Math Model Formulation Stage

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：

[ -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：

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）：

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：

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。