基于pulp的线性优化问题：微电网日前优化调度（复现）

摘录来源：(71条消息) 微电网日前优化调度入门：求解一道数学建模题_我不是玉的博客-CSDN博客

学习记录与复现

问题描述

问题出自第十届“中国电机工程学会杯”全国大学生电工数学建模竞赛A题：微电网日前优化调度。

下图示意了一个含有风机、光伏、蓄电池及常见负荷的微电网系统。日前经济调度问题是指在对风机出力、光伏出力、常规负荷进行日前（未来24h）预测的基础上，考虑电网测的分时电价，充分利用微网中的蓄电池等可调控手段，使微电网运行的经济性最优。

。

题目要求在如下已知条件下，求不同调度方案的平均用电成本：

• 未来24h、每隔15min共96个时间点的负荷、光伏、风机出力预测，及分时电价数据；
• 风机容量250kW，发电成本0.52元/kWh；
• 光伏容量150kW，发电成本0.75元/kWh；
• 蓄电池容量300kWh；SOC初始值0.4，运行范围[0.3, 0.95]；由充电至放电成本为0.2元/kWh；日充放电次数限制均为8；忽略蓄电池损耗

完整问题描述参考：

• 第十届“中国电机工程学会杯”全国大学生电工数学建模竞赛 A 题：微电网日前优化调度
• 微电网日前优化调度 。算例有代码（0）

风光储优化调度模型

题目涉及电网、新能源（风机、光伏）、蓄电池及负荷四类资源，我们依次建立其线性规划模型，然后交给求解器求解。一个线性规划模型包含：

• 设计变量：各类资源的实时出力数据
• 约束条件：能量平衡及各类资源应该满足的技术参数，例如蓄电池的容量限制、SOC限制、充放电次数限制等
• 目标函数：运行成本，具体到本题即用电成本

本文基于 Python 第三方库PuLP实现。PuLP是一个线性规划问题建模库，将数学模型转换为 MPS 或者 LP 文件，然后调用 LP 求解器如 CBC、GLPK、CPLEX、Gurobi 等求解。具体用法参考下面链接，本文不再赘述。

• PuLP Documentation
• Python求解线性规划——PuLP使用教程

开始之前先抽象一个模型基类，表示各类调度设备，包含名称、容量、使用成本等基本属性，同时提供一个create_model()方法，用于实现设计变量、约束条件、目标函数等线性规划模型三要素。模型求解后，调用output属性获取变量值，即每个时刻的出力。

import pulp
import numpy as np
class Model:
    def __init__(self, name:str,
                        capacity:float,         # resource capacity
                        unit_cost:float):       # unit cost when using the energy
        '''Base class for resource model, e.g., Grid, Renewable and Storage.'''
        # technical parameters
        self.name = name
        self.capacity = capacity
        self.unit_cost = unit_cost

        # linear programming model: variables, constraints and objective
        self.variables = None
        self.constraints = None
        self.objective = None

    def create_model(self, time_points:int, dt:float):
        '''How to create the LP model.'''
        raise NotImplementedError
    @property
    def output(self): return np.array([v.value() for v in self.variables])

接下来依次建立电网、新能源（风机、光伏）及蓄电池的模型。

(1) 电网模型

电网模型继承自Model基类，同时新增了 卖电收益 属性，并且满足容量约束即每个时刻的出力不能超过限定值，目标函数为运行成本即用电费用与卖电收益的差值。

直观地，任意时刻可以用一个变量 来表示电网的出力：正值表示从电网买电，或者负值表示卖电给电网。但是，事先并不知道 的正负，也就没法计算此刻的运行成本（不能将线性规划变量直接用于if-else语句中）。因此，引入买电、卖电两个中间变量来分开描述：

• 表示 i 时刻从电网买电量；
• 表示 i 时刻向电网卖电量；

因为同一时刻电流只能单向流动，即 和至少有一个等于0：。

但这并不是一个合法的线性约束，需要再引入一个0-1变量：

• ：1 表示从电网买电即，0 表示卖电到电网即

于是线性约束表示为：

其中，C为电网容量（交换功率）限制值，上限。

最终，电网 i 时刻实际出力 及用电成本（买电或卖电）:

其中，分别为该时刻单位买电成本、卖电收益（元/kWh），dt 为时间步长。

class Grid(Model):
    def __init__(self, name:str,
                    capacity:float,
                    unit_cost:np.ndarray,    # unit cost when buying electricity from utility grid
                    unit_profit:np.ndarray): # unit profit when selling electricity to utility grid
        super().__init__(name, capacity, unit_cost)
        self.unit_profit = unit_profit

    def create_model(self, time_points:int, dt:float):
        # define variables at each time point
        vars_from = [pulp.LpVariable(name=f'{self.name}_from_{i}', lowBound=0) for i in range(time_points)]
        vars_to = [pulp.LpVariable(name=f'{self.name}_to_{i}', lowBound=0) for i in range(time_points)]
        self.variables = [v1-v2 for v1,v2 in zip(vars_from, vars_to)]

        # constraints: capacity limit
        # 0<=var_from<=C*b
        # 0<=var_to<=C*(1-b)
        self.constraints = []
        vars_b = [pulp.LpVariable(name=f'{self.name}_binary_{i}', cat=pulp.LpInteger) for i in range(time_points)]
        for v1,v2,b in zip(vars_from, vars_to, vars_b):
            self.constraints.append(v1<=self.capacity*b)
            self.constraints.append(v2<=self.capacity*(1-b))

        # objective
        self.objective = pulp.lpSum([v*x for v,x in zip(vars_from, self.unit_cost)])*dt - \
            pulp.lpSum([v*x for v,x in zip(vars_to, self.unit_profit)])*dt

(2) 新能源发电模型

将风机和光伏抽象为新能源发电模型，约束条件为 每一时刻的电力供应不大于预测出力，如果不允许弃风弃光的话，则等于预测出力值。因此，在Model类基础上增加两个输入参数：

• forecast：每一时刻的出力预测，即一个列向量/数组/时间序列；
• allow_curtailment：是否允许弃风弃光，默认允许。

相应地，提供一个utilization输出属性表示新能源发电的实际利用率。

class Renewable(Model):
    def __init__(self, name:str,
                    capacity:float,
                    unit_cost:float,
                    forecast:np.ndarray,          # forecasting output
                    allow_curtailment:bool=True): # allow curtailment or not
        super().__init__(name, capacity, unit_cost)
        self.forecast = forecast
        self.allow_curtailment = allow_curtailment

    def create_model(self, time_points:int, dt:float):
        # define variables at each time point
        self.variables = [pulp.LpVariable(name=f'{self.name}_{i}', lowBound=0) for i in range(time_points)]

        # constraints:  v<=forecast
        if self.allow_curtailment:
            self.constraints = [v<=x for v,x in zip(self.variables, self.forecast)]
        else:
            self.constraints = [v==x for v,x in zip(self.variables, self.forecast)]

        # objective
        self.objective = pulp.lpSum(self.variables)*self.unit_cost*dt

    @property
    def utilization(self): return self.output.sum() / self.forecast.sum()

(3) 蓄电池模型

原题已经给出了蓄电池的混合整数规划数学模型，除了基类中的容量、单位用电成本外，还有如下主要参数：

• capacity_limit：爬坡限制值，即原题公式（5）中的数值 20%
• init_soc：初始SOC状态
• soc_limit：电量范围SOC限制
• cycle_limit：充放电次数限制

参考原题的约束：

• 爬坡约束：公式（3）（5）
• 容量约束：公式（1）（2）
• 调度周期始末电量相等：公式（4）
• 充放电次数约束：公式（6）

类比上文对电网买电、卖电行为的建模，同一时刻也需要三个中间变量：充电功率 、放电功率、充放电0-1状态（1-放电，0-充电）来描述电池的出力。前三个约束的实现不再赘述，下面重点解析充放电次数约束。

充放电状态序列，引入辅助的0-1变量 t表示相邻状态相减的绝对值，即

当 时，即相邻的充放电状态由0变成了1，或者由1变成了0，表示完成了一次充放电周期。于是总的充放电次数限制约束可以表示为：

那么如何将含有绝对值的等式 变换为线性约束呢？结合本文场景，将等式松弛一下：

• 正是我们需要计数的情况；
• 没有增加计数，此时 表明并未发生充放电状态变化，恰好可以对应上。

于是，上述绝对值等式约束等效为：

class Storage(Model):
    def __init__(self, name:str,
                    capacity:float,
                    unit_cost:float,
                    capacity_limit:float, # charging / discharging ramping limit
                    init_soc:float,       # initial state of charge
                    soc_limit:list,       # SOC limit
                    cycle_limit:int):     # charing / discharging cycle counts limit
        super().__init__(name, capacity, unit_cost)
        self.init_soc = init_soc
        self.soc_limit = soc_limit
        self.cycle_limit = cycle_limit
        self.capacity_limit = capacity_limit

    def create_model(self, time_points: int, dt: float):
        # define variables at each time point
        vars_ch = [pulp.LpVariable(name=f'{self.name}_charge_{i}', lowBound=0) for i in range(time_points)]
        vars_dis = [pulp.LpVariable(name=f'{self.name}_discharge_{i}', lowBound=0) for i in range(time_points)]
        self.variables = [v1-v2 for v1,v2 in zip(vars_dis, vars_ch)]

        # constraints 1: ramping limit
        # 0<=var_dis<=C*b
        # 0<=var_ch<=C*(1-b)
        self.constraints = []
        vars_b = [pulp.LpVariable(name=f'{self.name}_binary_{i}', cat=pulp.LpInteger) for i in range(time_points)]
        C = self.capacity * self.capacity_limit
        for v1,v2,b in zip(vars_dis, vars_ch, vars_b):
            self.constraints.append(v1<=C*b)
            self.constraints.append(v2<=C*(1-b))

        # constraints 2: SOC limit
        soc = self.init_soc
        s1, s2 = self.soc_limit
        for v1,v2 in zip(vars_ch, vars_dis):
            soc += (v1*dt - v2*dt) / self.capacity
            self.constraints.append(soc>=s1)
            self.constraints.append(soc<=s2)

        # constraints 3: same SOC at the scheduling end
        self.constraints.append(pulp.lpSum(self.variables)==0)

        # constraints 4: charging / discharging cycle limit
        # t = |b_i-b_{i+1}|
        # sum(t)<=N
        vars_db = [vars_b[i+1]-vars_b[i] for i in range(time_points-1)]
        vars_t = [pulp.LpVariable(name=f'{self.name}_binary_t_{i}', cat=pulp.LpInteger) for i in range(time_points-1)]
        for db, t in zip(vars_db, vars_t):
            self.constraints.append(db>=-t)
            self.constraints.append(db<=t)
        self.constraints.append(pulp.lpSum(vars_t)<=self.cycle_limit)

        # objective
        self.objective = pulp.lpSum(vars_dis)*self.unit_cost*dt

(4) 风光储优化调度模型

最后，我们抽象出一个微电网类，包含上述能源设备resources及负荷load，同时引入系统能量平衡约束，建立最终的优化模型。其中的几个方法：

• optimize()：建模和求解过程
• operation_cost：目标函数值即总用电费用
• average_cost：平均用电成本

import matplotlib.pyplot as plt

class MicroGrid:
    def __init__(self, resources:list, load:np.ndarray, time_step:float) -> None:
        self.resources = resources
        self.load = load
        self.time_step = time_step

        # create problem: minimize the operation cost
        self.prob = pulp.LpProblem(name='microgrid_optimization', sense=pulp.LpMinimize)

    @property
    def operation_cost(self): return self.prob.objective.value()

    @property
    def average_cost(self): return self.operation_cost / (self.load.sum()*self.time_step)

    def optimize(self):
        '''Micro-grid operation optimization.'''
        # collect resources models
        d_variables, constraints, objective = [], [], 0.0
        time_points = self.load.size
        for resource in self.resources:
            resource.create_model(time_points, self.time_step)
            d_variables.append(resource.variables)
            constraints.extend(resource.constraints)
            objective += resource.objective

        # add constraints: resource level
        for c in constraints: self.prob += c

        # add constraint: energy balance
        for i in range(time_points):
            _vars = [variables[i] for variables in d_variables]
            self.prob += pulp.lpSum(_vars)==self.load[i]

        # objective
        self.prob += objective

        # solve
        self.prob.solve()

        # output
        self._summary() 

    def _summary(self):
        print(f'Status: {pulp.LpStatus[self.prob.status]}')
        print(f'全天总供电费用：{round(self.operation_cost,4)} 元，负荷平均购电单价：{round(self.average_cost,4)} 元/kWh')
        # plot
        for r in self.resources: plt.plot(r.output, label=r.name)
        plt.plot(self.load, label='load')
        plt.legend()

求解典型场景

根据上文建立的优化调度模型，求解提问中的不同调度策略。

先导入全天96个时刻的时间序列数据：

(1) 经济性评估方案

问题：微网中蓄电池不作用，微网与电网交换功率无约束，无可再生能源情况下，分别计算各时段负荷的供电构成（kW）、全天总供电费用(元)和负荷平均购电单价（元/kWh）。

这一问不用优化模型也能解，多余的电卖给电网、不足的电从电网购买即可，参考这篇文章的解析过程。但既然我们已经建立了统一的优化调度模型，本例只要引入电网一种资源，将其作为一个特例直接求解即可。

因为电网交换功率没有限制，直接设一个较大的数例如10^6即可。

# set a large value 1e6 as no limit on energy exchanging with grid
grid = Grid(name='grid', capacity=1e6, unit_cost=unit_cost, unit_profit=unit_profit) 

# microgrid
resources = [grid]
mg = MicroGrid(resources=resources, load=data_load, time_step=15/60) # 15min
mg.optimize()

输出：

Status: Optimal
全天总供电费用：1976.4142 元，负荷平均购电单价：0.5976 元/kWh
12

问题：微网中蓄电池不作用，微网与电网交换功率无约束，可再生能源全额利用情况下，分别计算各时段负荷的供电构成（kW）、全天总供电费用(元)和负荷平均购电单价（元/kWh）。

这一问将风机和光伏加入微网，同时注意设置不可弃风弃光（可再生能源全额利用）

# set a large value 1e6 as no limit on energy exchanging with grid
grid = Grid(name='grid', capacity=1e6, unit_cost=unit_cost, unit_profit=unit_profit) 

# wind turbine: allow_curtailment=False
wt = Renewable(name='wind', capacity=250, unit_cost=0.52, forecast=data_wt, allow_curtailment=False)

# pv: allow_curtailment=False
pv = Renewable(name='pv', capacity=150, unit_cost=0.75, forecast=data_pv, allow_curtailment=False)

# microgrid
resources = [grid, wt, pv]
mg = MicroGrid(resources=resources, load=data_load, time_step=15/60) # 15min
mg.optimize()

print(f'弃风率：{round(1-wt.utilization,4)}，弃光率：{round(1-pv.utilization, 4)}')

输出：

Status: Optimal
全天总供电费用：2275.1698 元，负荷平均购电单价：0.6879 元/kWh
弃风率：0.0，弃光率：0.0

因为限定全额利用可再生能源，所以弃风弃光率都是0。风机、光伏的用电成本较高，即便可以将风机、光伏的电卖给电网，其最终收益还不如低电价时刻从电网直接买电，所以全额利用可再生能源情况下，这一小问的平均用电成本高于上一问的纯网电。

(2) 最优日前调度方案一

问题：不计蓄电池作用，微网与电网交换功率无约束，以平均负荷供电单价最小为目标（允许弃风弃光），分别计算各时段负荷的供电构成（kW）、全天总供电费用(元)和平均购电单价（元/kWh），分析可再生能源的利用情况。

这个调度方案是在上一问的基础上允许弃风弃光，即合理选择使用新能源发电还是网电。同样，我们设置输入参数，然后交给优化模型即可。注意和上一段代码的唯一区别是设置允许弃风弃光 allow_curtailment=True。

# set a large value 1e6 as no limit on energy exchanging with grid
grid = Grid(name='grid', capacity=1e6, unit_cost=unit_cost, unit_profit=unit_profit) 

# wind turbine: allow_curtailment=True
wt = Renewable(name='wind', capacity=250, unit_cost=0.52, forecast=data_wt, allow_curtailment=True)

# pv: allow_curtailment=True
pv = Renewable(name='pv', capacity=150, unit_cost=0.75, forecast=data_pv, allow_curtailment=True)

# microgrid
resources=[grid, wt, pv]
mg = MicroGrid(resources=resources, load=data_load, time_step=15/60) # 15min
mg.optimize()

print(f'弃风率：{round(1-wt.utilization,4)}，弃光率：{round(1-pv.utilization, 4)}')

输出：

Status: Optimal
全天总供电费用：1785.1532 元，负荷平均购电单价：0.5397 元/kWh
弃风率：0.5399，弃光率：0.6923

因为可以根据经济最优选择合适的电力来源，这一调度方案的平均用电成本低于前两问。例如，凌晨时段网电电价本来就低，所以选择直接弃掉此时的风机和光伏电力（参见弃风弃光率）；网电峰电时段择机考虑风电和光伏。这篇文章 从电价解析的角度分析了这个问题，人为分析的策略与本文优化的结果很接近，可以作为参考。

(3) 最优日前调度方案二

问题：考虑蓄电池作用，且微网与电网允许交换功率不超过150kW，在可再生能源全额利用的条件下，以负荷平均供电单价最小为目标，建立优化模型，给出最优调度方案，包括各时段负荷的供电构成（kW）、全天总供电费用(元)和平均购电单价（元/kWh），分析蓄电池参与调节后产生的影响。

这个调度方案在基础场景（1）第二问的基础上引入了蓄电池，同时限制了电网交换功率。

# grid
grid = Grid(name='grid', capacity=150, unit_cost=unit_cost, unit_profit=unit_profit) 

# wind turbine
wt = Renewable(name='wind', capacity=250, unit_cost=0.52, forecast=data_wt, allow_curtailment=False)

# pv: allow_curtailment=False
pv = Renewable(name='pv', capacity=150, unit_cost=0.75, forecast=data_pv, allow_curtailment=False)

# battery: allow_curtailment=False
bt = Storage(name='battery', capacity=300, unit_cost=0.2, capacity_limit=0.2, init_soc=0.4, soc_limit=[0.3,0.95], cycle_limit=8)

# microgrid
resources=[grid, wt, pv, bt]
mg = MicroGrid(resources=resources, load=data_load, time_step=15/60) # 15min
mg.optimize()

print(f'弃风率：{round(1-wt.utilization,4)}，弃光率：{round(1-pv.utilization, 4)}')

输出：

Status: Optimal
全天总供电费用：2210.4672 元，负荷平均购电单价：0.6683 元/kWh
弃风率：0.0，弃光率：0.0
123

相比基础场景（1）第二问的平均用电成本0.6879，本方案用电成本有所降低。结合下图具体调度可知，蓄电池将凌晨高成本的新能源电力转移到了网电的峰电时段，因此比直接在凌晨时段卖高成本的新能源电力更为划算。这篇文章也解答了本问题，可以作为参考。

(4) 最优日前调度方案三

问题：考虑蓄电池作用，且微网与电网允许交换功率不超过150kW，以负荷供电成本最小为目标（允许弃风弃光），建立优化模型，给出最优调度方案，包括各时段负荷的供电构成（kW）、全天总供电费用(元)和平均购电单价（元/kWh），分析可再生能源的利用情况及蓄电池参与调节后产生的影响。

这一调度方案是在问题（3）的基础上允许弃风弃光，同理略作修改即可。

# grid
grid = Grid(name='grid', capacity=150, unit_cost=unit_cost, unit_profit=unit_profit) 

# wind turbine
wt = Renewable(name='wind', capacity=250, unit_cost=0.52, forecast=data_wt, allow_curtailment=True)

# pv: allow_curtailment=True
pv = Renewable(name='pv', capacity=150, unit_cost=0.75, forecast=data_pv, allow_curtailment=True)

# battery: allow_curtailment=True
bt = Storage(name='battery', capacity=300, unit_cost=0.2, capacity_limit=0.2, init_soc=0.4, soc_limit=[0.3,0.95], cycle_limit=8)

# microgrid
resources=[grid, wt, pv, bt]
mg = MicroGrid(resources=resources, load=data_load, time_step=15/60) # 15min
mg.optimize()

print(f'弃风率：{round(1-wt.utilization,4)}，弃光率：{round(1-pv.utilization, 4)}')

输出

Status: Optimal
全天总供电费用：1733.5558 元，负荷平均购电单价：0.5241 元/kWh
弃风率：0.5383，弃光率：0.6494

相比问题（3），本方案允许放弃高电价的新能源电力，因此可以进一步降低平均用电成本；相比问题（2），本方案多了蓄电池的调节作用（峰谷电价转移），因此也降低了平均用电成本，同时因为电池对新能源的消纳，本方案相对问题（2）也略微降低了弃风弃光率。

在调度方法三的基础上，调整储能容量为100kw

Status: Optimal
全天总供电费用：1773.9713 元，负荷平均购电单价：0.5364 元/kWh
弃风率：0.5383，弃光率：0.6494

PuLP库

PuLP是一个开源的第三方工具包，可以求解线性规划、整数规划、混合整数规划问题。

（1）定义一个规划问题

        self.prob = pulp.LpProblem(
            name='microgrid_optimization',
            sense=pulp.LpMinimize)

pulp.LpProblem 是定义问题的构造函数。

　　"microgrid_optimization"是用户定义的问题名。

　　参数 sense 用来指定求最小值/最大值问题，可选参数值：LpMinimize、LpMaximize 。

（2）定义决策变量

        # 在每个时间点定义变量 define variables at each time point
        vars_from = [
            pulp.LpVariable(
                name=f'{self.name}_from_{i}',
                lowBound=0) for i in range(time_points)]  # 每个时刻的买电量
        vars_to = [
            pulp.LpVariable(
                name=f'{self.name}_to_{i}',
                lowBound=0) for i in range(time_points)]  # 每个时刻的卖电量

        vars_b = [
            pulp.LpVariable(
                name=f'{self.name}_binary_{i}',
                cat=pulp.LpInteger) for i in range(time_points)]

pulp.LpVariable 是定义决策变量的函数。

　　f'{self.name}from'’ 是用户定义的变量名。

　　参数 lowBound、upBound 用来设定决策变量的下界、上界；可以不定义下界/上界，默认的下界/上界是负无穷/正无穷。

　　参数 cat 用来设定变量类型，可选参数值：‘Continuous’ 表示连续变量（默认值）、’ Integer ’ 表示离散变量（用于整数规划问题）、’ Binary ’ 表示0/1变量（用于0/1规划问题）。

（3）求解

# Solve the optimization problem

status = model.solve()

调用的是 puip 内置的 CBC求解器

PuLP也很容易集成各种开源或者商业的线性规划求解器。

PuLP函数库只能用于线性模型，非线性问题需要用其他的。

CBC 是开源基金会 COIN-OR (Computational Infrastructure for Operations Research) 开发的线性规划求解器。该基金会开发了大量的运筹学工具，截止 2011 年，已经开发并维护了 48 个项目。

（4）其他求解器

线性整数规划问题的各种求解器的评测结果如下所示：

图中最左边一列是各种参与测试的求解器。可以看到第一行的求解器是 Gurobi 9.5.0 版本，它排名所有求解器中第一名。第二行的求解器是 COPT 4.0.0 版本，它排名所有求解器中第二名，以此类推。中间一列是各种求解器的求解速度，以求解速度第一名的 Gurobi 9.5.0 为单位。第二名的 COPT 4.0.0 求解时间是第一名的4.19倍。（以上排名仅针对线性整数规划问题，其它规划问题也可以在上述评测网站上查阅到）。

需要注意的是上述排名中的求解器分为商业求解器（商用需要付费）和开源求解器（商用无需付费）两大类：

商业求解器：Gurobi, COPT, SCIP/spx, Matlab

开源求解器：CBC, GLPK, LP_SOLVE

• 商业求解器 Gurobi, COPT, SCIP/spx 都可以非常方便的申请学术版授权，如果仅仅是做学术研究的话，学术版授权完全就足够了。当然学术版授权只能用于非商业目的的学术研究，如想以商业为目的话，要么购买商业版授权，要么采用开源求解器。
• 商业求解器的效果远远好于开源求解器，开源求解器中最好的是CBC，它的求解时间也要比商业求解器中最好的Gurobi要慢8.59倍。
• 商业求解器的价格大致在5-200瓶茅台的价格之间，一般来说排名越靠前的求解器价格越高。以上价格仅供参考，具体价格还要结合授权类型，授权年限，多核心支持，多用户支持等服务内容。

其他求解器的介绍干货 | 运筹学、数学规划、离散优化求解器大PK，总有一款适合你 - 腾讯云开发者社区-腾讯云 (tencent.com)

线性规划求解器总结与比较 | Blog of Zhikun Zhang (zhangzhk.com)

【整数规划(十一)】整数规划求解器简介 - 知乎 (zhihu.com)

其他优化工具库

（1）ortools系列：运筹优化工具google ortools简介

ortools系列：运筹优化工具google ortools简介 - 知乎 (zhihu.com)

OR-Tools是一个用于优化的开源软件套件，用于解决车辆路径、流程、整数和线性规划以及约束编程等世界上最棘手的问题。

同时OR-Tools提供了C++,Python,Java,.NET的接口，同时提供统一接口封装来调用商业求解器如Gurobi, CPLEX等，也包括开源求解器如SCIP, GLPK, ortools等。提供运筹优化工具统一接口的概念和coin-or正在做的事情有点像呢。

当前ortools提供的优化器包括： - 约束规划 - 线性与混合整数规划 - 路径规划 - 调度规划 - 网络规划 - 装箱

通过查阅官方提供的案列，基本能解决大部分的优化问题，美中不足的是，装箱问题提供的只要背包问题解法，对于三维装箱问题，需要使用约束规划来求解。

ortools文档托管在developers.google.cn上，需要越墙，所以我把官方文档copy了一份到github上，地址是：google_ortools_guide

（2）CVXOPT

CVXOPT 实际上是一个凸优化工具包，并自带有线性规划求解器，但效率不是很高。但它可以调用外部求解器 [8]，包括 GLPK, MOSEK 和 DSDP。

CVXOPT 的使用方法可以参考它的官方文档 [9]。

（3）CVXPY

CVXPY 是 Stanford 的 Steven Boyd 课题组开发的，做凸优化的同学肯定看过他的《Convex Optimization》这本书。CVXPY 也可以用 conda 进行安装：

1 2	conda install -c conda-forge lapack conda install -c cvxgrp cvxpy

CVXPY 是一个纯粹的 python 优化工具接口，它本身并没有实现任何求解器，都是根据问题类型调用相应的外部求解器 [10]，然后解析结果。对于线性规划问题，可以调用外部的 CBC, GLPK, CPLEX, GUROBI, MOSEK 等。需要注意的是，当需要调用 CBC 时，必须先安装其官方 python 接口 CyLP；当需要调用 CPLEX 时也需要先安装其官方 python 接口。

CVXPY 的建模过程非常直观，可以使用 numpy 的 ndarray。具体使用方法可以参考它的官方文档 [11]

（4）Pyomo

Pyomo 是基于 Python 的开源软件包，主要功能是建立数学规划模型，包括线性规划，二次规划，整数规划，随机规划，含有微分代数方程的优化问题。

这里需要注意两个问题：

1. Pyomo 只负责建模，求解还需要调用求解器来求解
2. Pyomo 是开源免费的，但是只能适用于Python环境

你可能会产生一个疑问，在Gurobi/Cplex之类的求解器中也可以直接写模型啊，为何还需要专门单独搞一个Pyomo来写模型呢？主要是因为如下原因：

1. Pyomo 的建模功能比一般求解器中自带的建模功能强大，例如 Pyomo 可以建模含有微分方程约束的优化问题，可以建模随机规划问题。这些都是 Gurobi/Cplex 所不具备的。
2. 采用 Pyomo 建模可以实现一次建模，通用求解。在 Pyomo 中建模后 可以非常方便地调用其它多种求解器来求解，例如 Gurobi，Cplex，SCIP，CBC等。

所以是否选用 Pyomo 大家可以根据以上两条对照自己的需求来决定。最后 Pyomo 的安装也非常方便，在Anaconda环境中直接采用pip即可安装

pip install pyomo

本文章中完整代码在GitHub中可以下载到，按照代码对照本文学习起来更加高效：

https://github.com/WenYuZhi/Pyo

Pyomo支持全功能编程语言中的分析和脚本编制。此外，Pyomo还证明了开发高级优化和分析工具的有效框架。例如，PySP包提供了随机规划的通用求解程序。PySP利用了Pyomo的建模对象嵌入在功能全面的高级编程语言中的事实，这种语言允许使用Python并行通信库透明地并行化子问题。

（5）Geatpy遗传和进化算法框架

Python遗传和进化算法框架

Geatpy是一个高性能实用型的Python遗传算法工具箱，提供一个面向对象的进化算法框架，经过全面改版后，新版Geatpy2目前由华南农业大学、暨南大学、华南理工等本硕博学生联合团队开发及维护。

• Website (including documentation): http://www.geatpy.com
• Demo : https://github.com/geatpy-dev/geatpy/tree/master/geatpy/demo
• Pypi page : geatpy · PyPI
• Contact us: 关于 – Geatpy
• Bug reports: Issues · geatpy-dev/geatpy · GitHub
• Notice: 公告 – Geatpy
• FAQ: 常见问题 – Geatpy

Geatpy提供了许多已实现的遗传和进化算法相关算子的库函数，如初始化种群、选择、交叉、变异、重插入、多目标优化非支配排序等，并且提供诸多已实现的进化算法模板来实现多样化的进化算法。其执行效率高于Matlab、Java和Python编写的一些知名工具箱、平台或框架等，学习成本低、模块高度脱耦、扩展性高。

Geatpy支持二进制/格雷码编码种群、实数值种群、整数值种群、排列编码种群。支持轮盘赌选择、随机抽样选择、锦标赛选择。提供单点交叉、两点交叉、洗牌交叉、部分匹配交叉(PMX)、顺序交叉(OX)、线性重组、离散重组、中间重组等重组算子。提供简单离散变异、实数值变异、整数值变异、互换变异等变异算子。支持随机重插入、精英重插入。支持awGA、rwGA、nsga2、快速非支配排序等多目标优化的库函数、提供进化算法框架下的常用进化算法模板等。

关于遗传算法、进化算法的学习资料，在官网中https://www.geatpy.com 有详细讲解以及相关的学术论文链接。