This study introduces GCO-HPIF, a general machine-learning-based framework to predict and explain the computational hardness of combinatorial optimization problems that can be represented on graphs. The framework consists of two stages. In the first stage, a dataset is created comprising problem-agnostic graph features and hardness classifications of problem instances. Machine-learning-based classification algorithms are trained to map graph features to hardness categories. In the second stage, the framework explains the predictions using an association rule mining algorithm. Additionally, machine-learning-based regression models are trained to predict algorithmic computation times. The GCO-HPIF framework was applied to a dataset of 3287 maximum clique problem instances compiled from the COLLAB, IMDB, and TWITTER graph datasets using five state-of-the-art algorithms, namely three exact branch-and-bound-based algorithms (Gurobi, CliSAT, and MOMC) and two graph-neural-network-based algorithms (EGN and HGS). The framework demonstrated excellent performance in predicting instance hardness, achieving a weighted F1 score of 0.9921, a minority-class F1 score of 0.878, and an ROC-AUC score of 0.9083 using only three graph features. The best association rule found by the FP-Growth algorithm for explaining the hardness predictions had a support of 0.8829 for hard instances and an overall accuracy of 87.64 percent, underscoring the framework's usefulness for both prediction and explanation. Furthermore, the best-performing regression model for predicting computation times achieved a percentage RMSE of 5.12 and an R2 value of 0.991.


翻译:本研究提出了GCO-HPIF,一个基于机器学习的通用框架,用于预测和解释可表示为图的组合优化问题的计算难度。该框架包含两个阶段。第一阶段创建包含问题无关图特征与问题实例难度分类的数据集,训练基于机器学习的分类算法将图特征映射到难度类别。第二阶段使用关联规则挖掘算法解释预测结果。此外,训练基于机器学习的回归模型以预测算法计算时间。GCO-HPIF框架应用于由COLLAB、IMDB和TWITTER图数据集编译的3287个最大团问题实例,采用五种先进算法:三种精确分支定界算法(Gurobi、CliSAT和MOMC)和两种基于图神经网络的算法(EGN和HGS)。该框架在预测实例难度方面表现出色,仅使用三个图特征即获得加权F1分数0.9921、少数类F1分数0.878和ROC-AUC分数0.9083。FP-Growth算法发现的最佳关联规则对困难实例的支持度为0.8829,整体准确率达87.64%,凸显了框架在预测与解释方面的实用性。此外,预测计算时间的最佳回归模型获得百分比RMSE为5.12,R2值为0.991。

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