論文読み会 ICLR2021 | Learning a Latent Search Space for Routing Problems using Variational Autoencoders

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1. Learning a Latent Search Space for Routing Problems using Variational Autoencoders Authors: André Hottung, Bhanu Bhandari, Kevin Tierney, ICLR2021 (Poster) Reader: @cocomoff Feb. 3, 2021
2. 概要 スコア: 5 7 7 6 ( ギリギリ?) 提案⼿法 CVAE-Opt -VAE ( 正則化項の重みが のVAE) を⽤いて学習データから特徴を埋め込む ( 解の対称性のため⼀⼯夫; Symmetry breaking) 解を⽣成するとき，制約なし最適化アルゴリズムを使いながら⽣成する 過去に紹介したECAI2020 論⽂の著者 ( おそらく) 1/13 β β
3. 実験
4. 実験の設定 提案⼿法 CVAE-Opt をTSP/CVRP の都市数20, 50, 100 へ適⽤ 学習データはConcord(TSP)/LKH3(CVRP) で作成 2/13
5. 実験結果 20 都市の巡回セールスマン問題(TSP) を埋め込んだ空間の可視化 ( おそらく が100 次元で，そのうち2 次元だけ適当に取ってきた空間の描画) 3/13 z
6. 内容
7. 経路問題(routing problems) のためのVAE-based approach CVAE を⽤いてLatent space を学習する VAE: AE + hidden layer , Conditional VAE: VAE + label (condition) 意義 ( 著者談) 意味的に似ている解が潜在空間の近傍に配置される ( 補完可能) これまでの⼿法 (e.g., GA) と異なり，埋め込み⽅も学習する 解は の空間+ 最適化で探す (blackbox 最適化のイメージ) 課題 routing problem を潜在空間に落とし込む⼿法が確⽴されていない 組合せ構造は対称性を持つので，これを扱うテクニックが必要 解の対称性: 以下の解は同じ意味 TSP の解1 TSP の解2 4/13 z ∼ N(⋅) z 東京 → 神⽥ → 秋葉原 → …→ 有楽町 → 東京 神⽥ → 秋葉原 → …→ 有楽町 → 東京 → 神⽥
8. 仕組み ( 全体像) 学習 (CVAE) stochastic encoder , decoder 探索 解きたい問題 と学習した空間の点 からデコーダが経路を⽣成 5/13 q(z∣l, s) p(s∣l, z) l z
9. 表現とモデル グラフ ，ノード の特徴ベクトル TSP: 2 次元の位置情報 CVRP: はdepot ， は顧客 ベクトル (demand など) | 既存研究と同じ 具体的なencoder/decoder は既存研究と似ている ( 次に訪問すべき点を⽰す) 6/13 G = (V , E), V = {v , … , v } 0 n v ∈ i V x i x 0 x i i
10. 学習の挙動 既存⼿法 (AM) との⽐較: TSP は厳密解との⽐，CVRP は近似解同⼠のコスト⽐較 DE (Differential evolution), RS (Random search)@space of 7/13 z
11. Symmetry breaking 組合せ表現には対称性が存在する ( 前述) そのまま学習させると，学習した隠れ解空間 (learned latent search space) の 中で近くない場所に同じ解が出現するようになる 学習時に，random なsymmetrical solutions を使って，これを復元できるように学習 することで，学習した隠れ解空間がいい感じになるように祈る このテクニックによりGap が減少する効果がある 8/13
12. β-VAE β-VAE Higgins et al. 2017: 学習に⽤いるloss function はCVAE に -VAE の重み付け を⼊れたもの 実装的にどういうCVAE になっているかはあまり書いていない 今回の例題においてβ がどれぐらい影響があるか 9/13 L(x, z) = E [log p(x∣z)] − βD [q(z∣x)∣∣p(z)] q(z∣x) KL β β
13. Learned latent space and solution qualities latent space 上のユークリッド距離と，実際に⽣成される解との関係性 近くに良い解があり，特にCVRP では顕著 10/13
14. ⼿法⽐較 提案⼿法は特別⾼速ではない GCN-BS はTSP の「shortest-tour heuristics 」を模倣する実装 NLNS は以前の資料であったLNS のNeural 版 11/13
15. 機構の汎⽤性 学習した機構がどれぐらい汎⽤性を持つのか: で学習 著者主張 で学習して， は性能が良かった． は難しい． 12/13 n = 100 n = 100 95, 105 n = 125, 150
16. Ablation Study | with handcrafted decoder CVAE-Opt-DE と過去に研究されたdecoder Opt-DE を⽐較する Opt-DE J. Bean: Genetic algorithms and random keys for sequencing and optimization ベクトル からpermutation を定義して訪問順を決めるdecoder 著者主張 CVAE-Opt-DE 強い ( あまりよく分からない) 13/13 z ∈ [0 − 1]n