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高質量發展是全面建設社會主義現代化國家的首要任務。制造業是國民經濟的主體,推動制造業向高端化轉型升級、建設制造強國,是高質量發展的重要體現。工業軟件在現代制造業,以及更廣泛意義上的工業智能中,往往都承擔著核心技術和核心系統的角色。它被譽為工業制造的大腦和神經,隨著全球“傳統制造”加快向“智能制造”轉型升級,工業軟件正在成為智能制造的核心基礎性工具。

作為攻克高端制造和裝備過程中的核心技術,工業軟件大多離不開底層數學軟件的支撐,數學工業軟件可以將復雜的運營難題抽象提煉成數學問題進行求解優化,在數字經濟時代,其對企業運營的數字化、精細化及最優化管理有著不可忽視的支持作用。

近日,杉數科技聯合創始人兼首席科學官、上海財經大學交叉科學研究院院長、上海復旦大學人工智能創新與產業研究院客座教授葛冬冬做客人民網《人民會客廳》,聚焦數學工業軟件創新話題,探討以求解器為代表的數學工業軟件如何更好地服務產業高質量發展。

高運營復雜度&響應靈敏度,產業智能轉型頗具挑戰

當前,諸如大數據和人工智能等新興技術極大地改變了全球要素資源配置方式、產業發展模式和人民生活方式。處于經濟新舊勢能轉換、結構轉型升級的大背景下,面對產業鏈和經營規模擴大、協同和競爭關系復雜的局勢,企業在經營管理上面臨多方面挑戰,集中體現在三個方面。

第一,產業鏈全球化及生產規模擴大帶來的協同難度放大,產業進步又使得各個環節的交叉及融合程度大大加深,因此,運營體系復雜度顯著提升。第二,在現代工業的生產運營中,為達到最優效益,對生產和決策的響應度要求也越來越高。第三,基礎工業行業具有技術密集型和資本密集型特點,生產過程中涉及到復雜的技術和設備,如高端數控機床、自動化生產線等,技術壁壘和研發成本較高,而我國在此方面的技術積累和人才儲備都不足。

4年迭代7大版本,杉數自研求解器開創“中國速度”

在應對上述挑戰時,求解器的角色至關重要,其在現代制造業及更廣泛的工業智能中,往往都承擔著核心技術和系統的作用。它一方面為現代工業中的軟件提供底層支持,比如某些軟件的底層算法大多涉及到大規模線性/非線性復雜系統的求解和優化,這些需要結合數學專業軟件來高效實現。另一方面,現在工業生產和調度中的很多核心問題,比如大規模生產和制造系統中的排產排程及生產調度、航空/公交/鐵路中的交通工具和乘務的調度排班及路線規劃、電網的全網電力調度優化及機組組合優化等,都可以通過專業的求解器來實現。

隨著工業4.0概念興起,國家對數據科學愈加重視,社會對大數據和AI技術也普遍認可,在中國,數學工業軟件和求解器迎來一個較好的發展期,其中杉數科技所從事的數學規劃類調度和優化算法軟件——COPT優化求解器穩居世界一流水準。

2019年5月,杉數科技推出國內首款大規模專業數學優化求解器Cardinal Optimizer(COPT),截止到現在,4年時間已經迭代了7個大版本。當時,COPT1.0版本先從最簡單的線性系統開始,一經發布即登上世界求解器權威公測平臺線性規劃單純形法榜單榜首。隨后,杉數科技陸續發布了混合整數規劃、線性規劃內點法、二階錐規劃、凸二次(約束)規劃、半定規劃等求解器多個功能模塊,填補了國產化求解器的諸多空白。

值得一提的是,根據美國ASU測評數據,COPT求解器的大部分求解模塊的求解性能都已比肩甚至超越國際先進求解器,可支持億量級問題的高效求解,具有強大的底層技術優勢。企業對求解器的需求當中,對于混合整數規劃(MIP)模塊的需求更大,實際占比接近80%。作為在現實中比較常用的整數規劃,杉數求解器COPT在整數規劃榜單上已達到世界第二的水平。

兼具商業價值&社會價值,詳解求解器三大獨有優勢

作為中國自主研發的高效數學規劃求解器套件,杉數求解器COPT不僅在功能和性能上具有優勢,在當今錯綜復雜的國際環境下,在保障信息和數據安全上,其還有著以下不可忽視的優勢。

第一,在通信、能源、電網、航空等基礎工業領域,具有自主知識產權的優化求解器和運籌優化算法平臺不僅具有極大的商業價值,更具有無可估量的社會價值。其一方面可以保障自己的軟件安全能力,另一方面可以有效保障數據安全,對事關國計民生的重要領域、基礎設施等命脈行業進行自主把控。

第二,通常,對數學工業軟件有需求的企業,所面臨的運營決策場景大都比較復雜,為了破解運營難題需要進行定制化開發或對標準軟件進行深層改造。此外,針對某些問題,國家一些重點單位需要根據國產硬件進行適配或重新編譯,而這些是國外軟件無法滿足的。而像杉數求解器COPT等國產數學工業軟件可以針對企業的運營場景進行定制化求解加速,根據不同版本硬件進行求解器的重新編譯,做嵌入式系統改造,提供并更加便捷和及時的支持服務。

第三,杉數求解器COPT線性及整數求解器已被應用于國家和企業的多個重要項目中,擁有豐富的落地場景,并可針對不同行業解決方案進行定制化,根據需求及實際情況,為客戶量身定制服務。

服務產業重大需求,詳解典型應用案例

目前,杉數求解器COPT已經服務了1000多用戶,覆蓋20多個國計民生的行業,其應用場景比較廣泛。除了覆蓋能源,電網,交通,航空航天等制造生產的核心技術領域外,事實上,還有更多的行業中的智能化轉型需求和場景也都可以應用,比如供應鏈管理中的倉網規劃、庫存補貨與收益管理;物流中的路網優化及設施選址;智慧城市的水網/汽網建設、智慧紅綠燈、應急管理及出行平臺機制設計;金融資產配置優化及風險管理;工程管理;宏觀經濟管理等領域。

基于求解器決策優化模式的大規模應用,可以全面激活數據價值,優化要素配置,有效降低能源及資源浪費,助力產業高質量發展。接下來將結合杉數科技多年服務經驗,闡述求解器在工業智能轉型中如何發揮價值。

先以能源電力領域的具體應用為例,這是關乎每個人的日常生活的領域,如何保證電力系統穩定運行涉及非常復雜的計算。杉數求解器COPT可以廣泛用于無功調度優化、電力市場定價和出清等典型能源電力優化場景。

以杉數科技和中國南方電網電力調度中心的合作為例,雙方共同打造了定制化國產出清系統,幫助其在南方五省大范圍內進行電力調配和電網管理。通過南網總調,綜合考慮交直流迭代、梯級水電等復雜約束特點,用優化技術引擎對電力現貨市場原出清模型進行深度定制化改造,實現機組分配最優化,降低平均發電成本,提升整體運營效率。值得一提的是,與南網的合作,基于建設電力運行方面國產的基礎軟件的共同目標,實現代碼國產自研率達100%,突破了優化引擎技術此前依賴國外軟件的狀況。

列車運行圖是列車在區間運行及在車站到發時刻的技術文件,其編制是決定鐵路運量的關鍵一環。高鐵運行的濟效益主要取決于排班列車的數量,每增加一對列車每年營收增加近億元。

高鐵運行管理主要涉及兩個問題,一個是列車時刻表問題,每一輛列車什么時間發車、哪個時間到哪個站、用哪個車道、什么時間到下一個車站等這些都需要精密的排序;另一個是決策表,車站內對于宏觀的列車時間表該如何把控的問題。目前杉數對國內最繁忙的一條高鐵線進行實際測試,通過求解器在1200秒內即可計算排出雙向584輛車,而584是原來人工排序所能到達的極限,而且在1500秒內可以完成雙向全部列車的鋪排,人工排序則需要數天。由此可以看出,通過求解器COPT對模型進行求解,可以大幅提升運營人員工作效率和降低運營成本。

此外,杉數求解器COPT還幫助3C電子、鋼鐵、食品飲料、化工等20多個行業細分領域建設智能化的供應鏈體系,解決核心的系統決策問題,為行業的智能化升級提供強大動力。未來,杉數求解器COPT將持續升級迭代,落地更多行業的智能決策場景應用,持續驅動產業高質量發展。

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