Many discrete optimization problems are amenable to constrained shortest-path reformulations in an extended network space, a technique that has been key in convexification, bound strengthening, and search mechanisms for a large array of nonlinear problems. In this paper, we expand this methodology and propose constrained shortest-path models for challenging discrete variants of bilevel and robust optimization, where traditional methods (e.g., dualize-and-combine) are not applicable compared to their continuous counterparts. Specifically, we propose a framework that models problems as decision diagrams and introduces side constraints either as linear inequalities in the underlying polyhedral representation, or as state variables in shortest-path calculations. We show that the first case generalizes a common class of combinatorial bilevel problems where the follower's decisions are separable with respect to the leader's decisions. In this setting, the side constraints are indicator functions associated with arc flows, and we leverage polyhedral structure to derive an alternative single-level reformulation of the bilevel problem. The case where side constraints are incorporated as node states, in turn, generalizes classical robust optimization. For this scenario, we leverage network structure to derive an iterative augmenting state-space strategy akin to an L-shaped method. We evaluate both strategies on a bilevel competitive project selection problem and the robust traveling salesperson with time windows, observing considerable improvements in computational efficiency as compared to current state-of-the-art methods in the respective areas.


翻译:许多离散的优化问题容易导致在扩大的网络空间内限制最短路径的重整,这种技术在细化、约束强化和搜索大量非线性问题方面一直十分关键。在本文中,我们扩展了这一方法,并提出挑战双级和稳健优化的离散变体的受限制的最短路径模型,其中传统方法(如双级和combine)与连续的对口相比不适用。具体地说,我们提出一个框架,将问题作为决定图示来模型,并引入侧面限制,要么作为基本综合代表的线性不平等,要么作为最短路径计算中的国家变量。我们表明,第一种案例概括了共同的组合式双级问题类别,在这些类别中,后续者的决定与领导者的决定是相容的。在这种背景下,侧面限制是与弧流相关的指标功能,我们利用多面结构来对双层问题进行替代的单级重整。我们用侧面限制作为正统的状态,反过来,将当前稳健的动态优化战略作为典型的稳健的竞争性优化战略。我们利用了这一网络,将一个比重的反复的周期性周期性预算结构来评估。

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