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| 本文作者： 黃楠 | 2023-07-25 18:26 |
作為一門(mén)高度抽象化和具有邏輯推理特性的研究，數(shù)學(xué)建模似乎離我們很遙遠(yuǎn)。
事實(shí)上，日常生活中運(yùn)用到數(shù)學(xué)模型解決問(wèn)題的事例俯拾皆是：打車(chē)系統(tǒng)里，算法會(huì)匹配距離乘客更近的司機(jī)、規(guī)劃最快到達(dá)目的地的行程路線；購(gòu)物平臺(tái)上，算法會(huì)調(diào)配庫(kù)存充足的出貨倉(cāng)、計(jì)算中途的運(yùn)轉(zhuǎn)站和物流配送車(chē)輛......
對(duì)大部分人來(lái)說(shuō)，使用數(shù)學(xué)工具是件門(mén)檻極高的事情。但大模型的出現(xiàn)，改變了這一現(xiàn)狀。在數(shù)學(xué)家陶哲軒的手中，細(xì)節(jié)到檢索公式定理、翻譯論文、整理文獻(xiàn)，大到為論文生成圖表、尋找靈感，ChatGPT 已經(jīng)成為他科研的常用助手。
而研究之外，大模型對(duì)數(shù)學(xué)的影響還遠(yuǎn)不止于此。
晞德求索科技，一家專注于數(shù)學(xué)賦能的初創(chuàng)公司，團(tuán)隊(duì)基于大模型發(fā)布的自動(dòng)數(shù)學(xué)建模工具 SeedModeler，就將大模型與求解器完成了融合打通。
如何讓數(shù)學(xué)在具體生產(chǎn)環(huán)節(jié)中發(fā)揮作用？SeedModeler 給出的思考是，貫穿問(wèn)題理解、數(shù)學(xué)建模到模型求解全流程，借助大模型，建立自然語(yǔ)言到計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的跨領(lǐng)域?qū)R，降低使用求解器的門(mén)檻，從而提高數(shù)學(xué)建模的應(yīng)用效率，讓數(shù)學(xué)服務(wù)更多人。
一場(chǎng)「大模型+數(shù)學(xué)」的跨語(yǔ)言對(duì)話
長(zhǎng)期以來(lái)，求解器的應(yīng)用都面臨著語(yǔ)言門(mén)檻的問(wèn)題。
現(xiàn)實(shí)生活中，生產(chǎn)調(diào)度、供應(yīng)鏈管理、排工排產(chǎn)、庫(kù)存和運(yùn)輸優(yōu)化等許多復(fù)雜的規(guī)劃和決策問(wèn)題都能使用求解器來(lái)解決。一個(gè)形象的比喻是，求解器類似于計(jì)算器的角色。企業(yè)采購(gòu)一批物資，需要采買(mǎi)的材料可以在頭腦中列出一份清單，但是怎么買(mǎi)價(jià)格更低、組合更優(yōu)惠、用哪家的物流路線更快等等，實(shí)際需要考慮的要素呈幾何倍數(shù)增加，這個(gè)時(shí)候使用求解器，可以輔助我們快速計(jì)算得到更精準(zhǔn)、更科學(xué)的方案。
這個(gè)過(guò)程中涉及到五個(gè)具體步驟：首先，明確待解決的業(yè)務(wù)問(wèn)題，定義優(yōu)化問(wèn)題三要素，用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，將該模型導(dǎo)入到求解器中求得最優(yōu)解或可行解，最后參考解法進(jìn)行決策。
其中，由于業(yè)務(wù)端往往給出的是自然語(yǔ)言的具體問(wèn)題，導(dǎo)入求解器中，需要轉(zhuǎn)換為特定的數(shù)學(xué)語(yǔ)言或計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，這對(duì)沒(méi)有建模能力的業(yè)務(wù)人員來(lái)說(shuō)無(wú)疑是極大的挑戰(zhàn)。
在探索將數(shù)學(xué)求解器商業(yè)化的過(guò)程中，晞德求索的團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)了這一痛點(diǎn)：大規(guī)模使用數(shù)學(xué)工具的主要門(mén)檻在于如何將場(chǎng)景問(wèn)題提煉成數(shù)學(xué)模型。要使用求解器，就必須要額外付出成本去解決的數(shù)學(xué)門(mén)檻，許多需求都被攔在門(mén)外。
為此，作為一支由數(shù)學(xué)或計(jì)算機(jī)研發(fā)人員組成的團(tuán)隊(duì)，晞德求索基于一些模板和方向，開(kāi)始了求解器低門(mén)檻推廣路徑的探索，但在一段時(shí)間以來(lái)，其表現(xiàn)卻未能盡如人意。直至大模型出現(xiàn)，改變了這一困境。
大模型究其本質(zhì)，是用自然語(yǔ)言處理在人類和機(jī)器之間，構(gòu)建了一個(gè)可理解、相對(duì)清晰的邏輯描述和語(yǔ)義對(duì)齊，并以便捷易用的交互界面，讓大眾都能用起來(lái)。在此基礎(chǔ)上，晞德求索從多年來(lái)在數(shù)學(xué)建模和求解領(lǐng)域所積累的經(jīng)驗(yàn)、豐富的數(shù)據(jù)出發(fā)，將整套建模和求解器應(yīng)用流程進(jìn)行整合，提出了自動(dòng)數(shù)學(xué)建模工具 SeedModeler。
常規(guī)的數(shù)學(xué)模型搭建離不開(kāi)三個(gè)關(guān)鍵性要素，分別是定義決策變量、建立目標(biāo)函數(shù)和確定約束條件。其中，
定義決策變量，指確定需要優(yōu)化的變量。以供應(yīng)鏈采購(gòu)場(chǎng)景為例，需要考慮的變量就包括了每個(gè)供應(yīng)商的采購(gòu)數(shù)量、運(yùn)輸方式和每種原材料消耗數(shù)量等；
建立目標(biāo)函數(shù)，指的是確定優(yōu)化的目標(biāo)，即希望在采購(gòu)過(guò)程中最大化或最小化的指標(biāo)。例如將目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為最小化總成本，包括采購(gòu)成本、運(yùn)輸成本和庫(kù)存成本等；
確定約束條件，指的是要確定問(wèn)題的限制條件，以保障解決方案的可行性。比如供應(yīng)商的供應(yīng)量上限、交貨時(shí)間等，都屬于要納入考量的要素。
具體到供應(yīng)鏈場(chǎng)景下，假設(shè)某企業(yè)生產(chǎn)某產(chǎn)品需要不同原料，且該企業(yè)有不同的供應(yīng)商，每家供應(yīng)商的價(jià)格不同且每周可以供應(yīng)的原材料數(shù)量有上限。采購(gòu)人員需要根據(jù)供應(yīng)商報(bào)價(jià)和生產(chǎn)需求，計(jì)算出一個(gè)成本最低的采購(gòu)方案。
這個(gè)過(guò)程中，如果將采購(gòu)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型用求解器進(jìn)行計(jì)算，企業(yè)不僅要求助額外的數(shù)學(xué)建模工程師、根據(jù)具體需求搭建模型，同時(shí)，即便是有建模經(jīng)驗(yàn)的工程師，面對(duì)生產(chǎn)場(chǎng)景里的精細(xì)化問(wèn)題，也往往需要一周甚至更多的時(shí)間建立模型和修改模型，企業(yè)所對(duì)應(yīng)的人力成本和時(shí)間成本被拉高。
但有了 SeedModeler 之后，企業(yè)就無(wú)需再專門(mén)招聘建模工程師，面對(duì)具體的業(yè)務(wù)問(wèn)題，采購(gòu)人員只需用自然語(yǔ)言將問(wèn)題描述輸入 SeedModeler 中，即可得到由 AI 自動(dòng)分析問(wèn)題后給出的對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，大大縮短了過(guò)去用戶問(wèn)題與求解器應(yīng)用的距離，幫用戶低成本跨越了求解器的使用門(mén)檻。
不僅如此，針對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的具體問(wèn)題，SeedModeler 還會(huì)根據(jù)具體情況提出針對(duì)性建議，用戶也可以根據(jù)自身需求，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修改。
當(dāng)采購(gòu)人員確認(rèn)了所有因素均已被納入數(shù)學(xué)模型的考量后，即可生成代碼，由 SeedModeler 提出相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型代碼，并生成測(cè)試數(shù)據(jù)。最后，采購(gòu)人員點(diǎn)擊求解，SeedModeler 就會(huì)調(diào)用求解器進(jìn)行求解，并以自然語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)給出對(duì)應(yīng)的采購(gòu)和生產(chǎn)方案。
從專業(yè)人員需要一周的建模周期，到非專業(yè)人員沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、僅需幾分鐘就能完成一個(gè)數(shù)學(xué)建模，SeedModeler 將以往傳統(tǒng)的求解器應(yīng)用問(wèn)題，基于大模型的自然語(yǔ)言能力和交互能力，全面嵌入 AI 自動(dòng)化數(shù)學(xué)建模的流程中，讓模型來(lái)適應(yīng)用戶，降低數(shù)學(xué)建模和求解器的應(yīng)用門(mén)檻，極大地提高了用戶對(duì)數(shù)學(xué)生產(chǎn)工具的使用效率。
目前，晞德團(tuán)隊(duì)已將 SeedModeler 應(yīng)用于日常的建模工作中，搭配晞德的多款求解器，打通了從問(wèn)題到模型到答案的數(shù)學(xué)賦能產(chǎn)業(yè)的全流程。
將數(shù)學(xué)與大模型進(jìn)行融合，在新的技術(shù)底層之上釋放數(shù)學(xué)工具的生產(chǎn)力，這也為大模型應(yīng)用創(chuàng)業(yè)公司提供了一個(gè)新的參考路徑。
對(duì)話林錦坤
AI 科技評(píng)論：目前市面上陸續(xù)發(fā)布了不少數(shù)學(xué)大模型，與其他產(chǎn)品相比，SeedModeler 的差異和優(yōu)勢(shì)分別是什么？
林錦坤：SeedModeler 不是另外一個(gè)數(shù)學(xué)大模型，而是大模型在自動(dòng)建模領(lǐng)域的應(yīng)用。
現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的數(shù)學(xué)模型通常涉及大量復(fù)雜而相互關(guān)聯(lián)的約束，與我們平時(shí)所做的應(yīng)用題或數(shù)學(xué)題是不同的，這類問(wèn)題通常需要調(diào)用專業(yè)的求解器才能解決。
過(guò)去推廣求解器時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，雖然求解器很好用，但要把它應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中，前期有很長(zhǎng)一段路要走，需要將對(duì)應(yīng)的工作問(wèn)題抽象描述為數(shù)學(xué)模型、再使用求解器。這一步通常需要投入很重的人力成本和時(shí)間成本，如果要普及求解器，就必須降低使用門(mén)檻，SeedModeler 正是為此而研發(fā)的。
據(jù)我們所知，目前市面上還沒(méi)有針對(duì)這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域而開(kāi)發(fā)的大模型。
AI 科技評(píng)論：SeedModeler 解決的是工作流中建模環(huán)節(jié)的效率，有其通用性、也需要考慮具體使用場(chǎng)景的行業(yè)性問(wèn)題，它底層的技術(shù)原理是什么？
林錦坤：通常情況下，數(shù)學(xué)建模的難點(diǎn)在于處理問(wèn)題中存在的復(fù)雜約束，并用正確的數(shù)學(xué)公式表達(dá)出來(lái)。對(duì)于不同的行業(yè)場(chǎng)景下的問(wèn)題約束，在數(shù)學(xué)本質(zhì)上的差異通常并不會(huì)特別大。
SeedModeler 基于晞德求索團(tuán)隊(duì)多年來(lái)在數(shù)學(xué)建模和求解領(lǐng)域所積累的經(jīng)驗(yàn)、豐富的數(shù)據(jù)，以及大模型的自然語(yǔ)言理解能力和指令理解能力，將整套建模流程進(jìn)行了整合。
AI 科技評(píng)論：以具體場(chǎng)景為例，介紹一下 SeedModeler 是如何發(fā)揮作用的？
林錦坤：以供應(yīng)鏈問(wèn)題為例，假設(shè)某企業(yè)生產(chǎn)某產(chǎn)品需要不同原料，且該企業(yè)有不同的供應(yīng)商，每家供應(yīng)商的價(jià)格不同且每周可以供應(yīng)的原材料數(shù)量有上限。同時(shí)，企業(yè)的需要保證一定的庫(kù)存余量，以確保一段時(shí)間的生產(chǎn)能夠正常進(jìn)行。如果你是該企業(yè)的采購(gòu)人員，你該如何根據(jù)供應(yīng)商報(bào)價(jià)、企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃、原材料庫(kù)存計(jì)算出一個(gè)成本最低的采購(gòu)方案。
用求解器可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，但是，由于生產(chǎn)問(wèn)題多以自然語(yǔ)言或流程圖的形式呈現(xiàn)，使用求解器、避免不了將問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為數(shù)學(xué)模型和求解代碼，這對(duì)于非專業(yè)人員而言比較難。期間團(tuán)隊(duì)構(gòu)思和探索了一些模板和方向，但效果都不是很好。直至大模型的出現(xiàn)，讓我們覺(jué)得非常驚喜。
SeedModeler 通過(guò)整合大模型的能力，可以實(shí)現(xiàn)從自然語(yǔ)言問(wèn)題到公式語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化，自動(dòng)建模數(shù)學(xué)模型，并且生成相應(yīng)的求解代碼，一鍵求解得出最優(yōu)的采購(gòu)方案，從而極大程度地提高企業(yè)決策效率。
AI 科技評(píng)論：訓(xùn)練 SeedModeler 需要哪些方面的數(shù)據(jù)？面對(duì)金融、醫(yī)學(xué)等數(shù)據(jù)保密性高的垂直領(lǐng)域，數(shù)據(jù)樣本問(wèn)題如何解決？
林錦坤：SeedModeler 需要的數(shù)據(jù)主要來(lái)自于不同類型問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，尤其是那些涉及復(fù)雜約束的數(shù)學(xué)模型。正如上面所提到的，在數(shù)學(xué)本質(zhì)的層面，不同領(lǐng)域的問(wèn)題建模差異通常不會(huì)特別大，因此對(duì)垂直領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)保密性高對(duì)于數(shù)學(xué)建模的影響并沒(méi)有想象中的大。
例如，用戶提出問(wèn)題需要用到運(yùn)籌優(yōu)化的求解器，對(duì)應(yīng)模型則是從運(yùn)籌優(yōu)化的方向進(jìn)行建模，這當(dāng)中與問(wèn)題相關(guān)的領(lǐng)域數(shù)據(jù)、對(duì)建模影響并不大，關(guān)鍵是基于問(wèn)題描述本身以及對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如何生成。
當(dāng)然，SeedModeler 還在優(yōu)化和完善的過(guò)程中，對(duì)于某些特定領(lǐng)域下的特殊類型約束，SeedModeler 還需要再針對(duì)性地吸收這類問(wèn)題的建模經(jīng)驗(yàn)。隨著這方面的積累增多，SeedModeler 的建模能力也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。
AI 科技評(píng)論：關(guān)注到目前晞德求索的成員大部分深耕數(shù)學(xué)求解器領(lǐng)域多年，這樣的人員組成對(duì) SeedModeler 的研發(fā)有什么影響？
林錦坤：我們團(tuán)隊(duì)核心成員從事求解器多年研究，如何讓更多人走近數(shù)學(xué)、讓數(shù)學(xué)服務(wù)更多人是我們一直以來(lái)的追求和愿景。使用求解器的前提條件，是將問(wèn)題準(zhǔn)確地描述為合適的數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的求解代碼，這個(gè)過(guò)程不僅需要專業(yè)的建模和求解知識(shí)，并且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
ChatGPT 出來(lái)后，其表現(xiàn)令我們十分驚喜，于是便思考將 ChatGPT 跟求解器相結(jié)合的可能性，基于多年來(lái)的建模和求解經(jīng)驗(yàn)，用幾個(gè)月時(shí)間迅速研發(fā)出了 SeedModeler。
AI 科技評(píng)論：SeedModeler 的目標(biāo)客戶群體包括哪些行業(yè)？
林錦坤：需要使用數(shù)學(xué)建模的行業(yè)都能夠從 SeedModeler 獲益，包括生產(chǎn)調(diào)度、供應(yīng)鏈管理、排工排產(chǎn)、庫(kù)存和運(yùn)輸優(yōu)化等。
目前，SeedModeler 還屬于一個(gè)新研發(fā)的產(chǎn)品階段，接下來(lái)會(huì)逐步對(duì)外開(kāi)放。此前一直作為公司內(nèi)部的建模工具，為公司提高所承接項(xiàng)目的建模效率。
AI 科技評(píng)論：從產(chǎn)品角度來(lái)看， SeedModeler 的能力表現(xiàn)、跟模型在不同細(xì)分行業(yè)場(chǎng)景中應(yīng)用的相關(guān)性大么？具體效果如何？
林錦坤：SeedModeler 屬于大模型在細(xì)分行業(yè)場(chǎng)景中的應(yīng)用，主要致力于降低數(shù)學(xué)的使用門(mén)檻，尤其是降低使用求解器來(lái)提高效益的門(mén)檻。其主要功能包括：將自然語(yǔ)言描述的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為數(shù)學(xué)模型，給出改善模型的專家建議，允許客戶用自然語(yǔ)言修改數(shù)學(xué)模型，生成模型求解代碼，使用求解器給出原問(wèn)題的求解結(jié)果。
過(guò)去在涉及到復(fù)雜場(chǎng)景的問(wèn)題時(shí)，可能需要兩三個(gè)月、甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能完成數(shù)學(xué)建模和代碼編寫(xiě)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行求解器的調(diào)用，有了 SeedModeler 后，這一情況得到了改善。據(jù)內(nèi)部測(cè)算，借助 SeedModeler 平臺(tái)能力，只需幾分鐘時(shí)間即可完成一個(gè)數(shù)學(xué)建模，即使是面向更復(fù)雜的場(chǎng)景優(yōu)化問(wèn)題，用戶也只需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改和再適配，極大地提高了決策效率。
AI 科技評(píng)論：現(xiàn)階段來(lái)看，行業(yè)/領(lǐng)域大模型被認(rèn)為是大模型落地可行性最高的方向，您怎么看待這種觀點(diǎn)？這是否也是晞德求索從數(shù)學(xué) GPT 切入的原因之一？
林錦坤：從短期內(nèi)的應(yīng)用而言，我是支持這個(gè)觀點(diǎn)的。
目前，通用大模型的最高性能是 OpenAI 的 GPT-4，其他各個(gè)大模型還在追趕過(guò)程中。但即使是 GPT-4，在許多垂直領(lǐng)域中的應(yīng)用仍然存在許多瓶頸。因此，利用垂直領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累，借助大模型的能力，是非常有希望能夠做得很好的。這的確也是晞德求索借助大模型來(lái)完成自動(dòng)建模的原因之一。
但另一方面，降低數(shù)學(xué)使用的門(mén)檻一直是晞德求索的初衷，實(shí)際上在大模型沒(méi)有流行之前，晞德求索就已經(jīng)在籌劃自動(dòng)建模的內(nèi)容了，現(xiàn)在趕上了大模型成熟的時(shí)機(jī)，對(duì)我們而言是一個(gè)很好的機(jī)遇。
AI 科技評(píng)論：SeedModeler 的大模型路線是什么樣的？目前瞄準(zhǔn)的是自動(dòng)建模方向，是否意味著未來(lái)還會(huì)支持更多細(xì)分方向？
林錦坤：從接入大模型的技術(shù)路線上，晞德在考慮私有部署大模型的計(jì)劃，以更好地打造產(chǎn)品。SeedModeler 之后的發(fā)展仍然會(huì)是降低數(shù)學(xué)使用門(mén)檻的方向，尤其是降低各類數(shù)學(xué)求解器的使用門(mén)檻。SeedModeler 將來(lái)會(huì)支持更多類型的數(shù)學(xué)模型，例如圖論模型、一階邏輯模型等。同時(shí)，針對(duì)大規(guī)模的問(wèn)題求解，我們還計(jì)劃讓 SeedModeler 支持分階段建模求解。
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