[論文レビュー] XCSP3: An Integrated Format for Benchmarking Combinatorial Constrained Problems

Frédéric Boussemart, Christophe Lecoutre+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2016

Constraint Satisfaction and Optimization被引用数 16

ひとこと要約

XCSP3 は、多様な制約プログラミング（CP）アプリケーションにおける組合せ的制約問題の表現を統一的かつ簡素化するために設計された、標準化され拡張可能なXMLベースのフォーマットです。多目的最適化、多様な変数型、リフトおよび抽象化による複雑な制約、モデリング、ベンチマーク、ツール間相互運用性の統合をサポートしており、毎年のCPコンペティションにおける一貫したアルゴリズム比較を可能にしています。

ABSTRACT

We propose a major revision of the format XCSP 2.1, called XCSP3, to build integrated representations of combinatorial constrained problems. This new format is able to deal with mono/multi optimization, many types of variables, cost functions, reification, views, annotations, variable quantification, distributed, probabilistic and qualitative reasoning. The new format is made compact, highly readable, and rather easy to parse. Interestingly, it captures the structure of the problem models, through the possibilities of declaring arrays of variables, and identifying syntactic and semantic groups of constraints. The number of constraints is kept under control by introducing a limited set of basic constraint forms, and producing almost automatically some of their variations through lifting, restriction, sliding, logical combination and relaxation mechanisms. As a result, XCSP3 encompasses practically all constraints that can be found in major constraint solvers developed by the CP community. A website, which is developed conjointly with the format, contains many models and series of instances. The user can make sophisticated queries for selecting instances from very precise criteria. The objective of XCSP3 is to ease the effort required to test and compare different algorithms by providing a common test-bed of combinatorial constrained instances.

研究の動機と目的

• CPコミュニティ全体で組合せ的制約問題を表現するための単一で標準化されたフォーマットを提供すること。
• 変数、制約、目的関数、注釈を統合した1つのフォーマットにより、モデリング、ベンチマーク、ツール間相互運用性を統一すること。
• 抽象化およびリフトメカニズムを用いて、グローバル制約、ソフト制約、メタ制約を含む多様な制約タイプをサポートすること。
• 毎年のコンペティションで使用される標準化された問題インスタンスを通じて、CPソルバーの一貫した評価を可能にすること。
• 明確で拡張可能かつ人間および機械が読み取り可能な構文を定義することで、ツール、パーサー、モデリングAPIの開発を促進すること。

提案手法

• 配列の変数、ネストされた制約、名前付きスコープによる意味的グループ化をサポートする階層的XMLスキーマを定義する。
• intension、extension、regular、cumulativeなどの基本的制約形式を導入し、リストリクション、スライディング、リラクゼーションなどのリフトメカニズムを用いて自動的にバリエーションを生成する。
• 整数、記号、実数、集合、グラフ、確率的、定性的、ゼロ/1の多様な変数型をサポートし、配列および混合ドメイン処理を可能にする。
• 関数的および専用形式による目的関数の統合を実現し、多目的最適化および変数係数付きのコスト関数をサポートする。
• 普遍的な属性（例：'note'、'class'）を用いて再結合、ビュー、注釈を可能にし、拡張性とツール統合を実現する。
• 相互運用性およびツール開発のための最小限で安定したフォーマットとしてXCSP3-coreを定義し、形式的意味論とバージョン管理された仕様を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの拡張可能フォーマットが、CPコミュニティ全体で多様な組合せ的制約問題の表現をどのように統一できるか？
• RQ2 どのような設計原則が、複雑な制約タイプにおいて人間の可読性と効率的な機械解析の両立を可能にするか？
• RQ3 リフトおよび抽象化メカニズムは、冗長性を低減しつつも表現力を維持するための制約モデリングでどのように機能するか？
• RQ4 標準化されたフォーマットが、毎年のコンペティションにおけるCPソルバーの一貫したベンチマークと公平な比較をどの程度可能にするか？
• RQ5 確率的推論、定性的制約、多目的最適化などの新たなニーズに対応するため、フォーマットはどのように進化できるか？

主な発見

• XCSP3 は2015年以降、毎年の国際的制約プログラミング（CP）コンペティションにおける事実上の標準フォーマットとして機能しており、2022年、2023年、2024年のエディションで使用されている。
• フォーマルな意味論と拡張性を備えた、グローバル制約（例：allDifferent、cumulative）、ソフト制約、メタ制約（例：ifThen、slide）を含む包括的な制約タイプの範囲をサポートしている。
• 安定したフォーマットのサブセットとしてのXCSP3-coreは、20のコア制約（例：circuit、knapsack、binPacking）を含み、ツール間相互運用性と一貫性を保証するために使用されている。
• 解の表現とインスタンス制約の統合により、ソルバー出力の標準化されたフォーマットが可能になっている。
• バージョン管理された仕様（2024年現在3.2まで）を通じて進化し、変数係数付きの目的関数および制約、コンパクトな整数列のサポートといったフィードバックと改善が反映されている。
• 二重ライセンスモデル（仕様はCC BY-SA 4.0、ツールはMIT）の採用により、広範なツール開発とエコシステムの成長が促進され、モデリングAPIやパーサーが広く導入されている。