设定

设一阶段决策为 ,二阶段线性递补值函数为

其中 。给定目标值 ,定义超额损失

经验参考分布取为


原问题

定义 1(标准两阶段 -Wasserstein RS 模型)

原始模型写为

其中 为基于 -范数的 Wasserstein 距离。


精确重构

定理 1(经验分布中心下的精确重构)

对任意给定 ,约束

等价于

证明

由 Wasserstein 距离定义,

故

由于

任意满足 的联合分布均可写为

其中 。于是上式化为

对每个 ,最优 可退化为单点分布,从而得到

证毕。


命题 1(半无限规划形式)

模型 等价于如下半无限规划:

证明(命题 1)

由定理 1,原问题约束等价于

对每个样本 引入上图变量 ,使其逐点上界对应的 supremum,即得结论。证毕。


CCG 主问题

设第 次迭代时,样本 已生成场景集合为

命题 2(受限主问题)

在 上截断半无限约束,得到 CCG 的主问题:

证明(命题 2)

对半无限约束

仅在 上保留。又因

故对每个已生成场景复制一套二阶段变量 ,即得主问题。证毕。


分离子问题

设 为 的最优解。

命题 3(分离子问题的原始形式)

对每个样本 ,其最坏违反值由下式给出:

若

则对应最优场景 产生一条被违反的半无限约束,应加入 。

证明(命题 3)

这是半无限约束的直接可行性检验:当前解对样本 可行,当且仅当

证毕。


命题 4(分离子问题的对偶化)

若二阶段问题满足强对偶,则

因此, 等价于

证明(命题 4)

由二阶段线性规划强对偶,

同时,

代入 即得。证毕。


最坏场景结构

命题 5(坐标三点结构)

固定 与任意 ,记

则 中给定 后,每个坐标 的最优取值满足

且显式为

证明(命题 5)

固定 后,目标函数关于单个坐标 的部分为

这是一个在 处折点的分段线性函数。其左右斜率分别为

故:

  • 当 时,左右斜率均为正,最优点为 ;
  • 当 时,左右斜率均为负,最优点为 ;
  • 当 时,左斜率非负、右斜率非正,最优点为 。

证毕。


推论 1(有限候选场景集)

对每个样本 ,分离子问题只需在有限集合

上寻找最坏场景,故


收敛性

定理 2(最优性判别)

若第 次迭代的主问题最优解 满足

则 为原始模型 的最优解。

证明(定理 2)

上述条件表明当前解满足半无限约束的全部约束,因此对 可行,也即对原问题可行。另一方面, 是 的松弛,其最优值不大于原问题最优值;而当前解既是 的最优解,又对原问题可行,故二者目标值相等,从而当前解即为原问题最优解。证毕。


定理 3(有限终止)

若算法每次对任一被违反的样本 至少加入一个新场景 ,则 CCG 在有限步内终止。

证明(定理 3)

由推论 1,对每个样本 可加入的候选场景集合 有限,且

因此总可加入场景数有限。算法每次未终止时至少加入一个新场景,故只能有限次更新,必有限终止。终止时由定理 2 得最优性。证毕。


算法

算法 1:两阶段 -Wasserstein RS 的 CCG


步骤内容
0初始化:对每个 ,置 ,令 。
1求解主问题:求解 ,得到最优解 。
2分离:对每个 ,求解分离子问题 (或其对偶形式 ),得到 及最坏场景 。
3最优性检验:若对所有 都有 ,则停止,并输出 。
4场景扩充:对所有满足 的样本 ,更新 ;其余样本令 。
5迭代:令 ,返回步骤 1。