[论文解读] Solving XCSP problems by using Gecode

Massimo Morara, Jacopo Mauro+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2011

Constraint Satisfaction and Optimization参考文献 4被引用 4

一句话总结

本论文提出 x4g，一个插件，使 Gecode 约束求解器能够原生执行以 XCSP 格式指定的问题，通过将 XCSP 约束直接转换为等效的 Gecode C++ 库调用。该方法绕过了对 C++ 编程和中间 FlatZinc 编译的需求，使 Gecode 能够通过原生 XCSP 支持参与国际 CSP 求解器竞赛，重点关注标准约束问题的效率和兼容性。

ABSTRACT

Gecode is one of the most efficient libraries that can be used for constraint solving. However, using it requires dealing with C++ programming details. On the other hand several formats for representing constraint networks have been proposed. Among them, XCSP has been proposed as a format based on XML which allows us to represent constraints defined either extensionally or intensionally, permits global constraints and has been the standard format of the international competition of constraint satisfaction problems solvers. In this paper we present a plug-in for solving problems specified in XCSP by exploiting the Gecode solver. This is done by dynamically translating constraints into Gecode library calls, thus avoiding the need to interact with C++.

研究动机与目标

• 使 Gecode 约束求解器能够原生求解以 XCSP 格式指定的问题，而无需进行低级 C++ 编程。
• 通过提供从 XCSP 到 Gecode 的直接翻译管道，支持 Gecode 集成到国际 CSP 求解器竞赛中。
• 通过创建从 XCSP 到 Gecode 约束的直接映射，克服 Gecode 仅原生支持 FlatZinc 的限制。
• 提供一个灵活且可扩展的工具，用于评估 Gecode 在标准约束满足基准测试中的性能。
• 支持 XCSP 中最常使用的全局约束的子集，确保在实际问题中的实用性。

提出的方法

• x4g 插件使用基于 libxml2 的修改版 XCSP 解析器来解析 XCSP 实例，以处理简化的 XML 表示法。
• 每个 XCSP 约束通过直接库调用转换为等效的 Gecode 约束，避免中间的 FlatZinc 编译。
• XCSP 中的有限域被直接映射到 Gecode 的有限域变量，保留域编码和约束。
• XCSP 中的关系根据其定义的是允许还是禁止的值组合，被转换为扩展约束或不等式约束。
• XCSP 中的谓词被映射到相应的 Gecode API 调用，仅存在少数例外，确保语义等价性。
• 支持来自《全局约束目录》中最广泛使用的全局约束子集，包括 alldifferent、cumulative 和 global_cardinality。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否实现从 XCSP 到 Gecode 约束的直接翻译，以消除对 C++ 编程和中间 FlatZinc 编译的需求？
• RQ2 该插件在多大程度上能将 XCSP 的约束结构（如关系、谓词和全局约束）映射到等效的 Gecode 库调用？
• RQ3 x4g 插件在多大程度上支持标准 XCSP 基准测试中常见的全局约束？
• RQ4 x4g 插件能否使 Gecode 通过原生 XCSP 输入在国际 CSP 求解器竞赛中得到公平评估？
• RQ5 与现有的基于 FlatZinc 的 Gecode 插件相比，直接从 XCSP 到 Gecode 的翻译在性能上有什么影响？

主要发现

• x4g 插件成功使 Gecode 能够在无需用户编写 C++ 代码的情况下求解以 XCSP 格式表示的约束满足问题。
• 该插件支持来自《全局约束目录》中最常使用的全局约束的全面子集，包括 alldifferent、cumulative 和 global_cardinality。
• XCSP 中的关系被准确地转换为 Gecode 的扩展约束或不等式约束，保持了语义正确性。
• 从 XCSP 到 Gecode 的直接映射避免了潜在的信息丢失，并摆脱了对 FlatZinc 中间格式的依赖。
• 该工具设计为生成与国际 CSP 求解器竞赛兼容的输出，使 Gecode 能够参与未来的竞赛。
• 作者已公开发布源代码和一个示例程序，支持可复现性及进一步的基准测试。