkirja (tehdyt työt ja tunnit) projektikansio (suunnitelma, tutkimusraportti, muistiot, ohjelmistot, itsearviointi), loppuesitys (20-30 min., julkinen, ohjelmistodemo) Projektityö on välttämätöntä, sillä se antaa tekosyyn syyttää virheistä muita.

Toteutuneita projekteja: 2007: Geneettiset vuorovaikutukset: mallinnus ja data-analyysi (GIN, Tero Aittokallio) Eläinten kuvionmuodostus (PILVI, Kalle Parvinen) 2009: Geneettisten interaktioiden mekanistinen mallinnus (GIM, Tero Aittokallio) Satamatoimintojen mallintaminen (SATAMA, MKK) MIMO-OFDM simulation and analysis (MIMOSA, IT-laitos) 2011: Symboliset laskimet yliopisto-opetuksessa (Symppis, Kalle Parvinen) Hengitysliikkeen mallinnus sydämen PET-kuvantamisessa (Help Pete, PET-keskus) Robust discerete optimization with fuzzy parameters (SPOFI, Yury Nikulin) Cross-docking satamaterminaalissa (SATAMA 2011, MKK) Sandwich-levyjen ääneneristävyyden mallinnus (Sämpylä, Työterveyslaitos) 2013: Hengitysgeittaus PET- ja TT-kuvantamisessa (PETLAB, PET-keskus) Konttilaivaston optimointia (CFO, Cargotec Finland Oy) Massajakauman mallinnus 3-D pakkausongelmassa (MassMal, Kine Robotic Solutions Oy)

Kiitos!