Konzeption einer Architektur für Optimierungssoftware zur Integration in betriebliche Anwendungssysteme

Abstract

Betriebliche Anwendungssysteme und insbesondere Entscheidungsunterstützende Systeme (EUS) basieren häufig auf mathematischen Optimierungsmodellen, bei denen es sich sehr oft um lineare und gemischt-ganzzahlige Modelle handelt. Die Generierung solcher Modelle kann über verschiedene Modellierungssprachen, Modellierungsbibliotheken oder Solverinterfaces erfolgen, und zur Modelllösung gibt es eine Reihe unterschiedlicher Optimierer. Alle diese Arten von Optimierungssoftware müssen zu ihrer Nutzung in betriebliche Anwendungssysteme integriert, bzw. an diese angebunden werden. Hierbei ergibt sich das Problem, dass die einzelnen Bestandteile (Solver, Modellierungssprachen, Modellierungssysteme etc.) oft von unterschiedlichen Anbietern und mit unterschiedlichen Zielsetzungen und Designparadigmen entwickelt wurden. Dies führt häufig zu einer mangelhaften „Passgenauigkeit“ der Optimierungssoftwareschnittstellen untereinander und zum betrieblichen Anwendungssystem, woraus sich negative Auswirkungen auf die Entwicklungseffizienz und Softwarequalität ergeben können. In der vorliegenden Arbeit wird dieses Problem aufgegriffen, indem ein Architekturkonzept zur Integration unterschiedlicher Solver und Modellierungssprachen in betriebliche Anwendungssysteme entworfen wird. Ziel ist dabei eine vereinheitlichende Anbindung unterschiedlicher Optimierungssoftwarebausteine über eine Optimierungsmiddleware, die gleichzeitig diverse passgenaue Schnittstellensysteme für jeweils unterschiedliche Programmierkontexte und -sprachen bietet. Dabei beschränkt sich die Betrachtung nicht nur auf Programmierschnittstellen, sondern reicht bis zu den Endbenutzerschnittstellen integrierter Modellierungssysteme, die Solver, Modellierungssprachen und Modellverwaltungsfunktionalitäten verbinden. Über das rein Konzeptionelle hinaus werden umfangreiche Implementierungen vorgenommen. So werden Teile des Architekturkonzepts prototypisch in Form einer Komponentenbibliothek umgesetzt. Weiterhin wird ein vollständiges integriertes Modellierungssystem für den Einsatz in Forschung und Lehre entwickelt, das eine offene Plattform für die Nutzung unterschiedlicher Modellierungssprachen und Solver bietet.

Decision Support Systems are often based on mathematical optimization models, which are in many cases linear or mixed-integer models. Such models can be generated via modeling languages, modeling libraries or solver interfaces and they can be solved by appropriate mathematical solvers. The problem is that the parts (solvers, modeling languages, modeling systems etc.) often were developed by different parties, with different objectives and different design paradigms, which results in a lack of fitting accuracy of the optimization system interfaces. This affects the developer’s efficiency and the software quality. This paper tries to outline an architectural concept for the integration of different solvers and modeling languages into application systems. The core of the architectural concept is a middleware for optimization systems which not only integrates solvers, libraries and modeling languages, but also offers a number of specific interfaces for different programming contexts. The concept is not only restricted to programming interfaces, it also ranges up to the end user by proposing solutions for the incorporation of solvers and modeling languages into an integrated modeling system. Beyond mere conceptual ideas, substantial implementations have been carried out: Parts of the architectural concept were implemented as a component library. Furthermore a complete integrated modeling system has been built, which serves as an open platform for using various solvers and modeling languages and which has already has been employed for research and teaching purposes in a major number of cases.