最適化向けLLMベンチマークの潮流

最適化向けLLMベンチマークの潮流
小林 和博
青山学院大学 理工学部, モアイ・ラボ 取締役 CAIO

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1. 最適化向けLLMベンチマークの潮流 小林 和博 青山学院大学 理工学部, モアイ・ラボ 取締役 CAIO
2. 数理最適化向けLLMベンチマーク • 大規模言語モデル(LLM)は数理最適化モデリングを支援 • 物流・生産・在庫管理に応用可能 • 自然言語から線形計画(LP)や混合整数計画(MILP)への定式化が 注目されている 2
3. サプライチェーンにおける最適化の役割 サプライチェーン l複数の階層にわたる複雑なシステム l最適化による意思決定の自動化，効率化，コスト削減が有効 3
4. サプライチェーンにおける最適化の役割 サプライチェーン l需要予測に基づいた適切な在庫配置 l工場〜倉庫〜店舗の配送ネットワーク設計 lコスト・時間・能力制約を踏まえた最適な意思決定 4
5. サプライチェーンにおける最適化の役割 混合整数計画問題への定式化，ヒューリスティックな解法が有効 注）大規模な問題を扱うには，適切な専門的知見が必要 5
6. 従来の課題 l数理モデルの定式化には専門知識が必要 l 問題文からモデルへの変換は手作業 lモデル作成コストが高く，汎用化が難しい A fighter jet is a crucial combat tool, but to make a fighter jet effective, enough pilots are required. Therefore, a portion of the produced fighter jets, besides those used directly in combat, must be allocated for training pilots. Given that the annual production of fighter jets is 𝑎! (𝑗 = 1,2), with 𝑎" = 10 and 𝑎# = 15, furthermore, each fighter jet can train 5 pilots per year. How should the annual production of fighter jets be allocated to maximize their contribution to air defense over 𝑛 years? , $∈& , '∈(! 𝑐' $𝑥' $ + , )∈* 𝑐) + 𝑦) + , ,∈- 𝑐, .𝑧, + , /∈0" 𝑐/ 𝑢/ , $∈& , '∈(! , )∈*# 𝑎)' $ 𝑥' $ − , )∈*$ 𝑦) + 𝑧, = 1 𝑦) − , $∈& , '∈(! 𝑎)' $ 𝑥' $ ≤ 0 6
7. 従来の課題 l問題を自然言語で記述 l専門家が決定変数，目的関数，制約条件を抽出 l代数モデリング言語で記述 , $∈& , '∈(! 𝑐' $𝑥' $ + , )∈* 𝑐) + 𝑦) + , ,∈- 𝑐, .𝑧, + , /∈0" 𝑐/ 𝑢/ , $∈& , '∈(! , )∈*# 𝑎)' $ 𝑥' $ − , )∈*$ 𝑦) + 𝑧, = 1 𝑦) − , $∈& , '∈(! 𝑎)' $ 𝑥' $ ≤ 0 set R; set P; param a {R,P} >= 0; param b {R} > 0; param c {P} > 0; param u {P} > 0; var x{j in P} >= 0, <= u[j]; maximize total_profit: sum{j in P} c[j] * x[j]; subject to supply {I in R}: sum {j in P} a[I,j] * x[j] <= b[i]; 7
8. 定式化とは? 現実世界の課題を数学的な表現に変換するプロセス 1. 決定変数の特定と定義. 「何を決めるか？」 • 生産量を決めたい 2. 目的関数の特定と定義. 「どうしたいか？」 • 利益を最大化したい 3. 制約式の特定と定義. 「どんな条件があるか？」 • 使用可能な原材料は3トンまで 8
9. 定式化とは? 現実世界の課題を数学的な表現に変換するプロセス 1. 決定変数の特定と定義 2. 目的関数の特定と定義 3. 制約式の特定と定義 最⼤化. ∑ !1" 2 𝑐! 𝑥! 𝑥! ∶ ルート j を採用するとき1，それ以外 0 , !1" 2 𝑎3! 𝑥! ≤ 𝑏3 (𝑖 = 1,2, … , 𝑚) 9
10. LLMによる支援の可能性 1. 自然言語からモデル（目的関数・制約）を自動構築 2. Python + AMPL形式への変換も対応 3. 入力変更に応じたモデル修正も可能 10
11. LLMによる支援の難しさ 1. 曖昧な用語 lvehicle と car, priceとcapacity, 𝑝と𝑐, 𝑥と𝑦 2. 暗黙の前提の省略 l人数は非負整数 3. 長いコンテクスト l50ページの問題記述をLLMに渡せるか？ 4. 信頼性の低い出力 l不正確なモデル，実行できないコードを出力することがある 11
12. 問題文を直にChatGPTに？ • ある工場では、食品Iと食品IIの2種類を生産している。現在、熟練労働者が 50人いる。 • 熟練労働者1人あたり、食品Iは毎時10kg，食品IIは毎時6kg 生産できる。 • 各労働者は週に40時間働く。 • 予約により、今後8週間で両食品の需要が表1-11のように急増する。 • そのため、工場では8週目までに新たに50人の労働者を訓練して確保するこ とを決定した。 問題⽂（⾃然⾔語） IndustrialORの問題 12
13. 問題文を直にChatGPTに？ 訓練と労働条件 • 熟練労働者1人は2週間で最大3人の新人を訓練可能 （訓練期間中、訓練者・訓練生は生産に参加しない） • 熟練労働者の週給は360元、訓練中の新人は120元、訓練後の労働者は240元 • 熟練労働者のうち一部は60時間の時間外勤務も可能（週給540元） 遅延ペナルティ • 食品Iが1kg/1週遅れるごとに0.5元 • 食品IIが1kg/1週遅れるごとに0.6元 問題⽂（⾃然⾔語） IndustrialORの問題 13
14. 問題文を直にChatGPTに？ 目的 • これらの条件のもとで，総コストを最小にする計画を作成する 問題⽂（⾃然⾔語） IndustrialORの問題 14
15. 問題文を直にChatGPTに？ 得られた定式化 得られたコード 15
16. 問題文を直にChatGPTに？ l ChatGPTの出した定式化・プログラムの最適解: 158292 l 正解: 219816 l 各LLMは，数理モデル化の性能もどんどん良くなっている l しかし，複雑な問題では間違えることがある 16
17. アプローチ分類 1. パイプライン型：エンティティ抽出 → モデル生成 2. マルチエージェント型：複数LLMで役割分担 3. プロンプト一括型：GPT-4等に一発指示 4. 特化型LLM：LLM自体を訓練 5. 質問応答型+ソルバー連携: ユーザとLLMが自然言語で対話， 実行はソルバー 17
18. 評価方法 l モデルの構文・意味的一致 l ソルバでの最適解一致率とモデル化過程の妥当性 l ユニットテストでコードが通るか l 自然言語質問への適切な数理的応答 l 産業問題でのLLM同士の性能比較 18
19. 実例: 輸送問題(transportation problem) 問題文: ある企業は３つの工場と４つの倉庫を持ち，各工場の供給能 力と倉庫の需要が決まっている。輸送コストを最小化するモデルを構 築せよ。 import pulp prob = pulp.LpProblem("Transportation", pulp.LpMinimize) x = pulp.LpVariable.dicts("x", [(i, j) for i in plants for j in warehouses], lowBound=0) ……… LLM出力例(PuLPコード) 19
20. ベンチマークとは？ l LLMを用いたアプローチを評価するための問題集 l 同じ問題を解くことで，各アプローチの性能が比較できる l 数理最適化では，混合整数最適化のMIPLIB, 半正定値最適化の SDPLIBなどが確立されている l 数理最適化向けLLMベンチマークの定め方は，まだ確立されていない 20
21. ベンチマーク問題の例 21
22. NL4OPT 問題文（自然言語） あなたのクライアントは、1年間の運用期間として6万ドルの投資資金を持っていま す。この資金は、利回り7%の信託口座か、利回り2%の普通預金口座に預けることが できます。クライアントの投資目標に基づき、あなたは少なくとも全体の15%を信 託口座に投資するよう助言しました。また、クライアントのリスク許容度を踏まえ、 普通預金に投資する金額は全体の60%を超えないように求められています。クライ アントの利益を最大にするには、それぞれどれだけ投資すべきでしょうか？ 22
23. NL4OPT タスク1: エンティティの抽出 l ラベル: “制限”, テキスト:“60,000” (17字-23字目) l ラベル: “制約方向”, テキスト:“available” (24字-33字目) l ラベル: “目的方向”, テキスト:“maximize” (400字-409字目) l ラベル: “目的名”, テキスト:“return” (413字-433字目) 23
24. NL4OPT タスク2: 定式化 最大化 0.07𝑥 + 0.02𝑦 条件 𝑥 + 𝑦 ≤ 60000 𝑥 ≥ 0.15(𝑥 + 𝑦) 𝑦 ≤ 0.6(𝑥 + 𝑦) 24
25. IndustryOR 問題の例（自然言語） (1/3) 元々は英語 レッドスター・プラスチック工場では、6種類の異なるプラスチック容器を製造して います。各容器の種類は、それぞれ特定の容量、市場需要、そして単位あたりの可 変製造コストによって特徴づけられており、その詳細は表5-11に示されています。 Type 1 2 3 4 5 6 Volume 1500 2500 4000 6000 9000 12000 Market Demand 500 550 700 900 400 300 Unit Variable Production Cost 5 8 10 12 16 18 25
26. IndustryOR 問題の例（自然言語） (2/3) いずれの容器タイプの生産にも、それ専用の特殊な設備の使用が必要です。特定の容器タイプの 生産設備を稼働させる（すなわち、その容器タイプの生産量がゼロを超える）場合、その設備に 対して固定のセットアップ費用として1,200元が発生します。 ある容器タイプの生産量が、そのタイプの直接需要を満たすには不十分な場合、工場は他の容量 が同等またはそれ以上の容器タイプを代替として使用し、不足分の需要を補うことができます。 たとえば、タイプ2の容器（容量2,500 cm³）は、タイプ1の容器（容量1,500 cm³）の需要を満た すために使用することができますが、タイプ1の容器をタイプ2の需要に使うことはできません。 本問題においては、容器タイプのコードは容量の昇順に並べられています。 26
27. IndustryOR 問題の例（自然言語） (3/3) 問題: 工場はどのように生産を計画すべきでしょうか。目的は、すべての容器の生産に かかる変動費用と、稼働させた設備にかかる固定費用の合計を最小限に抑えつつ、 すべての容器タイプの需要を確実に満たす生産計画を立てることです。 27
28. LLMアプローチの例 28
29. OptiMUS l 長い問題記述やデータを処理可能にするアプローチ l 複数エージェントアプローチ l マネージャー，定式化，プログラマー，評価者 29
30. OptiMUS l 前処理 l パラメータ，条項，背景 l 複数エージェントアプローチ l マネージャー : 作業の調整 l 定式化 : 変数・制約・目的の定式化と修正 l プログラマー : コード生成，デバッグ l 評価者 : コードの実行とエラー特定 30
31. OptiMUS 31
32. OptiMUS l NLP4LP: 新たなベンチマーク l NP4Opt, ComplexORより複雑な問題 l より複雑で長い問題記述 l 54のLPと13のMILP l 工場配置，ネットワークフロー，スケジューリングなど 32
33. OptiGuide l Microsoft社での取り組み l LLMとソルバーの協調フレームワーク l サプライチェーン設計に対し，「制約を変えると？」という質問を LLMに投げる l 例: 容量制約追加，優先配送の実装，など 33
34. OptiGuide l LLMとソルバーの協調フレームワーク l 最適化の結果をビジネス担当者が理解し，ソルバーとの対話を可能 にする l 問題を一発で全て解くのではなく，「What-if分析」を可能にする l 「工場1から倉庫2への輸送を禁止したときのコストの変化は？」 34
35. OptiGuide 35
36. ベンチマーク比較 l NL4OPT (2022) l MAMO (2024) l NLP4LP (2024) l OptiGuide (2023) l IndustryOR(2024) l OptiBench (2024) 36
37. 名称 問題数 特徴 評価指標 アプローチ NL4OPT (2022) 289 (LP) • 自然言語記述から最適化問題 の意味抽出と定式化生成が目 的 • エンティティ認識 の精度(F1スコア) • 数学的表現への変 換精度 • パイプライン型 （エンティティ抽出 →モデル生成） MAMO (2024) 1059 (LP/MILP, ODE) • LLMの数理モデリング能力を評 価する目的 • 過程に焦点 • ソルバーによる最 適解の一致率 • ソルバー連携型 （モデル構築はLLM, 求解はソルバー） NLP4LP (2024) 67 (54LP/13MILP) • 記述が複雑で長い問題． • 工場配置，スケジューリング など • 解けた問題の割合 • OptiMUS （マルチエージェン ト型） 37
38. 名称 問題数 特徴 評価指標 アプローチ OptiGuide (2023) 多数のQ&Aペア • MSでのサプライチェーン事 例に基づくLLMとソルバー の協調フレームワーク • What-ifシナリオ に対するコードの 正答率 • 汎用性や外挿能力 • 質問応答＋ソル バー連携 IndustryOR (2024) 100 (実世界OR) • 実世界のオペレーション ズ・リサーチの問題 • ソルバーによる最 適解の一致率 • ORLM （特化型LLM） OptiBench (2024) 605 (実世界OR) • 非線形計画問題や表形式 データを含む • Pass@1精度（単一 呼び出しで解けた 問題の割合） • OptimAI（マルチ エージェント型） 38
39. ベンチマーク別性能比較での傾向 l マルチエージェント型アプローチの有効性 l 問題を複数の専門エージェントに分割し，今日調査させることで， 単一のLLMでは困難な複雑なタスクも高精度で解決できる可能性 l プロンプト設計の重要性 l デバッグ機能の統合 l コード生成後のデバッグプロセスをLLMに行わせることで，全体 の信頼性が向上 l LLMの汎化能力の向上 39
40. 展望と課題 l モデル制度と可読性の両立 l 動的な環境・データ変動への対応 l セキュリティ・プライバシーの確保 40
41. まとめ l LLMによる数理最適化モデリングは実用段階へ l サプライチェーン分野での適用が増加中 l マルチエージェントと専門モデルの融合が鍵 41