什麽是Optaplanner

　　其實這個名稱是作者將這個引擎貢獻給了Jboss社區後，才使用的名，之前叫做Drools planner。沒錯，它就是結合Drools（一個開源規則引擎）一起應用的(也可以單獨使用)，Drools在這裏的作用主要是用來作編寫計分腳本，事實上完全可以拋開Drools，直接使用Optaplanner自己的API，通過Java代碼自己來計分，但這個難度就大得多。詳細情況計到相應的章節再細說。

　　名稱的前綴應該是Optimize的詞根，或取近音吧，因為Optaplanner其實就是一個對待規劃的方案組合進行優化的引擎。好了，關於它的名稱就不花費太多的口水去深究，我們看看官方是怎麽定義Optaplanner的。"OptaPlanner is a constraint solver. It optimizes business resource planning use cases, such as Vehicle Routing, Employee Rostering, Cloud Optimization, Task Assignment, Job Scheduling, Bin Packing and many more. " - Optaplanner 是一個約束解決器，它可以優化業務資源，規劃各種案例，例如車間調度，職員排班，雲優化，任務分配，工作排程，裝箱等相關的問題，例如下圖。

　　而我對Optaplanner的理解，它是一個Planning Engine - 規劃引擎，針對各行各業的業務需求，開發人員需要將一些業務規則翻譯成約束，並對業務場景中的實體進行抽象建模，規劃引擎根據上述約束和模型對象進行規劃，找出一個相對最優化的方案出來返回給用戶。其實如果需要規劃的業務對象不多（種類和數量都不多），規則不太復雜，人類是可以通過自己的經驗、推算和規則運行，得到一個可行方案的，甚至當問題規模足夠小的時候，是可以找到一個最優方案的。關於規劃問題，大家可以參考這個系統文章中的一篇入門介紹《Optaplanner - 入門介紹》，裏面講到，規劃問題其實就是數學上的NP問題或NPC問題，目前數據世界對於這種問題，是沒有可用算法直接實現的，當問題足夠大的時候，只能夠通過一些尋優算法（例如爬山算法，模擬退火及遺傳算法等）提高找到問題相對優解的機率。而Optaplanner正是一個集成了這類算法，實現快速趕尋找相對最優方案的引擎。它是一個輕量級的，可嵌入的規劃引擎，也就是說你可以在自己的程序中通過Jar包直接和相關的配置項來直接使用Optapalnner. 當然，當你需要一個獨立的，具有良好擴展性的規劃服務組件時，可以直接使用Optaplanner建立自己的規劃服務器，通過Spring等框架，對外提供規劃服務。
 

　　Optaplanner是基於Apache Software License.協議的，你可以直接使用它作為商業用途。並且它是使用純Java編寫的，最低功能要求下，只需安裝一個JVM即可以使用Optapalnner了。並且它所有的包都可以從Maven中央庫中獲得，即只需要建立一個Maven項目，簡單配置好依賴項，就可以開始基於Optaplanner的開發了。

下面，就開始對Optaplanner中概念進行逐一講解.

什麽是規劃問題(Planning Problem)

規劃問題是 - 基於有限資源，及指定約束條件下達到優化目標（包括資源、排程安排等優化）.，例如：

• 最大化利潤
• 最小化對生態環境的影響
• 提高員工及客戶的滿意度

• ........
  要實現這些目標，需要以下條件：

• 人員
• 時間
• 預算（資金)
• 物理資產（例如機臺、汽車，電腦，建築等等）

• 下圖是Optaplanner官網對規劃問題的定義：

上面是對官網的一些翻譯。通俗地講,規劃問題就是：

1. 存在一堆對象，例如：任務、人員、資源等，以後稱作規劃實體 - 官方稱planning entity；

2. 還存在一些條件規則，例如：任務最遲需要什麽時候完成，人員每天最多只能上班8小時，在指定的時間段內資源是有限的。以後稱約束 - 官方稱Constraint

3. 根據上述第2點的條件，對第1點所述的規劃實體進行資源分配和時間安排，例如,哪個任務應該安排在哪個機臺上，在什麽時候開始作業；哪個人員安排在哪個車間的哪個班次；哪種資源（例如：機臺、原料等）需要確保在哪個時間送到哪個車間等。

　　上述第3點所做的工作就是一個規劃的過程，也就是引擎會根據約束的限制和規劃實體的特性，對這些規劃實體進行時間或/和空間上的規劃；這個就是規劃過程。而我們面對的這些規劃實體和這些約束的結合體，就稱作規劃問題。例如：排定下個學期每個年級的課程表，令每個課程的老師不會出現同一時候分配到不同的班級上課。現有一堆外賣，規劃好各個騎手的取餐、送餐路線，令每個騎手都以盡量小的路程和時間成本送最多的單。這些都可以被視作規劃問題。

規劃實體與規劃變量（Planning Entity & Planning Variable）

　　我們知道，規劃問題，就是對一些規劃實體進規劃預計分配。例如編造排班表，是一個規劃問題，那麽抽象出來，一個工人就是一個規劃實體(Planning Entity)了，它是被規劃的對象。而工人在指定的時間在哪個車間上班，就是這個規劃實體的規劃變量(Planning vaiable)了。所以，其實解決這個規劃問題的過程，就是針對每一個規劃實體，根據約束及每個規劃實體的情況，來給它的規劃變量設置適當的值，令到所有規劃實體的所有規劃變量的組合達到整體最優。即是設定每個工人（規劃實體），在哪個時間，去哪個車間上班（上班時間和車間就是規劃變量）。

問題事實(Problem Fact)

　　問題事實是相對規則實體而言的，它也是一個業務實體，與規劃實體不同的是，它只反映出業務情況，而在規劃的過程中，不會被規劃引擎進行修改。也就是說，問題事實只是用於提供資料，輔助規劃引擎進行規劃運算的。在整個規劃過程，問題事實是只讀的。例如規則班次計劃的時間，其中的班次是在開始規則之前已經確定的，所以“班次”這個業務實體只會在規劃過程中，提供每個班次具體的時間等信息，而不會改變的。那麽“班次”這個業務實體，就是一個問題事實。

約束（硬約束與軟約束）

　　上而我們把業務規則定義為約束，其實目前針對排程方面的規劃問題，主要是通過約束進行評分機制的尋優方法。約束就是根據業務規則抽象出來，針對規劃變量，在求解規劃問題時候的一種限制，或懲罰機制。也就是說，約束是用來制約引擎對規劃變量的賦值行為的。例如一個人不可能有超過24個小時的可用時間。

　　硬約束：硬約束是指那些不能違反的約束，違反了就會出現不符合常理，即業務可能出現絕不允許的情況出現。例如上面提高，一個人不可能有超過24小時的可用時間（常理）；機臺運行過程中，機修工不能進行維修工作（涉及安全生產問題，法律及業務有硬性要求。）。因此，硬約束可以被人視為是用於對規則行為進行定義的。

　　軟約束：軟約束是相對硬約束而言的，它是可違反的。設立軟約束之目的並不是不允許它違反，而是定量地制約規劃結果（結果，即是下面講到的解或方案）的發展方向，起到對規劃結果的偏向作用，即讓規則結果盡量向指定的一個方向偏衙。也就是說在滿足了硬約束的前提下，再對軟約束進行判斷，如果軟約束能不違反就最好，要是必須違反，違反得越少，所得的方案就越好。例如成本高低就是一種軟約束，生產運營中不可能不產生成本，那麽如果成本越低，那麽方案肯定越好，當然是在滿足了硬約束的前提下。

規劃問題其實是NP問題或NP-Hard問題

　　其實在《Optaplanner - 入門介紹》中已經有講解過關於NP或NP-Hard（那講到NPC問題），大家可以去參考一下那篇文章。這時概括地重述一下，NP或NP-Hard問題是問題以下條件的：

• 對於一個給定的規劃的結果（官網中稱作solution, 即是解），很容易在合理的時間內對其進行驗證是否可行。例如：課程表編排得正不正確，可以根據約束來核對一下就可以確定了，例如有沒有出現同一個時間內，一個老師被分配到不同的班級上課。
• 不存在一個可確定的方法，在合理的時間內找到一個最優解（這裏指的是絕對最優解）。這個也不難理解，對於這種沒有任何快捷方法找最優解的規劃問題，我們唯一的辦法就是把所有不同的組合情況全部排列出來，一個一個比較（即逐一枚舉），那必然是可以找到最優解的。但是，因為這種方法其實是一種暴力窮舉法，當問題非常復雜、且需要規劃的實體數量非常多時，它的時間復雜度是隨著組合情況的增加，逞指數式上升的，暴力窮舉的方法是不可取的。

• 規劃問題布在巨量搜索空間

  　　搜索空間：因為目前針對規劃問題，只能通過搜索的方式去尋找相對最優解，因為相對一些直接通過算法操作得到的辦法而言，規劃問題只能將它的解一個一個地對比，逐步收斂逼近的辦法來得到相對最優解。所以，你可以認為規劃問題的相對最優解是搜索出來的，而且每一步搜索都需要對約束進行運算；從所有經歷過的解中，找到相對最優一個。所以規劃問題存在一個搜索空間的問題，即有多少種可能的解，就表示搜索空間有多大。例如將3個任務分配到兩個機臺上，存在多少種可能？大家可以自己去算，其實就是排列組合問題。

　　而對實際問題時，稍復雜的約束，稍多一點的規劃實體，最後得出的可能解的數量都是非常巨大的，很多問題其搜索空間輕易就是一個天文數字。所以，如果對於所有規則問題，都是使用這些暴力枚舉的辦法，以現有世界上的計算機的算力，很多問題是沒辦法找到最優解的。

　　規劃問題的規模，即是規劃實體及每個實體的規劃變量的組合，例如時間、空間，及影響因素，及這些因素的所有情況組合。例如，如果上述所有實體，規劃的變量和所有因素，展開後的數量是M，而一個解是對其中的N個變量進行規劃，那麽有多少個解呢？其實就是M到N的排列P(M->N).當遇到實際問題的，這些組合的數量就是天文數字了。

可能解，可行解，相對最優解與絕對最優解

　　在規則問題中，需要清楚解的概念，在Optaplanner裏稱作solution, 即方案。在本系列文章中，解與方案是相同的意義，請註意。本猿只是根據中文表達的習慣，在不同的場合以最順口的方式，視情況確定到底應用用“解”，還是“方案”來表述。

在接下來的一系列文章中，我在講解這些方案的過程中，會用到以下概念：

　　可能解：一個規劃問題的任意一個解都稱為可能解，也就是所有規則實體的所有規則變量，任意一個組合，都稱作一個可能解。例如分配工人A，在1月20日晚班，到1號車間；分配工人A在1月20日晚班到2號車間；分別是兩個不同的可能解，盡管它們的差別只是分配到不同的車間.而每個工人的每個班次的工作車間，正好是規劃變量。所以任意一個規劃變量的不同，都會產生不同的可能解。現在知道為什麽規劃問題存在巨量搜索空間了吧？

　　可行解：可行解就是那些完全符合硬約束的解。即若存在一個解，它對任何一個硬約束都是符合的，則稱這個解為可行解。可行解是可能解的一個子集。可行解是可驗證的，只要根據目前所有的硬約束，對解中的每一個規劃實體中的每個規劃變量，逐一核對，看是否符合所有硬約束，如果符合，那就表示這個解是可行解。

　　相對最優解：上面已經提，規劃問題的搜索空間非常巨量，大多數情況下是不可能計算並比較所有解的值，再取得最佳方案（這個解就是絕對最優解）的。那以在我們固定的時間內，Optaplanner引擎幫我們找到的最優方案，就是稱作相對最優解了。大家來思考一下，相對最優解必然是可行解嗎？

　　絕對最優解：同樣的上面提到，就是所有可能解中最優的那個解，目前是沒有直接確定的算法，通過運算在合理的時間內去找到一個問題的絕對最優解的，所以要得到絕對最優解，只有一個辦法，就是將所有可能解都遍歷一次才能找到。當問題規模不算大的時候，以目前的CPU速度還是能實現的。但如果問題稍復雜一點，規劃實體和規劃變量稍多一點，那麽可能解的數量就是一個天文數字了，這種情況下是沒辦法完全遍歷的。所以，在我們現實中，我們是無法得到絕對最優解的。其實更貼切地說，我們所得到的相對最優解，我們不知道它是不是絕對最優解。因為現在數學上還沒有辦法（除了遍歷）證明一個相對最優解是否絕對最優。

　　本篇先介紹一下上述兩個概念，下一篇將我們再具體介紹其它概念。

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