model-formulation

# 数学机制系统构造 ## 统一机理、模型语义与逐问增量 开始建模前必须读取 `参考资料/model-quality-contracts.md`。先建立跨问题复用的机制内核，再决定每问是新建、扩展、比较、验证还是应用；不得把逐问算法列表当作论文主线。 `new_model/model_extension` 在 `建模报告.md` 中同时登记 `模型定义`、`模型结构`、`模型语义` 和 `论文表达`。多目标名称必须由两个以上实际优化目标及其冲突、聚合或 Pareto 证据支持；多资源、高维变量和多个输出指标均不能替代该证据。`model_extension` 还必须登记 `模型增量`，说明继承方程、新增变量、新增/修改约束、目标、求解与验证变化。 物理、几何、覆盖和连续时间问题优先检查“统一状态/坐标 -> 对象演化 -> 相互作用或事件判据 -> 边界精化 -> 指标/外层优化”是否闭合。多资源问题检查区间并集、重叠和边际贡献；混合决策问题区分离散结构层与连续控制层。 ## 预处理合同 有数据时，在 `建模报告.md` 单列“预处理合同”，定义原始文件、缺失值/异常值/编码/单位或标准化策略、处理前后质量指标、唯一 `数据/processed/` 输出，以及数据泄漏边界。预测或学习任务必须先划分再拟合，变换参数只从训练数据估计；不适用时必须说明理由。具体处理方法根据题目数据和模型需求确定，禁止把通用脚本当作固定答案。无数据时保留明确跳过记录。 ## 稳定执行契约 - **执行目标**：依据问题契约形成可计算、可验证的数学机制、公式体系和求解路线。 - **调用参数**：[problem-analysis-or-topic]。 - **权威输入**：问题分析.md、用户数据、适用知识库与用户约束。 - **允许交付**：建模报告.md，以及必要的当前工作与状态记录。 - **禁止写入**：不得越权修改已冻结的上游事实、用户原始文件或本协议未授权的目录。 - **可用工具边界**：Bash(*), Read, Write, Edit, Grep, Glob, WebSearch, WebFetch, Agent。 - **最小交付**：统一机制内核、逐问模型语义与增量、符号定义、假设、推导、算法、基线、差异化验证方案与回退条件。 - **恢复入口**：优先读取当前工作、状态记录和已有产物，从最近一次通过门禁的位置继续。 - **失败回退**：模型无法闭合时先退回补齐变量、约束或数据；不得用文字包装不可计算的方案。 - **收口顺序**：先核对输入，再完成产物，再运行本环节门禁，最后登记状态；门禁未通过不得宣告完成。 基于问题情境解构开展数学建模与求解：**$ARGUMENTS** ## 常量 - **COMPETITION** / **PROBLEM_ID** — 从 Additional Parameters 查阅 - **TOOLS** — 默认 `python` - **CUSTOM_REQUIREMENTS** — 用户自定义要求 ## 输入 1. **问题分析.md** — 问题情境解构报告（务必出现） 2. **用户数据/** — 赛题附件数据 ## ⛔⛔⛔ 完成铁律（最高优先级，违反则当前环节失败） **当前环节务必产出 `建模报告.md`（≥ 1.5KB，完整的建模与求解报告）**。 ⛔ **结束前必跑产出校验**： ```bash [ -f 建模报告.md ] && SZ=$(wc -c < 建模报告.md) || SZ=0 [ "$SZ" -ge 1500 ] && echo "✅ 建模报告.md ($SZ bytes)" \ || echo "❌ 建模报告.md 缺失或过小 ($SZ bytes) — 必须补全后重新跑验证, 不要结束本步骤" ``` ## 工作过程 ### 工作节点 1：查阅分析报告 + 方法对照 + 防错复核 提取子问题列表、推荐方法、变量定义、数据特征。 **⛔ 对照 问题分析.md 的推荐方法：** 若选取了不同于推荐的方法，务必在 建模报告.md 中清晰标明阐明理由（为什么推荐方法不适用、替代方法的优势）。不可无声地忽略推荐方法。 **⛔⛔⛔ 强制审视问题情境解构的"经典问题升级"结论（防止升级被忽略）：** **关键要求：先完整审视问题情境解构的升级推荐 → 尽可能在建模中满足 → 如有异议务必给出充分理由。** 问题情境解构阶段（Phase 5.6）会交付以下表格，建模阶段**务必逐条审视**： - **覆盖度核验表**（标注 ⚠️/❌ 的句子是需额外建模的机制） - **反向对照核验**（题目某句子指出需升级到某变体） - **经典问题升级确认表**（清晰标明标注"初步映射 X → 终版模型 Y"） **⛔ 实施环节：** ```bash echo "=== 审视问题情境解构的升级结论 ===" echo "" echo "--- 标为⚠️/❌的覆盖度缺口（需要在建模中审视是否补上）---" grep -A 1 '⚠️\|❌' 问题分析.md | head -40 echo "" echo "--- 经典问题升级表（需要审视是否采用最终模型）---" sed -n '/经典问题升级/,/^##/p' 问题分析.md | head -30 echo "" echo "--- 反向对照的升级要求 ---" sed -n '/反向对照/,/^##/p' 问题分析.md | head -30 ``` **⛔ 三段式决策过程（各个升级推荐都务必走完）：** **第一段：审视** - 逐条查阅问题情境解构的升级推荐（如 "Orienteering → Multi-Trip OP"） - 理解升级的触发缘由（如 ASSURANCE"可充电"→多架次飞行） - 判定升级对终版结果的影响（如不用 Multi-Trip 会导致覆盖数被严重低估） **第二段：尽可能满足（默认行为）** - 若升级在技术上可实现 → 务必采用问题情境解构推荐的变体 - 若升级增加复杂度但不超出求解能力 → 务必采用 - 若升级是题目清晰标明要求的机制（如"可充电"）→ 无论如何务必采用 **第三段：有异议给理由（特殊情况）** 若建模阶段认为某个升级不应采用，务必在 建模报告.md 中给出充分理由： - **物理/业务不可行**：如"题目说可充电但物理上无法实现（如太阳能电池）" - **数据不支撑**：如"题目没给充电时间参数" → ⛔ 这不是跳过升级的合法理由！务必做合理假设（如假设充电瞬时/固定X分钟/等于飞行时间的X%），随后继续建模升级版 - **超出求解能力**：如"完整 Multi-Trip Stochastic OP 是 PSPACE-hard，简化为序贯单趟 OP，误差预计 < 15%" - **评审标准考虑**：如"简化后仍能回答题目的关键问题，且提升求解效率" **⛔⛔⛔ 尤其警告：以下理由不是跳过升级的合法理由（等同于无声忽略）：** - ❌ "题目未给 XXX 参数" → 应做合理假设继续建模，不是跳过 - ❌ "子问题1可简化，留给子问题2/3扩展" → 子问题1也要考虑完整机制 - ❌ "通过其他方式实现类似效果"（如"多机接力代替充电"）→ 这不等同于题目给定的机制 - ❌ "避免增加模型复杂度" → 复杂度本身不是跳过的理由 - ❌ "短续航无人机覆盖有限，就让它覆盖少" → 这恰恰是升级要解决的问题 **⛔ 缺参数的无误处理过程：** 1. 识别缺失的参数（如充电时间） 2. 做合理假设，假设值基于常识/文献/类似赛题 3. 在假设列表中清晰标明声明"假设 XXX = Y，依据是 Z" 4. 灵敏度分析中扰动该假设参数 5. **用假设值完整建模升级版**，而不是跳过全部机制 **⛔ 禁止行为：** - ❌ 无声忽略升级推荐（连"审视"都没做，直接用简单模型） - ❌ 不读问题情境解构的 7.2/7.3 节就启动建模 - ❌ 有异议但不写理由 → 等同于无声忽略 - ❌ 用"单次XXX作为基线，后续扩展"作为借口跳过升级 - ❌ 用"题目未给参数"作为借口跳过升级 **⛔ 若采用了升级的简化版本**（如"简化的 Multi-Trip OP"），务必在模型中不少于保留升级的**关键机制**： - Multi-Trip → 务必建模"多次访问同一 base 点" - 带时间窗 → 务必建模"访问时刻 ∈ [a, b]" - 随机/鲁棒 → 务必建模不少于 2 个场景并对比 - 多阶段 → 务必建模不少于 2 个阶段的转移 不可"简化"为名把升级完全去掉。 **⛔ 防错复核（必做）：** 查阅 `参考资料/error_prevention.md`，依据本题涉及的题型（优化/微分方程/统计/评价/图论/几何/动态规划），对照相应章节的"务必做"和"禁止做"条目。在 建模报告.md 末尾写一行：`本题涉及题型：[X, Y, Z]，已对照防错手册审查。` ### 工作节点 2：模型假设 各个假设务必有合理性阐明。假设要合理且必要，不做不切真实的简化。 **⛔ 假设参数化原则：** 关键假设务必在代码层面做成可切换的参数，而不是硬编码到逻辑里。这样发现假设错误时，改一个参数就能修正，不需重写全部求解逻辑。 在 建模报告.md 中，各个假设旁边务必写明： ``` 假设 1: [假设内容] - 理由: [为什么这样假设，不能留空] - 参数化: [对应代码中的哪个变量/开关] - 替代假设: [如果这个假设不成立，替代方案是什么] ``` 示例： ``` 假设 3: 每类设备允许多台并行分担同一工序的工程量 - 理由: 题目说"各类设备须分别完成该工序对应的工程量"，"各类"指设备类型而非单台设备；且问题四增加预算购买设备才有意义 - 参数化: ALLOW_PARALLEL = True（代码中的开关变量） - 替代假设: 每类设备只用 1 台（ALLOW_PARALLEL = False），但这会导致问题四退化为问题三 ``` **⛔ 若某个假设写不出有力的理由，阐明这个假设需再推敲。** 回到 问题分析.md 的假设预检结果重新审视。 ### 工作节点 3：逐子问题建模 各个子问题： 1. **方法调研** — 用 WebSearch 搜索"[问题类别] 数学建模 方法"或"[problem type] optimization method"，了解这类问题的主流求解方法。避免只凭训练知识选方法——同一类问题在不同规模下最优方法可能完全不同（如 TSP 小规模用精确求解，大规模用 LKH 启发式） 2. **模型选取与理由** — 为什么选这个模型，与候选模型的优势对比，引用调研到的文献支撑 3. **数学公式推导** — 完整严谨，采用 LaTeX 数学环境（目标函数+约束条件） 4. **求解算法设计** — 伪代码或过程描述 **⛔ 审计身份与论文表达卡（写入同一份 `建模报告.md`）：** ```markdown 模型定义 Q1 | 正式名称: [题目机制 + 标准数学模型] | 标准模型族: [可识别的学术模型族] | 求解算法: [实际使用的算法] 模型结构 Q1 | 决策变量/状态量: [变量及含义] | 目标函数/统计关系: [优化目标或统计/动力学关系] | 核心约束/方程: [决定模型结构的约束或方程] | 定制机制: [题目特有机制] 模型语义 Q1 | 目标数量: [0/1/2...] | 目标方向: [none/min/max/min,max...] | 变量类型: [continuous/integer/binary/mixed/state] | 关系类型: [linear/nonlinear/differential/stochastic/geometric/simulation/hybrid] | 多目标证据: [not_applicable/冲突目标及聚合或Pareto证据] 论文表达 Q1 | 展示名称: [简洁可发表名称] | 问题角色: new_model | 继承模型: none | 核心方法: [摘要中需要保留的一个核心算法或方法] ``` 若问题角色为 `model_extension`，紧接着增加： ```markdown 模型增量 QN | 继承方程: [...] | 新增变量: [...] | 新增/修改约束: [...] | 目标变化: [...] | 求解变化: [...] | 验证变化: [...] ``` 正式名称必须让评委直接识别标准数学结构。推荐“考虑维护约束的机组承诺混合整数线性规划模型”“基于季节项与滞后项的动态回归模型”“带时间窗的取送货车辆路径模型”；禁止只写“聚合承诺模型”“超边修复模型”“优化模型”“决策模型”或“综合模型”。 论文展示名称不是审计名称的机械缩写。它应保留主要数学结构，删除运行模式、验证器、预算、冻结合同和过细约束清单，中文通常控制在 8--24 个汉字。`核心方法` 只登记摘要需要出现的主要求解算法；初始化、修复、加速和独立校验方法留在算法与验证章节。 先判定子问题角色： - `new_model`：新建数学模型，三行卡均必填； - `model_extension`：扩展上游模型，三行卡均必填并写明继承模型； - `comparison`、`validation`、`application`：不得为满足格式强造新模型，只写论文表达卡，展示名称改为“基于前述模型的方案比较/稳健性检验/情景应用”，并登记 `继承模型: Q1,Q2` 等真实依赖。 模型、机制和算法必须分层：混合整数线性规划、动态回归、车辆路径、状态空间等是模型族；维护约束、预算平衡、滚动时域、超边修复是定制机制；HiGHS、Gurobi、分支定界、遗传算法、粒子群、匈牙利算法等是求解算法。DARP、VRP 等问题类别不得单独替代数学表达结构；多指标决策方法可登记为标准模型族时，必须同时写出指标、权重、归一化和聚合/排序关系，不能只报方法名称。 MCM/ICM 另写：`PAPER EXPRESSION Q1 | DISPLAY NAME: ... | QUESTION ROLE: new_model | INHERITS FROM: none | CORE METHOD: ...`。审计身份仍使用 `MODEL DEFINITION` 与 `MODEL STRUCTURE` 两行。 方法选取参考 `参考资料/methods_table.md`。 ### 工作节点 4：符号阐明表 保证全部公式中的符号都有定义： | 符号 | 含义 | 单位 | 取值界限 | 首次出现 | |------|------|------|----------|----------| ### 工作节点 5：模型检验与灵敏度分析设计 1. **模型检验**：回代检验、交叉校验、残差分析 2. **灵敏度分析**：关键参数的变化界限和影响 3. **鲁棒性检验**：数据扰动下的稳定性 ### 工作节点 5.5：⛔ 合理性预校验 + 结果预期界限表（建模完成后必做） **关键原则：物理约束 > 数据忠实度 > 计算正确性** **编码阶段是纯实施者，遇到"结果不对"仅可按建模阶段的预案操作，严禁自行发明修正方法。由此建模阶段务必把全部决策做完。** **实施环节：** 1. **对照防错手册复核模型**：重新查阅 `参考资料/error_prevention.md` 中本题相应题型的"务必做"和"禁止做"条目，逐条确认模型是否满足。不满足的当场调整模型。 2. **交付建模报告的 5 项必备内容**（在 建模报告.md 末尾，computational-realization 务必对照实施）： **① 结果约束清单**（硬边界，超出即判定代码有误）： ```markdown ## 结果约束清单 - [变量名] ∈ [下界, 上界]，物理含义：[为什么是这个范围] - [变量名] 的符号/方向约束：[说明] - [守恒量]：[应满足的恒等式或误差上限] ``` **② 预期行为描述**（定性描述合理结果的"形状"）： ```markdown ## 预期行为 - 时间尺度：系统应在 [X] 时间内达到 [什么状态] - 稳态特征：[哪些量] 应趋于常数/周期/衰减 - 瞬态特征：[初始阶段应该看到什么现象] - 单调性/对称性：[哪些量应该单调递增/对称/...] ``` **③ 异常处理预案**（每种异常只给一种修正方法，不留选取空间）： ```markdown ## 异常处理预案 若出现 [具体异常描述]： → 原因判断：[最可能的原因] → 唯一修正方法：[具体步骤] → 禁止：[不允许的替代方案] ``` **④ 方法唯一性声明**（各个计算环节指定唯一方法，涵盖预处理/后处理/插值/滤波）： ```markdown ## 方法指定 步骤 N：[做什么] 方法：[唯一指定的方法名 + 关键参数] 输入：[从哪来] 输出：[到哪去] 禁止替代：[不允许用的方法，以及为什么不用] ``` **⑤ 验证检查点**（编码阶段务必实施的 pass/fail checklist）： ```markdown ## 验证检查点 □ [检查项]：[判定条件]，若 fail → [跳转到哪个异常预案] □ [检查项]：[判定条件]，若 fail → [跳转到哪个异常预案] □ 最终：所有输出量均在约束清单范围内 ``` **⑥ 优化结果结构性校验输入**（优化类子问题务必给出，编码阶段的 `structural_validation()` 依赖这些信息）： ```markdown ## 结构性验证输入（供 computational-realization 层级 5 使用） ### 约束活跃性预期 - [约束名1]：预期活跃/不活跃，理由：[为什么这个约束应该/不应该取等号] - [约束名2]：预期活跃/不活跃，理由：[...] - 如果所有约束都不活跃 → 说明 [什么情况]，需要 [什么操作] ### 决策变量合理范围与预期行为 | 变量 | 物理含义 | bounds | 预期取值区间 | 若取到边界说明什么 | |------|---------|--------|-------------|------------------| | x_1 | [含义] | [lb, ub] | [预期在哪个子区间] | [取到上界=资源耗尽/取到下界=该资源无用] | ### 灵敏度方向表 | 决策变量 | 增大时目标函数方向 | 预期灵敏度量级 | 若方向相反说明什么 | |----------|-------------------|---------------|------------------| | x_1 | ↓（减小=更优） | 高（主导项） | 目标函数符号写反了 | ### 稳定性预期 - 问题是凸的/非凸的？ - 预期有几个局部最优？（1个=结果应完全稳定；多个=允许 CV<5%） - 可接受的变异系数阈值：[X]% ### 资源利用率预期 - [资源1]：预期利用率 [X%-Y%]，若为 0 说明 [什么问题] - [资源2]：预期利用率 [X%-Y%]，若为 0 说明 [什么问题] ``` **⛔⛔⛔ 建模阶段强制修复原则（不可跳过）：** 复核中发现任何问题，**务必当场修复模型再继续**，不可留给 computational-realization 阶段： - 模型缺少约束 → 立即补充约束条件 - 开环积分可能漂移 → 立即加入反馈/阻尼/去漂移机制 - 守恒律不满足 → 立即补充遗漏项 - 极端输入导致发散 → 立即加入饱和/截断/正则化 **⛔ 禁止的做法：** - ❌ 发现问题但写"留给 computational-realization 阶段处理" - ❌ 在预期界限表里写了修正方案但不调整模型本身 - ❌ 只在文字中提到"需注意XXX"但模型公式没变 **⛔ 检测到问题 = 务必修复。解释缘由 ≠ 处理完毕。当前环节不准许带着已知问题交付 建模报告.md。** ### 工作节点 6：交付 留存到 `建模报告.md`：模型假设、符号阐明、各个子问题的模型/公式/算法、检验方案、灵敏度分析方案、计算实验实现要点。 **⛔ 务必将 问题分析.md 中的图形与表格预规划带入 建模报告.md。** 在报告末尾附上图形与表格预规划章节（从 问题分析.md 复制或更新），保证 evidence-visualization 能读到完整的图形与表格清单。若建模过程中发现需额外的图形与表格（如灵敏度分析曲线、模型对比热力图），在此处补充。 **⛔ MANDATORY: 交付前自检（写完 建模报告.md 后务必按项核验）：** ```bash echo "=== 建模报告自检 ===" [ -f 建模报告.md ] || { echo "❌ 建模报告.md 不存在！"; exit 1; } # 1. 子问题覆盖度 PROB_COUNT=$(grep -c '问题[一二三四五六七八九十0-9]' 问题分析.md 2>/dev/null || echo 0) MODEL_SECTIONS=$(grep -c '## .*问题[一二三四五六七八九十0-9]\|## .*Problem' 建模报告.md 2>/dev/null || echo 0) echo "赛题子问题数: $PROB_COUNT, 建模报告覆盖: $MODEL_SECTIONS" [ "$MODEL_SECTIONS" -lt "$PROB_COUNT" ] && echo "❌ 有子问题未建模！" # 2. 每个子问题是否有目标函数或模型公式 OBJ_COUNT=$(grep -c '目标函数\|min\|max\|最小化\|最大化\|objective\|模型公式\|数学模型' 建模报告.md 2>/dev/null || echo 0) echo "目标函数/模型公式出现次数: $OBJ_COUNT" [ "$OBJ_COUNT" -eq 0 ] && echo "❌ 未找到任何目标函数或模型公式！"