[论文解读] 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 16

一句话总结

XCSP3 是一种标准化的、可扩展的基于 XML 的格式，旨在统一并简化各类约束编程（CP）应用中组合约束问题的表示。它支持多目标优化、多种变量类型、通过提升和抽象实现的复杂约束，并整合了建模、基准测试和工具互操作性，从而在年度 CP 竞赛中实现一致的算法比较。

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.

研究动机与目标

• 为 CP 社区提供一种单一、标准化的格式，用于表示组合约束问题。
• 通过在一个格式中集成变量、约束、目标和注释，统一建模、基准测试和工具互操作性。
• 通过抽象和提升机制，支持广泛的约束类型，包括全局约束、软约束和元约束。
• 通过年度竞赛中使用的标准化问题实例，实现 CP 求解器的一致评估。
• 通过定义清晰、可扩展且对人类和机器均友好的语法，促进工具、解析器和建模 API 的开发。

提出的方法

• 定义一种分层的 XML 模式，支持变量数组、嵌套约束以及通过命名作用域实现的语义分组。
• 引入核心约束形式（例如，intension、extension、regular、cumulative），并配合提升机制（例如，restriction、sliding、relaxation）自动生成变体。
• 支持多种变量类型：整数、符号、实数、集合、图、随机、定性以及零/一变量，支持数组和混合域处理。
• 通过功能形式和专用形式集成目标，包括多目标优化和带变量系数的成本函数。
• 通过通用属性（例如，'note'、'class'）支持重定义、视图和注释，以实现可扩展性和工具集成。
• 定义 XCSP3-core 作为格式的最小、稳定子集，用于互操作性和工具开发，具备形式化语义和版本化规范。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过一种单一、可扩展的格式，统一 CP 社区内多样化组合约束问题的表示？
• RQ2 哪些设计原则能够使一种格式在支持复杂约束类型的同时，兼顾人类可读性和高效机器解析？
• RQ3 如何通过提升和抽象机制减少冗余，同时保持约束建模的表达能力？
• RQ4 标准化格式在多大程度上能够实现 CP 求解器在年度竞赛中的基准测试一致性与公平比较？
• RQ5 该格式如何演进以支持新兴需求，如概率推理、定性约束和多目标优化？

主要发现

• 自 2015 年以来，XCSP3 成为国际约束编程（CP）年度竞赛的事实标准格式，已应用于 2022 年、2023 年和 2024 年的竞赛。
• 该格式支持广泛的约束类型，包括全局约束（例如，allDifferent、cumulative）、软约束和元约束（例如，ifThen、slide），并具备形式化语义和可扩展性。
• XCSP3-core 是该格式的稳定子集，包含 20 个核心约束（例如，circuit、knapsack、binPacking），用于确保工具互操作性和一致性。
• 解决方案表示与实例化约束的集成，实现了求解器结果的标准化输出格式。
• 该格式通过版本化规范（截至 2024 年已至 3.2 版）持续演进，整合了反馈与改进，例如目标和约束中的变量系数，以及对紧凑整数序列的支持。
• 采用双许可模式（规格使用 CC BY-SA 4.0，工具使用 MIT），推动了广泛工具开发和生态系统增长，包括建模 API 和解析器。