一種仿真模型參數(shù)分區(qū)并行優(yōu)化結構設計

楊晨 周帥 朱國華

摘? 要： 針對現(xiàn)有復雜系統(tǒng)并行優(yōu)化結構優(yōu)化難度大、開發(fā)效率低等問題，為了實現(xiàn)復雜系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結構的通用性和開發(fā)高效性，基于HLA分布式仿真框架，提出一種將仿真模型參數(shù)空間分區(qū)進行優(yōu)化的通用并行優(yōu)化結構，介紹并分析了仿真分區(qū)并行優(yōu)化調(diào)度機制，并在此基礎上進行系統(tǒng)實現(xiàn)。仿真分析比較表明，相較于現(xiàn)有并行仿真參數(shù)優(yōu)化體系結構，文中的仿真結構具有更好的通用性和開發(fā)高效性。運用通用、分區(qū)并行的復雜系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結構，可以在保證參數(shù)優(yōu)化高效的同時，降低系統(tǒng)開發(fā)的時間成本。

關鍵詞： 參數(shù)分區(qū); 并行優(yōu)化; 仿真模型; 復雜系統(tǒng); 參數(shù)優(yōu)化; 比較分析

中圖分類號： TN919?34; TP399? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）22?0136?04

Abstract： In allusion to the problem that the parallel optimization structure of existing complex system is difficult to optimize and has low development efficiency， a general parallel optimization architecture that the parameter space partition of the simulation model is optimized is proposed based on the HLA distributed simulation framework to achieve the universality and development efficiency of the parameter optimization structure of the complex system. The scheduling mechanism of the simulation partition parallel optimization is introduced and analyzed， on which the system implementation is performed. The simulation analysis and comparison show that， in comparison with the existing parallel simulation parameter optimization architecture， the simulation structure in this paper has better universality and development efficiency. The use of general and partition parallel parameter optimization structure of complex system can not only ensure the efficient parameter optimization， but also reduce the time cost of system development.

Keywords： parameter partition; parallel optimization; simulation model; complex system; parameter optimization; comparative analysis

0? 引? 言

21世紀以來，仿真模型參數(shù)優(yōu)化問題一直受到眾多學者的廣泛關注，其中復雜系統(tǒng)模型參數(shù)優(yōu)化問題尤為突出。目前的模型參數(shù)優(yōu)化方法有建立數(shù)學模型進行優(yōu)化、基于仿真的參數(shù)優(yōu)化和利用近似模型進行優(yōu)化等[1]。由于復雜系統(tǒng)的仿真模型參數(shù)過多、系統(tǒng)實體之間關聯(lián)性強等問題導致復雜系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化耗時過長、難以接受，而仿真能夠很好地解決這種帶有不確定性和隨機性的問題，因此建立復雜系統(tǒng)的模型構建和仿真優(yōu)化的體系架構，提高參數(shù)優(yōu)化的速度，是目前復雜系統(tǒng)仿真優(yōu)化面臨的重要挑戰(zhàn)。

并行仿真是目前提高復雜系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化效率的重要解決方案，但是目前的并行優(yōu)化算法和結構都是針對特定問題的專用解決方案，通用性差，難以適用于其他系統(tǒng)的優(yōu)化。本文設計一套融合了分布式仿真（High Level Architecture，HLA）[2]和模型參數(shù)分區(qū)優(yōu)化的分布式并行框架[3]，并在此基礎上進行系統(tǒng)實現(xiàn)。該系統(tǒng)運用分布式仿真框架，采用分區(qū)并行的參數(shù)迭代尋優(yōu)方法，不僅具有分布性和并發(fā)性，能充分發(fā)揮龐大的計算機資源優(yōu)勢而且具有通用性和運用難度低的優(yōu)點，能有效地提高仿真參數(shù)優(yōu)化的運行速度和開發(fā)效率。

1? 研究背景

隨著計算機技術、人工智能和數(shù)學分析方法的發(fā)展，仿真參數(shù)優(yōu)化算法取得了卓越的進展?，F(xiàn)今大部分學者都是針對特定問題開展仿真優(yōu)化工作，吳詩輝等人運用神經(jīng)網(wǎng)絡對仿真系統(tǒng)進行模擬，驗證了該方法的可行性和高效性[4]。孫永澤等人對隨機響應面算法進行改進，提出了一種針對于深度學習的超參數(shù)優(yōu)化算法，對深度學習模型有更好的優(yōu)化效果，但是通用性較差[5]。姬杭等人搭建了一種輕量級的復雜系統(tǒng)建模和仿真框架，為復雜系統(tǒng)仿真框架提供了研究思路[6]。

仿真的最大優(yōu)勢就是能夠通過多次運行和調(diào)整闡釋不確定性和隨機性的問題?；诜抡娴膮?shù)優(yōu)化包括兩種方法，分別是優(yōu)化模型的輸入?yún)?shù)和對模型內(nèi)部參數(shù)進行優(yōu)化，本文主要探討的是針對模型內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化。有大量的學者針對復雜系統(tǒng)優(yōu)化問題進行了研究[7?10]，其基本的仿真框架可以分為以下三類：

1） 將候選策略集中的策略逐一輸入仿真模型，驅(qū)動仿真運行，然后比較每一組仿真輸出結果，根據(jù)輸出結果來確定最優(yōu)的策略;

2） 將仿真模塊嵌入到優(yōu)化算法中，將仿真模塊的輸出作為算法的適應值，指導優(yōu)化算法搜索新的解，優(yōu)化算法產(chǎn)生的新解又作為下一次的仿真輸入，直到滿足模型的終止條件;

3） 利用近似模型對仿真模型進行模擬，大多利用神經(jīng)網(wǎng)絡對模型進行模擬，然后對近似模型進行優(yōu)化，達到滿意的終止條件后再映射到真實模型上。

由于復雜系統(tǒng)仿真參數(shù)優(yōu)化速度慢，許多學者采用并行的優(yōu)化結構來提高參數(shù)優(yōu)化速度。王家潤等針對并行處理中的線程任務分解共性難點，提出軟硬件結合的并行優(yōu)化策略及反距離權重（IDW）插值的并行優(yōu)化算法（PIDW），并驗證了該并行結構的高效性[11];王雅琳等以MapReduce的任務分發(fā)思想構建算法的并行處理框架，設計任務預分配策略，減少通信成本，提高計算效率[12]。上述的并行優(yōu)化結構都在特定問題上發(fā)揮著至關重要的作用，提高了仿真參數(shù)優(yōu)化速度，但研究始終圍繞著根據(jù)特定問題進行的建模設計，其并行優(yōu)化結構通用性較差，難以適用于其他問題。

針對上述問題本文提出分區(qū)并行優(yōu)化思想，并基于HLA仿真體系設計開發(fā)一套支撐分區(qū)參數(shù)并行優(yōu)化思想的分布式仿真架構。通過分區(qū)并行參數(shù)優(yōu)化方法對復雜系統(tǒng)模型中的關鍵參數(shù)進行整定和優(yōu)化，相較于現(xiàn)有的仿真并行優(yōu)化體系，本系統(tǒng)具備更好的通用性和更高的開發(fā)效率。

2? 模型參數(shù)分區(qū)并行仿真優(yōu)化原理

傳統(tǒng)方法下大多采用并行調(diào)度方式進行仿真優(yōu)化，其原理如圖1所示。傳統(tǒng)的并行優(yōu)化只針對一個特定的仿真方案，將仿真方案中的多個仿真模型用于一個仿真進程內(nèi)進行優(yōu)化，但是每個仿真模型只有一個仿真進程。這種方法雖然優(yōu)化進程也屬于并發(fā)處理，但是首先，仿真進程依然是對單個仿真進程進行參數(shù)優(yōu)化，其次，多個仿真模型雖然是并發(fā)的，但是每個仿真模型只有一個進程。這種方案利用的計算資源相對有限，模型優(yōu)化速度也受到很大的限制。相較于傳統(tǒng)的并行優(yōu)化結構，本文系統(tǒng)利用HLA模型之間相互獨立、仿真進程互不影響的特性，提出一種將模型參數(shù)空間分區(qū)并行優(yōu)化的結構，對于每個仿真模型，建立多個模型參數(shù)空間，每個參數(shù)空間對應通過互相獨立的仿真優(yōu)化進程，從而實現(xiàn)單個模型在多個參數(shù)空間內(nèi)進行并行優(yōu)化，其原理如圖2所示。本分區(qū)并行優(yōu)化結構相較于傳統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化結構更具通用性，并能同時實現(xiàn)多模型的并行優(yōu)化，充分利用分布式的計算資源，從軟件結構上解決復雜模型參數(shù)優(yōu)化的效率問題。

優(yōu)化框架各部分說明：

1） 仿真運行支撐環(huán)境是整個優(yōu)化框架的基礎支撐，從仿真的方案、模型設計，仿真運行到仿真模型的參數(shù)優(yōu)化，整個過程與仿真環(huán)境密不可分，所有的操作均基于分布式仿真環(huán)境，同時又為仿真環(huán)境所服務。

2） 仿真設計器為用戶提供界面化、智能化的仿真方案設計功能，用戶只需在方案設計界面進行拖拽操作，并輸入仿真的目標函數(shù)或適應度函數(shù)，無需任何編碼，即可完成整個仿真方案的設計。

3） 運行調(diào)度模塊為不同的仿真方案分配相應的仿真資源，采用多種資源調(diào)度算法充分發(fā)揮分布式、龐大的計算資源優(yōu)勢，提高仿真優(yōu)化的速度和仿真資源的利用率。

4） 解析執(zhí)行器將仿真得出的數(shù)據(jù)轉化為優(yōu)化器所能解析的數(shù)據(jù)，同時接受優(yōu)化器發(fā)送的優(yōu)化數(shù)據(jù)，為下一步的仿真運行提供參數(shù)優(yōu)化方向指導。

5） 運行控制器能控制仿真進程的開始、暫停/繼續(xù)、結束等基本仿真功能，還能接收從解析執(zhí)行器發(fā)送的模型新參數(shù)信息，為仿真模型的下一次仿真迭代設置參數(shù)。

6） Elf（智能優(yōu)化器）是整個仿真優(yōu)化體系的核心，優(yōu)化器分區(qū)優(yōu)化方法對復雜系統(tǒng)模型中的關鍵參數(shù)進行整定和優(yōu)化，為參數(shù)優(yōu)化提供指導方向，使系統(tǒng)得到相對最優(yōu)參數(shù)并使系統(tǒng)達到最優(yōu)或滿意的輸出指標。

3? 模型參數(shù)仿真優(yōu)化機制設計

在復雜系統(tǒng)中，往往有多個模型參數(shù)需要優(yōu)化，由于多個模型之間存在數(shù)據(jù)交互關系，且模型之間互相影響，逐個模型進行優(yōu)化耗時過長，且難以獲得最終滿足條件的參數(shù)。本文根據(jù)復雜模型參數(shù)優(yōu)化特點，結合分布式仿真體系，搭建了分布式仿真模型參數(shù)優(yōu)化體系，其優(yōu)化流程如圖4所示。

1） 仿真設計人員通過仿真設計器設計仿真參數(shù)優(yōu)化方案。

2） 利用運行調(diào)度器為仿真方案分配相應的仿真資源。

3） 在運行控制器接收到開始仿真指令后，仿真模型根據(jù)仿真方案中設定的初始參數(shù)進行第一次仿真。

4） Elf智能優(yōu)化器從分布式仿真環(huán)境獲取仿真模型參數(shù)和仿真目標值，優(yōu)化器通過優(yōu)化算法進行參數(shù)調(diào)整，將新的模型參數(shù)發(fā)送至解析執(zhí)行器。

5） 經(jīng)由運行控制器將新的參數(shù)賦給仿真模型，進行下一次迭代，直到經(jīng)過優(yōu)化后的仿真模型參數(shù)滿足優(yōu)化終止條件。

在分布式仿真優(yōu)化體系的基礎上，本文提出了多種并行優(yōu)化機制，主要體現(xiàn)在以下三個層面，分別是單模型的并行優(yōu)化、多模型的并行優(yōu)化和方案級的并行優(yōu)化。

單模型級的并行針對于單個模型復雜度較高的情況，由于仿真模型的復雜度不同，往往存在某些仿真模型復雜度相較其他模型復雜度較高，在有的仿真模型已經(jīng)到達相對最優(yōu)解時，某些仿真模型仍需要大量的優(yōu)化迭代，此時單模型的并行最為適用。多模型并行優(yōu)化機制主要針對于模型之間關聯(lián)性較強，模型之間調(diào)用關系復雜的情況，多模型的并行能將多個模型獨立開，并通過分布式環(huán)境進行數(shù)據(jù)交互，能將復雜問題分解成多個獨立的優(yōu)化問題，并且多個優(yōu)化進程之間是并行的。仿真方案級的優(yōu)化針對于復雜系統(tǒng)過于龐大，上述兩種級別的并行優(yōu)化已經(jīng)不能滿足優(yōu)化效率時，仿真方案級的優(yōu)化以仿真方案為單獨的個體，能夠利用多個相同的仿真方案的并行運行來完成仿真模型的優(yōu)化任務。

本文設計一種單模型的并行優(yōu)化機制，其結構如圖5所示。其中B模型復雜度相對較高，因此可以在仿真方案中設計多個B成員，分別賦不同的參數(shù)值，在經(jīng)過一次迭代后，智能優(yōu)化器能接收到多組B成員的模型參數(shù)，能夠同時進行多個相同模型的參數(shù)優(yōu)化。

多模型的并行優(yōu)化結構如圖6所示。多個仿真成員之間具有數(shù)據(jù)傳遞關系，共同組成復雜系統(tǒng)的優(yōu)化方案。多仿真成員之間進行數(shù)據(jù)交互，多個不同的仿真模型分別將各自的仿真輸出經(jīng)由分布式環(huán)境轉發(fā)至智能優(yōu)化器，智能優(yōu)化器根據(jù)最終的優(yōu)化目標和仿真成員各自的輸出得出下一次優(yōu)化迭代中各個仿真成員所需的參數(shù)，達到多成員并行優(yōu)化的目的。

當系統(tǒng)復雜度過大時，上述兩種模型級的并行就不能滿足優(yōu)化的性能需求，本文系統(tǒng)設計了一種方案級的并行結構，將仿真模型參數(shù)域劃分成多個等分，每個仿真方案只在自己的參數(shù)域中尋求最優(yōu)解，最終將多個參數(shù)域的仿真結果進行比較，得出最優(yōu)的參數(shù)解，其并行結構如圖7所示。

4? 結? 語

本文提出的基于分布式仿真的復雜系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化框架，運用分區(qū)并行策略優(yōu)化模型參數(shù)。相較于傳統(tǒng)的仿真優(yōu)化框架，本框架既具備分布性和并行性，還具備開發(fā)高效性和通用性。本文目前完成基于分布式仿真和分區(qū)并行優(yōu)化的系統(tǒng)設計和原型實現(xiàn)，在接下來的研究中，將使用該框架進行典型仿真應用的優(yōu)化性能測試。同時進一步完善框架的實用性和通用性，調(diào)整仿真資源分配和模型參數(shù)優(yōu)化算法，進一步提高仿真效率和參數(shù)優(yōu)化效率，優(yōu)化系統(tǒng)的人機交互方式，使本仿真平臺更具實用性。

注：本文通訊作者為朱國華。

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