gekko - 减少 GEKKO 中的总解析(总系统)时间-6ren

gekko - 减少 GEKKO 中的总解析(总系统)时间

转载作者：行者123 更新时间：2023-12-05 04:21:06

我有一个 RTO 问题，我想用一些时间相关的参数解决多个模拟时间步长。但是，我在运行时遇到了困难，并注意到总系统时间与实际求解时间相比相对较大。因此，我试图减少总的解析时间，因为所有方程式都保持不变——但“只有”一些参数的值随时间变化。下面是一个简单的例子:

#parameters from simulation
demand = 100 

#do RTO
from gekko import GEKKO
    
# first, create the model
m = GEKKO(remote=False)
    
# declare additional decision variables
m.u = m.Var(lb=5, ub=25)
m.v = m.Var(lb=0, ub=100)
m.w = m.Var(lb=0, ub=50)
m.b = m.Var(lb=0, ub=1, integer=True)
m.demand = m.Param(demand)
    
# now add the objective and the constraints
m.Minimize((1-0.8)*m.u*m.b+(1-0.9)*m.v+(1-0.7)*m.w)
m.Equation(m.u*m.b >= 10)
m.Equation(m.u*m.b + m.v + m.w == m.demand)
    
m.options.SOLVER=1
m.options.DIAGLEVEL = 1
    
m.solve()

然后我捕获结果，在模拟中执行它们并继续下一个时间步。现在我可以再次执行上面的所有代码 - 使用更新的参数(假设现在的需求是 110)。但这导致了前面提到的长运行时间(RTO问题每次都需要从头构建，而只有一些参数发生变化)。所以我认为以下方法可行:

m.demand.VALUE = 110
m.solve()

虽然这确实有效。它似乎并没有改善运行时间(总解析时间仍然相对较长)。下面是实际问题的显示输出。

第一次解决RTO问题。

 ----------------------------------------------------------------
 APMonitor, Version 1.0.0
 APMonitor Optimization Suite
 ----------------------------------------------------------------
 
 Called files( 55 )
 files: overrides.dbs does not exist
 
 Run id   : 2022y11m03d13h18m21.919s
 
 COMMAND LINE ARGUMENTS
 coldstart:  0
 imode    :  3
 dbs_read :  T
 dbs_write:  T
 specs    :  T
 
 rto selected
 Called files( 35 )
 READ info FILE FOR VARIABLE DEFINITION: gk_model6.info
 SS MODEL INIT  0
 Parsing model file gk_model6.apm
 Read model file (sec): 0.6602
 Initialize constants (sec): 0.
 Determine model size (sec): 0.4170999999999999
 Allocate memory (sec): 0.
 Parse and store model (sec): 0.45140000000000025
 
 --------- APM Model Size ------------
 Each time step contains
   Objects      :  247
   Constants    :  0
   Variables    :  752
   Intermediates:  249
   Connections  :  741
   Equations    :  745
   Residuals    :  496
 
 Error checking (sec): 0.17809999999999993
 Compile equations (sec): 1.9933000000000003
 Check for uninitialized intermediates (sec): 0.
 ------------------------------------------------------
 Total Parse Time (sec): 3.7062
 SS MODEL INIT  1
 SS MODEL INIT  2
 SS MODEL INIT  3
 SS MODEL INIT  4
 Called files( 31 )
 READ info FILE FOR PROBLEM DEFINITION: gk_model6.info
 Called files( 6 )
 Files(6): File Read rto.t0 F
 files: rto.t0 does not exist
 Called files( 51 )
 Read DBS File defaults.dbs
 files: defaults.dbs does not exist
 Called files( 51 )
 Read DBS File gk_model6.dbs
 files: gk_model6.dbs does not exist
 Called files( 51 )
 Read DBS File measurements.dbs
 Called files( 51 )
 Read DBS File overrides.dbs
 files: overrides.dbs does not exist
 Number of state variables:    1240
 Number of total equations: -  989
 Number of slack variables: -  0
 ---------------------------------------
 Degrees of freedom       :    251
 
 ----------------------------------------------
 Steady State Optimization with APOPT Solver
 ----------------------------------------------
Iter:     1 I:  0 Tm:      1.20 NLPi:   45 Dpth:    0 Lvs:    3 Obj:  9.86E-02 Gap:       NaN
--Integer Solution:   2.32E-01 Lowest Leaf:   9.86E-02 Gap:   1.34E-01
Iter:     2 I:  0 Tm:      0.06 NLPi:    4 Dpth:    1 Lvs:    2 Obj:  2.32E-01 Gap:  1.34E-01
Iter:     3 I:  0 Tm:      0.23 NLPi:    6 Dpth:    1 Lvs:    2 Obj:  2.16E-01 Gap:  1.34E-01
Iter:     4 I:  0 Tm:      0.44 NLPi:   12 Dpth:    1 Lvs:    3 Obj:  1.60E-01 Gap:  1.34E-01
--Integer Solution:   2.32E-01 Lowest Leaf:   1.60E-01 Gap:   7.21E-02
Iter:     5 I:  0 Tm:      0.20 NLPi:    6 Dpth:    2 Lvs:    2 Obj:  1.01E+00 Gap:  7.21E-02
--Integer Solution:   2.06E-01 Lowest Leaf:   2.06E-01 Gap:   0.00E+00
Iter:     6 I:  0 Tm:      0.20 NLPi:    5 Dpth:    2 Lvs:    2 Obj:  2.06E-01 Gap:  0.00E+00
 Successful solution
 
 ---------------------------------------------------
 Solver         :  APOPT (v1.0)
 Solution time  :  2.3522999999999996 sec
 Objective      :  0.20599966381706797
 Successful solution
 ---------------------------------------------------
 
 Called files( 2 )
 Called files( 52 )
 WRITE dbs FILE
 Called files( 56 )
 WRITE json FILE
Timer #     1       6.57/       1 =       6.57 Total system time
Timer #     2       2.35/       1 =       2.35 Total solve time
Timer #     3       0.01/     156 =       0.00 Objective Calc: apm_p
Timer #     4       0.01/      78 =       0.00 Objective Grad: apm_g
Timer #     5       0.01/     156 =       0.00 Constraint Calc: apm_c
Timer #     6       0.00/       0 =       0.00 Sparsity: apm_s
Timer #     7       0.00/       0 =       0.00 1st Deriv #1: apm_a1
Timer #     8       0.01/      78 =       0.00 1st Deriv #2: apm_a2
Timer #     9       0.42/       1 =       0.42 Custom Init: apm_custom_init
Timer #    10       0.00/       1 =       0.00 Mode: apm_node_res::case 0
Timer #    11       0.00/       1 =       0.00 Mode: apm_node_res::case 1
Timer #    12       0.02/       1 =       0.02 Mode: apm_node_res::case 2
Timer #    13       0.00/       1 =       0.00 Mode: apm_node_res::case 3
Timer #    14       0.17/     317 =       0.00 Mode: apm_node_res::case 4
Timer #    15       0.72/     156 =       0.00 Mode: apm_node_res::case 5
Timer #    16       0.00/       0 =       0.00 Mode: apm_node_res::case 6
Timer #    17       0.01/      78 =       0.00 Base 1st Deriv: apm_jacobian
Timer #    18       0.00/      78 =       0.00 Base 1st Deriv: apm_condensed_jacobian
Timer #    19       0.00/       1 =       0.00 Non-zeros: apm_nnz
Timer #    20       0.00/       0 =       0.00 Count: Division by zero
Timer #    21       0.00/       0 =       0.00 Count: Argument of LOG10 negative
Timer #    22       0.00/       0 =       0.00 Count: Argument of LOG negative
Timer #    23       0.00/       0 =       0.00 Count: Argument of SQRT negative
Timer #    24       0.00/       0 =       0.00 Count: Argument of ASIN illegal
Timer #    25       0.00/       0 =       0.00 Count: Argument of ACOS illegal
Timer #    26       0.00/       1 =       0.00 Extract sparsity: apm_sparsity
Timer #    27       0.00/      13 =       0.00 Variable ordering: apm_var_order
Timer #    28       0.00/       1 =       0.00 Condensed sparsity
Timer #    29       0.00/       0 =       0.00 Hessian Non-zeros
Timer #    30       0.00/       1 =       0.00 Differentials
Timer #    31       0.00/       0 =       0.00 Hessian Calculation
Timer #    32       0.00/       0 =       0.00 Extract Hessian
Timer #    33       0.00/       1 =       0.00 Base 1st Deriv: apm_jac_order
Timer #    34       0.01/       1 =       0.01 Solver Setup
Timer #    35       1.39/       1 =       1.39 Solver Solution
Timer #    36       0.00/     167 =       0.00 Number of Variables
Timer #    37       0.01/      84 =       0.00 Number of Equations
Timer #    38       0.01/      14 =       0.00 File Read/Write
Timer #    39       0.00/       0 =       0.00 Dynamic Init A
Timer #    40       0.00/       0 =       0.00 Dynamic Init B
Timer #    41       0.00/       0 =       0.00 Dynamic Init C
Timer #    42       0.66/       1 =       0.66 Init: Read APM File
Timer #    43       0.00/       1 =       0.00 Init: Parse Constants
Timer #    44       0.42/       1 =       0.42 Init: Model Sizing
Timer #    45       0.00/       1 =       0.00 Init: Allocate Memory
Timer #    46       0.45/       1 =       0.45 Init: Parse Model
Timer #    47       0.18/       1 =       0.18 Init: Check for Duplicates
Timer #    48       1.99/       1 =       1.99 Init: Compile Equations
Timer #    49       0.00/       1 =       0.00 Init: Check Uninitialized
Timer #    50       0.01/    1257 =       0.00 Evaluate Expression Once
Timer #    51       0.00/       0 =       0.00 Sensitivity Analysis: LU Factorization
Timer #    52       0.00/       0 =       0.00 Sensitivity Analysis: Gauss Elimination
Timer #    53       0.00/       0 =       0.00 Sensitivity Analysis: Total Time

更新一个参数并再次调用 m.solve() - 如上面的简单问题所示。

 ----------------------------------------------------------------
 APMonitor, Version 1.0.0
 APMonitor Optimization Suite
 ----------------------------------------------------------------
 
 Called files( 55 )
 Called files( 55 )
 files: overrides.dbs does not exist
 
 Run id   : 2022y11m03d13h18m28.729s
 
 COMMAND LINE ARGUMENTS
 coldstart:  0
 imode    :  3
 dbs_read :  T
 dbs_write:  T
 specs    :  T
 
 rto selected
 Called files( 35 )
 READ info FILE FOR VARIABLE DEFINITION: gk_model6.info
 SS MODEL INIT  0
 Parsing model file gk_model6.apm
 Read model file (sec): 0.6901
 Initialize constants (sec): 0.
 Determine model size (sec): 0.4546999999999999
 Allocate memory (sec): 0.
 Parse and store model (sec): 0.2824000000000002
 
 --------- APM Model Size ------------
 Each time step contains
   Objects      :  247
   Constants    :  0
   Variables    :  752
   Intermediates:  249
   Connections  :  741
   Equations    :  745
   Residuals    :  496
 
 Error checking (sec): 0.16720000000000002
 Compile equations (sec): 2.0142999999999995
 Check for uninitialized intermediates (sec): 0.
 ------------------------------------------------------
 Total Parse Time (sec): 3.6097
 SS MODEL INIT  1
 SS MODEL INIT  2
 SS MODEL INIT  3
 SS MODEL INIT  4
 Called files( 31 )
 READ info FILE FOR PROBLEM DEFINITION: gk_model6.info
 Called files( 6 )
 Files(6): File Read rto.t0 T
 Called files( 51 )
 Read DBS File defaults.dbs
 files: defaults.dbs does not exist
 Called files( 51 )
 Read DBS File gk_model6.dbs
 Called files( 51 )
 Read DBS File measurements.dbs
 Called files( 51 )
 Read DBS File overrides.dbs
 files: overrides.dbs does not exist
 Number of state variables:    1240
 Number of total equations: -  989
 Number of slack variables: -  0
 ---------------------------------------
 Degrees of freedom       :    251
 
 ----------------------------------------------
 Steady State Optimization with APOPT Solver
 ----------------------------------------------
Iter:     1 I:  0 Tm:      0.26 NLPi:    7 Dpth:    0 Lvs:    3 Obj:  9.35E-02 Gap:       NaN
--Integer Solution:   1.21E-01 Lowest Leaf:   9.35E-02 Gap:   2.71E-02
Iter:     2 I:  0 Tm:      0.22 NLPi:    5 Dpth:    1 Lvs:    2 Obj:  1.21E-01 Gap:  2.71E-02
--Integer Solution:   1.21E-01 Lowest Leaf:   9.35E-02 Gap:   2.71E-02
Iter:     3 I:  0 Tm:      0.32 NLPi:   10 Dpth:    1 Lvs:    1 Obj:  1.03E+00 Gap:  2.71E-02
Iter:     4 I:  0 Tm:      0.25 NLPi:    8 Dpth:    1 Lvs:    1 Obj:  1.20E-01 Gap:  2.71E-02
--Integer Solution:   1.21E-01 Lowest Leaf:   1.86E-01 Gap:  -6.58E-02
Iter:     5 I:  0 Tm:      0.37 NLPi:   15 Dpth:    2 Lvs:    1 Obj:  1.86E-01 Gap: -6.58E-02
 Successful solution
 
 ---------------------------------------------------
 Solver         :  APOPT (v1.0)
 Solution time  :  1.4365000000000006 sec
 Objective      :  0.12065435497282542
 Successful solution
 ---------------------------------------------------
 
 Called files( 2 )
 Called files( 52 )
 WRITE dbs FILE
 Called files( 56 )
 WRITE json FILE
Timer #     1       5.64/       1 =       5.64 Total system time
Timer #     2       1.44/       1 =       1.44 Total solve time
Timer #     3       0.00/      91 =       0.00 Objective Calc: apm_p
Timer #     4       0.00/      45 =       0.00 Objective Grad: apm_g
Timer #     5       0.01/      91 =       0.00 Constraint Calc: apm_c
Timer #     6       0.00/       0 =       0.00 Sparsity: apm_s
Timer #     7       0.00/       0 =       0.00 1st Deriv #1: apm_a1
Timer #     8       0.00/      45 =       0.00 1st Deriv #2: apm_a2
Timer #     9       0.44/       1 =       0.44 Custom Init: apm_custom_init
Timer #    10       0.00/       1 =       0.00 Mode: apm_node_res::case 0
Timer #    11       0.00/       1 =       0.00 Mode: apm_node_res::case 1
Timer #    12       0.01/       1 =       0.01 Mode: apm_node_res::case 2
Timer #    13       0.00/       1 =       0.00 Mode: apm_node_res::case 3
Timer #    14       0.10/     187 =       0.00 Mode: apm_node_res::case 4
Timer #    15       0.46/      90 =       0.01 Mode: apm_node_res::case 5
Timer #    16       0.00/       0 =       0.00 Mode: apm_node_res::case 6
Timer #    17       0.00/      45 =       0.00 Base 1st Deriv: apm_jacobian
Timer #    18       0.00/      45 =       0.00 Base 1st Deriv: apm_condensed_jacobian
Timer #    19       0.00/       1 =       0.00 Non-zeros: apm_nnz
Timer #    20       0.00/       0 =       0.00 Count: Division by zero
Timer #    21       0.00/       0 =       0.00 Count: Argument of LOG10 negative
Timer #    22       0.00/       0 =       0.00 Count: Argument of LOG negative
Timer #    23       0.00/       0 =       0.00 Count: Argument of SQRT negative
Timer #    24       0.00/       0 =       0.00 Count: Argument of ASIN illegal
Timer #    25       0.00/       0 =       0.00 Count: Argument of ACOS illegal
Timer #    26       0.00/       1 =       0.00 Extract sparsity: apm_sparsity
Timer #    27       0.00/      13 =       0.00 Variable ordering: apm_var_order
Timer #    28       0.00/       1 =       0.00 Condensed sparsity
Timer #    29       0.00/       0 =       0.00 Hessian Non-zeros
Timer #    30       0.01/       1 =       0.01 Differentials
Timer #    31       0.00/       0 =       0.00 Hessian Calculation
Timer #    32       0.00/       0 =       0.00 Extract Hessian
Timer #    33       0.00/       1 =       0.00 Base 1st Deriv: apm_jac_order
Timer #    34       0.01/       1 =       0.01 Solver Setup
Timer #    35       0.84/       1 =       0.84 Solver Solution
Timer #    36       0.00/     102 =       0.00 Number of Variables
Timer #    37       0.00/      51 =       0.00 Number of Equations
Timer #    38       0.12/      14 =       0.01 File Read/Write
Timer #    39       0.00/       0 =       0.00 Dynamic Init A
Timer #    40       0.00/       0 =       0.00 Dynamic Init B
Timer #    41       0.00/       0 =       0.00 Dynamic Init C
Timer #    42       0.69/       1 =       0.69 Init: Read APM File
Timer #    43       0.00/       1 =       0.00 Init: Parse Constants
Timer #    44       0.45/       1 =       0.45 Init: Model Sizing
Timer #    45       0.00/       1 =       0.00 Init: Allocate Memory
Timer #    46       0.28/       1 =       0.28 Init: Parse Model
Timer #    47       0.17/       1 =       0.17 Init: Check for Duplicates
Timer #    48       2.01/       1 =       2.01 Init: Compile Equations
Timer #    49       0.00/       1 =       0.00 Init: Check Uninitialized
Timer #    50       0.00/     505 =       0.00 Evaluate Expression Once
Timer #    51       0.00/       0 =       0.00 Sensitivity Analysis: LU Factorization
Timer #    52       0.00/       0 =       0.00 Sensitivity Analysis: Gauss Elimination
Timer #    53       0.00/       0 =       0.00 Sensitivity Analysis: Total Time

非常感谢您的想法。

最佳答案

这里有一些提高编译时间速度的想法:

如果问题是模拟，可以在 IMODE=7 的情况下运行以编译模型一次并按顺序运行所有时间步长。这通常是最快的模拟选项。
如果问题具有自由度(找到最佳参数以最小化目标)，则也可以将问题设置为 IMODE=6 一次编译模型并求解所有时间步长同时。
每次调用 m.solve() 时模型都会重新编译。 REPLAY 参数内置了保留模型编译版本的功能，但它几乎没有文档，并且专为从历史数据中准确地重新制定序列而构建。如果您希望选择为下次运行保留模型的编译版本，请将其添加为 feature request in GitHub .

使用简单模型表明，模型重新编译时间在不同 demand 值的运行之间没有显着变化。

from gekko import GEKKO
from numpy import random
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import time

# first, create the model
m = GEKKO(remote=False)

# declare additional decision variables
m.u = m.Var(lb=5, ub=25)
m.v = m.Var(lb=0, ub=100)
m.w = m.Var(lb=0, ub=50)
m.b = m.Var(lb=0, ub=1, integer=True)
m.demand = m.Param()

# now add the objective and the constraints
m.Minimize((1-0.8)*m.u*m.b+(1-0.9)*m.v+(1-0.7)*m.w)
m.Equation(m.u*m.b >= 10)
m.Equation(m.u*m.b + m.v + m.w == m.demand)

m.options.SOLVER=1
m.options.DIAGLEVEL = 0

tt = [] # total time
ts = [] # solve time

for i in range(101):
    start = time.time()
    m.demand.value = 50+random.rand()*50
    m.solve(disp=False)
    tt.append(time.time()-start)
    ts.append(m.options.SOLVETIME)

plt.figure(figsize=(8,4))    
plt.plot(tt,label='Total Time')
plt.plot(ts,label='Solve Time')
plt.plot(np.array(tt)-np.array(ts),label='Compile Time')
plt.ylim([0,0.03]); plt.grid(); plt.ylabel('Time (sec)')
plt.savefig('timing.png',dpi=300)
plt.legend()
plt.show()

这个简单问题的编译和求解时间非常快。如果您可以发布完整的 RTO 问题，我们可以提供更具体的建议以缩短解决时间。

关于gekko - 减少 GEKKO 中的总解析(总系统)时间，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/74303607/

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