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2026-01-19 10:23:51 +08:00
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804
task1/README.md
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@@ -14,129 +14,136 @@
## 整体流程图 ## 整体流程图
### Mermaid版本（GitHub可渲染）
```mermaid
flowchart TB
subgraph INPUT["数据输入"]
A[data.xlsx<br/>70站点数据]
end
subgraph TASK1["TASK 1: 基础排程"]
direction TB
subgraph CORE["核心流程 ✅ 已完成"]
B1[01_clean.py<br/>数据清洗]
B2[02_demand_correction.py<br/>截断回归修正]
B3[03_allocate.py<br/>Hamilton分配]
B4[04_evaluate.py<br/>指标计算]
B5[05_schedule.py<br/>日历排程]
B1 --> B2 --> B3 --> B4
B3 --> B5
end
subgraph VALIDATE["结果验证 ⏳ 待完成"]
V1[06_validate.py<br/>约束检验]
V2[07_backtest.py<br/>历史回测]
end
subgraph SENSITIVITY["敏感性分析 ⏳ 待完成"]
S1[08_sensitivity.py<br/>参数扫描]
end
subgraph VISUAL["可视化 ⏳ 待完成"]
P1[09_visualize.py<br/>图表生成]
end
CORE --> VALIDATE
CORE --> SENSITIVITY
VALIDATE --> VISUAL
SENSITIVITY --> VISUAL
end
subgraph TASK2["TASK 2: 天气响应 ⏳"]
C1[2a或2b方案]
end
subgraph TASK3["TASK 3: 双站点同车 ⏳"]
D1[共生站点优化]
end
subgraph TASK4["TASK 4: Executive Summary ⏳"]
E1[1页执行摘要]
end
A --> B1
VISUAL --> TASK2
VISUAL --> TASK3
TASK2 --> TASK4
TASK3 --> TASK4
style CORE fill:#90EE90
style VALIDATE fill:#FFE4B5
style SENSITIVITY fill:#FFE4B5
style VISUAL fill:#FFE4B5
```
### ASCII版本（详细）
``` ```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 数据输入层 │ │ TASK 1 完整流程 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │ │ │
│ ┌─────────────┐ │ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ data.xlsx │ 70站点: 位置、2019访问次数、μ、σ │ │ │ 核心流程 [已完成 ✓] │ │
│ └──────┬──────┘ │ │ │ │ │
└───────────┼─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │ │ data.xlsx ──▶ 01_clean ──▶ 02_demand ──▶ 03_allocate ──▶ 04_evaluate │ │
│ │ │ correction │ │ │
▼ │ │ ▼ │ │
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ 05_schedule │ │
│ TASK 1: 基础排程 [已完成 ✓] │ │ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │ │ │ │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │ │ ┌─────────────┴────────────┬───────────┴───────────┐ │
│ │ 01_clean.py │────▶│02_demand_ │────▶│03_allocate.py│────▶│04_evaluate.py│ │ │ ▼ ▼ ▼ │
│ │ │ │correction.py │ │ │ │ │ │ │ ┌──────────────────────┐ ┌──────────────────────┐ ┌──────────────────────┐ │
│ │ 数据清洗 │ │ 截断回归修正 │ │ Hamilton分配 │ │ 指标计算 │ │ │ │ 结果验证 [待完成 ⏳] │ │ 敏感性分析 [待完成 ⏳] │ │ 可视化 [待完成 ⏳] │ │
│ └──────────────┘ └──────────────┘ └──────────────┘ └──────┬───────┘ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ 06_validate.py │ │ 08_sensitivity.py │ │ 09_visualize.py │ │
│ ▼ ▼ ▼ ▼ │ │ │ ┌──────────────────┐ │ │ ┌──────────────────┐ │ │ ┌──────────────────┐ │ │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │ │ │ │• 约束满足检验 │ │ │ │• C ∈ {350,400,450}│ │ │ │• 站点地图(需求) │ │ │
│ │01_clean.xlsx │ │02_demand.xlsx│ │03_allocate. │ │04_metrics. │ │ │ │ │ - Σk=730? │ │ │ │• p阈值扫描 │ │ │ │• k分布直方图 │ │ │
│ │ │ │ μ̃ (5站点修正)│ │xlsx (k分配) │ │xlsx │ │ │ │ │ - k≥1? │ │ │ │• C̄ ∈ {200,250,300}│ │ │ │• E-F权衡曲线 │ │ │
│ └──────────────┘ └──────────────┘ └──────┬───────┘ └──────────────┘ │ │ │ │ - 每日2站点? │ │ │ │ │ │ │ │• 日历热力图 │ │ │
│ │ │ │ │ └──────────────────┘ │ │ └──────────────────┘ │ │ │• 间隔分布箱线图 │ │ │
│ ▼ │ │ │ │ │ │ │ └──────────────────┘ │ │
│ ┌──────────────┐ │ │ │ 07_backtest.py │ │ 输出: │ │ │ │
│ │05_schedule.py│ │ │ │ ┌──────────────────┐ │ │ • 参数-指标表 │ │ 输出: │ │
│ │ 日历排程生成 │ │ │ │ │• 2019数据回测 │ │ │ • Pareto前沿图 │ │ • figures/*.png │ │
│ └──────┬───────┘ │ │ │ │• 预测vs实际对比 │ │ │ │ │ • 论文插图 │ │
│ │ │ │ │ │• 残差分析 │ │ │ │ │ │ │
│ ▼ │ │ │ └──────────────────┘ │ │ │ │ │ │
│ ┌──────────────┐ │ │ └──────────────────────┘ └──────────────────────┘ └──────────────────────┘ │
│ │05_schedule. │ │ │ │ │
│ │xlsx (365天) │ │ └────────────────────────────────────────┼───────────────────────────────────────────────┘
│ └──────┬───────┘ │ │
└─────────────────────────────────────────────────────┼───────────────────────────────────┘ ▼
│ ┌────────────────────┴────────────────────┐
┌─────────────────────────────────────────┴─────────────────────────────────┐ │ │
│ │ ▼ ▼
▼ ▼ ┌──────────────────────────┐ ┌──────────────────────────┐
┌───────────────────────────────────────────┐ ┌───────────────────────────────────────────┐ │ TASK 2: 天气响应 [待完成] │ │ TASK 3: 双站点 [待完成] │
│ TASK 2: 天气响应调度 [待完成] │ │ TASK 3: 双站点同车 [待完成] │ └──────────────────────────┘ └──────────────────────────┘
│ │ │ │ │ │
│ 选项 2a: 减少站点数 + 优化位置 │ │ ┌─────────────────────────────────────┐ │ └────────────────┬────────────────────────┘
│ ┌─────────────────────────────────────┐ │ │ │ 1. 共生站点筛选 │ │ ▼
│ │ • 站点聚类 (K-means/层次聚类) │ │ │ │ • 距离约束: dist(i,j) < D_max │ │ ┌──────────────────────────┐
│ │ • 确定最优站点数 K < 70 │ │ │ │ • 需求约束: μ_i + μ_j ≤ 400 │ │ │ TASK 4: 执行摘要 [待完成] │
│ │ • 客户愿意多走的距离建模 │ │ │ │ • 稳定性约束: CV_i, CV_j < 阈值 │ │ └──────────────────────────┘
│ │ • 重新分配频次 │ │ │ └─────────────────────────────────────┘ │
│ └─────────────────────────────────────┘ │ │ │ │
│ 或 │ │ ▼ │
│ 选项 2b: 保持70站点 + 优化时间协调 │ │ ┌─────────────────────────────────────┐ │
│ ┌─────────────────────────────────────┐ │ │ │ 2. 第一站点分配模型 │ │
│ │ • 相邻站点访问时间协调 │ │ │ │ • 两阶段随机规划 │ │
│ │ • 天气预测 → 需求预测 │ │ │ │ • q_i* = argmax E[服务量-缺货惩罚]│ │
│ │ • 动态调度规则 │ │ │ └─────────────────────────────────────┘ │
│ └─────────────────────────────────────┘ │ │ │ │
│ │ │ ▼ │
│ 输入: │ │ ┌─────────────────────────────────────┐ │
│ • Task 1 排程结果 │ │ │ 3. 频次重分配 │ │
│ • 历史天气数据 (如有) │ │ │ • 共生站点合并需求 │ │
│ • 站点间距离矩阵 │ │ │ • Hamilton方法重新分配 │ │
│ │ │ └─────────────────────────────────────┘ │
│ 输出: │ │ │ │
│ • 改进后的排程方案 │ │ ▼ │
│ • 性能提升量化 │ │ ┌─────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │ 4. 日历排程 + 对比评估 │ │
└───────────────────────────────────────────┘ │ │ • 与 Task 1 对比 E1, E2, F1, F2 │ │
│ └─────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 输入: │
│ • Task 1 分配结果 (03_allocate.xlsx) │
│ • 站点距离矩阵 │
│ │
│ 输出: │
│ • 共生站点配对表 │
│ • 第一站点分配方案 │
│ • 新日历排程 │
└───────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ TASK 4: Executive Summary [待完成] │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 1页执行摘要: │ │
│ │ • Task 1 方案优势: 总服务量提升 34.6% │ │
│ │ • Task 2/3 改进效果量化 │ │
│ │ • 对 FBST 的关键建议 │ │
│ │ • 方法论局限性说明 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
``` ```
### 当前进度 ### 当前进度与待完成事项
| 任务 | 状态 | 说明 | | 模块 | 状态 | 脚本 | 说明 |
|------|------|------| |------|------|------|------|
| Task 1 | ✅ 已完成 | 基础排程方案，5个脚本全部运行通过 | | 数据清洗 | ✅ 完成 | `01_clean.py` | 字段标准化 |
| Task 2 | ⏳ 待开始 | 天气响应调度（选择2a或2b之一）| | 需求修正 | ✅ 完成 | `02_demand_correction.py` | 截断回归 |
| Task 3 | ⏳ 待开始 | 双站点同车分配优化 | | 频次分配 | ✅ 完成 | `03_allocate.py` | Hamilton方法 |
| Task 4 | ⏳ 待开始 | 1页执行摘要 | | 指标计算 | ✅ 完成 | `04_evaluate.py` | E1,E2,F1,F2 |
| 日历排程 | ✅ 完成 | `05_schedule.py` | 贪心+局部优化 |
### 下一步操作 | **约束验证** | ⏳ 待完成 | `06_validate.py` | 硬约束检验 |
| **历史回测** | ⏳ 待完成 | `07_backtest.py` | 模型有效性 |
``` | **敏感性分析** | ⏳ 待完成 | `08_sensitivity.py` | 参数稳健性 |
1. [Task 2 或 Task 3] 根据题目要求选择完成其一 | **可视化** | ⏳ 待完成 | `09_visualize.py` | 论文图表 |
│
├─▶ 若选 Task 2:
│ • 计算站点间距离矩阵
│ • 选择 2a(减站点) 或 2b(优化时间)
│ • 实现并量化改进
│
└─▶ 若选 Task 3:
• 筛选共生站点配对
• 建立第一站点分配模型
• 生成新排程并对比评估
2. [Task 4] 撰写1页执行摘要
• 汇总 Task 1 + (Task 2 或 Task 3) 结果
• 突出方法优势与建议
```
--- ---
@@ -157,8 +164,6 @@
### 1.1 输入数据 ### 1.1 输入数据
对 $n=70$ 个站点，数据提供：
| 字段 | 符号 | 说明 | | 字段 | 符号 | 说明 |
|------|------|------| |------|------|------|
| 位置 | $(lat_i, lon_i)$ | 经纬度坐标 | | 位置 | $(lat_i, lon_i)$ | 经纬度坐标 |
@@ -166,364 +171,417 @@
| 单次服务人数均值 | $\mu_i$ | 观测均值，范围[17.2, 396.6] | | 单次服务人数均值 | $\mu_i$ | 观测均值，范围[17.2, 396.6] |
| 单次服务人数标准差 | $\sigma_i$ | 观测波动，范围[2.2, 93.5] | | 单次服务人数标准差 | $\sigma_i$ | 观测波动，范围[2.2, 93.5] |
### 1.2 运营参数（题面提取） ### 1.2 运营参数
| 参数 | 符号 | 值 | 来源 | | 参数 | 值 | 来源 |
|------|------|-----|------| |------|-----|------|
| 卡车物理运力 | $W$ | 15,000 lbs | 题面明确 | | 卡车物理运力 | 15,000 lbs | 题面明确 |
| 典型服务户数 | $[\underline{C}, \bar{C}]$ | [200, 250] | 题面"typical" | | 典型服务户数 | [200, 250] | 题面"typical" |
| 每日可派车次 | - | 2 | 题面"2 trucks any given day" | | 每日可派车次 | 2 | 题面 |
| 全年运营天数 | $T$ | 365 | 假设全年运营 | | 年度总访问次数 $N$ | 730 | $365 \times 2$ |
| 年度总访问次数 | $N$ | 730 | $= 2 \times 365$ |
### 1.3 决策变量 ### 1.3 硬约束
- $k_i \in \mathbb{Z}^+$：站点 $i$ 的年度访问次数 $$\sum_{i=1}^{70} k_i = 730 \tag{C1: 资源约束}$$
- $\mathcal{S}_i = \{t_{i,1}, ..., t_{i,k_i}\}$：站点 $i$ 的具体访问日期 $$k_i \geq 1 \tag{C2: 覆盖约束}$$
$$|\text{sites on day } t| = 2 \tag{C3: 每日容量}$$
### 1.4 硬约束
$$\sum_{i=1}^{70} k_i = N = 730 \tag{C1: 资源约束}$$
$$k_i \geq 1, \quad \forall i \in [1,70] \tag{C2: 覆盖约束}$$
$$|\{i : t \in \mathcal{S}_i\}| = 2, \quad \forall t \in [1, 365] \tag{C3: 每日2站点}$$
--- ---
## 2. 阶段一：真实需求估计（截断回归） ## 2. 阶段一：真实需求估计（截断回归）
### 2.1 关键数据观察 ### 2.1 问题本质：为什么需要修正？
分析70个站点的 $\mu_i$ 分布： **底层逻辑**：
| 统计量 | 值 | 题面说"typical visit serves 200-250 families"，但数据中 $\mu_{max} = 396.6$。这说明：
|--------|-----|
| $\mu > 250$ 的站点数 | 9 |
| $\mu_{max}$ | 396.6 (MFP Waverly) |
| $\mu$ 第二高 | 314.6 (MFP Avoca) |
| $\mu$ 第三高 | 285.3 (MFP Endwell) |
| $\mu$ 均值 | 141.4 |
**结论**：题面"200-250户"是"typical"而非硬上限。高需求站点通过减少每户分配量实现超额服务。 1. **200-250不是硬上限**：高需求站点可以服务更多家庭
2. **存在隐性容量约束**：卡车运力15000磅 ÷ 每户约38-75磅 ≈ 200-400户
3. **观测被截断**：当真实需求 > 容量时，只能观测到容量值
### 2.2 观测机制建模 ```
真实需求分布: 观测到的分布:
│ │
│ ╱╲ │ ╱╲
│ ╱ ╲ │ ╱ ╲▓▓▓ ← 被截断部分
│ ╱ ╲ │ ╱ │
│ ╱ ╲ │ ╱ │
├───────────── ├───────┤
0 μ̃ C 0 μ C
```
**核心假设**：观测到的 $\mu_i$ 是真实需求 $\tilde{\mu}_i$ 在服务容量约束下的截断观测。 **因此**：直接用 $\mu_i$ 会**系统性低估**高需求站点的真实需求。
设单次服务的有效容量上限为 $C$（取 $C = 400$，略高于 $\mu_{max}$）。 ### 2.2 截断概率的推导
$$\mu_i = E[\min(\tilde{D}_i, C)]$$ **假设**：真实需求 $\tilde{D}_i \sim \mathcal{N}(\tilde{\mu}_i, \sigma_i^2)$
其中 $\tilde{D}_i \sim \mathcal{N}(\tilde{\mu}_i, \tilde{\sigma}_i^2)$ 是站点 $i$ 的真实单次需求。 **推导**：截断概率 = 真实需求超过容量C的概率
### 2.3 截断修正公式 $$p_i^{trunc} = P(\tilde{D}_i > C) = P\left(Z > \frac{C - \tilde{\mu}_i}{\sigma_i}\right) = 1 - \Phi\left(\frac{C - \tilde{\mu}_i}{\sigma_i}\right)$$
**Step 1**：计算截断概率代理 **近似**：由于我们不知道 $\tilde{\mu}_i$，用观测值 $\mu_i$ 近似：
$$p_i^{trunc} = 1 - \Phi\left(\frac{C - \mu_i}{\sigma_i}\right)$$ $$p_i^{trunc} \approx 1 - \Phi\left(\frac{C - \mu_i}{\sigma_i}\right)$$
**Step 2**：分段修正（阈值 $p^{trunc} \geq 0.02$） **物理意义**：$p_i^{trunc}$ 越大，说明该站点越可能被截断，需要更大的修正。
$$\tilde{\mu}_i = \begin{cases} ### 2.3 修正公式的推导
\mu_i & \text{if } p_i^{trunc} < 0.02 \\[8pt]
\mu_i \cdot (1 + 0.4 \cdot p_i^{trunc}) & \text{if } p_i^{trunc} \geq 0.02 **截断正态的条件期望**（Mills ratio）：
\end{cases}$$
对于 $X \sim \mathcal{N}(\mu, \sigma^2)$，有：
$$E[X | X > c] = \mu + \sigma \cdot \frac{\phi\left(\frac{c-\mu}{\sigma}\right)}{1 - \Phi\left(\frac{c-\mu}{\sigma}\right)}$$
**简化近似**：
当截断概率 $p^{trunc}$ 较小时，修正量近似与 $p^{trunc}$ 线性相关：
$$\tilde{\mu}_i \approx \mu_i \cdot (1 + \alpha \cdot p_i^{trunc})$$
取 $\alpha = 0.4$（经验系数，可通过敏感性分析调整）。
**分段处理的原因**：
- 当 $p^{trunc} < 0.02$：截断概率很低，修正量可忽略
- 当 $p^{trunc} \geq 0.02$：存在显著截断，需要修正
### 2.4 实际修正结果 ### 2.4 实际修正结果
采用阈值 $p^{trunc} \geq 0.02$，共5个站点被修正：
| site_id | 站点名称 | $\mu$ | $\sigma$ | $p^{trunc}$ | $\tilde{\mu}$ | 修正幅度 | | site_id | 站点名称 | $\mu$ | $\sigma$ | $p^{trunc}$ | $\tilde{\mu}$ | 修正幅度 |
|---------|---------|-------|----------|-------------|---------------|----------| |---------|---------|-------|----------|-------------|---------------|----------|
| 66 | MFP Waverly | 396.6 | 51.9 | 0.474 | 471.9 | +19.0% | | 66 | MFP Waverly | 396.6 | 51.9 | 0.474 | 471.9 | +19.0% |
| 2 | MFP Avoca | 314.6 | 57.3 | 0.068 | 323.2 | +2.7% | | 2 | MFP Avoca | 314.6 | 57.3 | 0.068 | 323.2 | +2.7% |
| 13 | MFP College TC3 | 261.5 | 92.0 | 0.066 | 268.4 | +2.6% | | 13 | MFP College TC3 | 261.5 | 92.0 | 0.066 | 268.4 | +2.6% |
| 17 | MFP Endwell United Methodist | 285.2 | 60.8 | 0.030 | 288.6 | +1.2% | | 17 | MFP Endwell | 285.2 | 60.8 | 0.030 | 288.6 | +1.2% |
| 30 | MFP Redeemer Lutheran | 230.6 | 93.5 | 0.035 | 233.8 | +1.4% | | 30 | MFP Redeemer | 230.6 | 93.5 | 0.035 | 233.8 | +1.4% |
**修正前后对比**：
- 修正前 $\sum \mu_i$ = 9,899.9
- 修正后 $\sum \tilde{\mu}_i$ = 9,997.2
- 增幅：+0.98%
--- ---
## 3. 阶段二：频次分配模型 ## 3. 阶段二：频次分配模型
### 3.1 分配原则 ### 3.1 分配原则的底层逻辑
**核心思想**：按真实需求 $\tilde{\mu}_i$ 比例分配访问次数。 **题面要求**："frequency informed by total demand in surrounding communities"
$$k_i = 1 + \text{Hamilton}\left(N - 70, \; w_i = \tilde{\mu}_i\right)$$ **问题**：什么是"周边社区需求"？
其中： **两种理解**：
- 先给每个站点分配1次（满足覆盖约束C2） 1. ❌ 用空间核平滑估计（循环论证：用供给估计需求）
- 剩余 $N - 70 = 660$ 次按权重 $\tilde{\mu}_i$ 做整数分配 2. ✅ 每个站点本身就服务其周边社区，$\tilde{\mu}_i$ 就是需求代理
### 3.2 Hamilton方法（最大余数法） **我们的选择**：直接用修正后的 $\tilde{\mu}_i$ 作为"周边社区需求"的代理。
```python **为什么按比例分配？**
def hamilton_allocation(total: int, weights: list) -> list:
n = len(weights)
w_sum = sum(weights)
quotas = [total * w / w_sum for w in weights]
floors = [int(q) for q in quotas]
remainders = [q - f for q, f in zip(quotas, floors)]
leftover = total - sum(floors)
indices = sorted(range(n), key=lambda i: -remainders[i])
for i in indices[:leftover]:
floors[i] += 1
return floors
```
### 3.3 实际分配结果 假设目标是**最大化总服务量**且**保证公平**：
- 最大化 $\sum k_i \mu_i$ subject to $\sum k_i = N$
- 拉格朗日条件：$\frac{\partial}{\partial k_i}(k_i \mu_i - \lambda k_i) = \mu_i - \lambda = 0$
这说明最优解是 $k_i \propto \mu_i$（或 $\tilde{\mu}_i$）。
### 3.2 为什么用Hamilton方法？
**问题**：按比例分配得到的是实数，需要转换为整数。
**Hamilton方法（最大余数法）的优点**：
1. **保证总和**：$\sum k_i = N$ 严格成立
2. **公平性**：余数大的站点优先获得额外1次
3. **可解释**：政治选举中广泛使用，逻辑透明
**替代方法对比**：
| 方法 | 优点 | 缺点 |
|------|------|------|
| 四舍五入 | 简单 | 总和可能不等于N |
| 向下取整+贪心 | 简单 | 可能不公平 |
| Hamilton | 公平、总和准确 | 稍复杂 |
| 整数规划 | 可加约束 | 过于复杂 |
### 3.3 分配结果验证
**验证**：
- 总访问次数：$\sum k_i = 730$ ✓ - 总访问次数：$\sum k_i = 730$ ✓
- 访问次数范围：$[2, 32]$ - 访问次数范围：$[2, 32]$
- 最小访问次数：2（满足覆盖约束） - 覆盖约束：$\min k_i = 2 \geq 1$ ✓
**访问次数分布**：
```
k = 2: 1 个站点 █
k = 3: 14 个站点 ██████████████
k = 4: 2 个站点 ██
k = 5: 4 个站点 ████
k = 6: 4 个站点 ████
k = 8: 1 个站点 █
k = 9: 3 个站点 ███
k = 10: 3 个站点 ███
k = 11: 6 个站点 ██████
k = 12: 5 个站点 █████
k = 13: 6 个站点 ██████
k = 14: 5 个站点 █████
k = 15: 4 个站点 ████
k = 16: 2 个站点 ██
k = 17: 1 个站点 █
k = 18: 2 个站点 ██
k = 19: 4 个站点 ████
k = 20: 1 个站点 █
k = 22: 1 个站点 █
k = 32: 1 个站点 █
```
**频次最高的10个站点**：
| site_id | 站点名称 | $\mu$ | $\tilde{\mu}$ | $k$ | 年度服务量 |
|---------|---------|-------|---------------|-----|-----------|
| 66 | MFP Waverly | 396.6 | 471.9 | 32 | 12,692 |
| 2 | MFP Avoca | 314.6 | 323.2 | 22 | 6,921 |
| 17 | MFP Endwell United Methodist | 285.3 | 288.6 | 20 | 5,705 |
| 3 | MFP Bath | 279.5 | 279.5 | 19 | 5,310 |
| 13 | MFP College TC3 | 261.5 | 268.4 | 19 | 4,969 |
| 28 | MFP Rathbone | 269.1 | 269.1 | 19 | 5,113 |
| 32 | MFP Richford | 265.9 | 265.9 | 19 | 5,052 |
| 11 | MFP College Corning | 251.0 | 251.0 | 18 | 4,518 |
| 62 | MFP The Love Church | 259.3 | 259.3 | 18 | 4,668 |
| 31 | MFP Rehoboth Deliverance | 235.9 | 235.9 | 17 | 4,010 |
--- ---
## 4. 阶段三：效果评估指标 ## 4. 阶段三：效果评估指标
### 4.1 有效性指标 ### 4.1 有效性指标的设计逻辑
**E1：原始总服务量** **E1：原始总服务量**
$$E_1 = \sum_{i=1}^{70} k_i \cdot \mu_i$$ $$E_1 = \sum_{i=1}^{70} k_i \cdot \mu_i$$
**问题**：E1假设服务量与访问次数线性增长，但忽略了**质量下降**。
**E2：质量加权服务量** **E2：质量加权服务量**
$$E_2 = \sum_{i=1}^{70} k_i \cdot \mu_i \cdot q(\mu_i), \quad q(\mu) = \min\left(1, \frac{250}{\mu}\right)$$ **底层逻辑**：当 $\mu_i > 250$ 时，每户获得的食物量下降。
### 4.2 公平性指标 $$\text{每户食物量} = \frac{15000 \text{ lbs}}{\mu_i}$$
**定义满足率**： 当 $\mu_i = 250$ 时，每户60磅（典型值）。
当 $\mu_i = 400$ 时，每户37.5磅（低于典型）。
$$r_i = \frac{k_i \cdot \mu_i}{\tilde{\mu}_i}$$ **质量折扣因子**：
- **F1**：满足率基尼系数 $\text{Gini}(\mathbf{r})$ $$q(\mu) = \min\left(1, \frac{250}{\mu}\right) = \begin{cases} 1 & \mu \leq 250 \\ \frac{250}{\mu} & \mu > 250 \end{cases}$$
- **F2**：最差站点满足率 $\min_i r_i$
- **F3**：满足率变异系数 $CV_r$
### 4.3 实际评估结果 **物理意义**：$q(\mu)$ 表示"相对于典型服务质量的比例"。
| 方案 | E1 | E2 | F1 (Gini) | F2 (min r) | F3 (CV) | ### 4.2 公平性指标的设计逻辑
|------|-----|-----|-----------|------------|---------|
| **推荐方案** (μ̃比例) | **140,120.6** | **131,673.2** | 0.314 | 2.00 | 0.561 |
| 基线1: 均匀分配 | 104,797.3 | 101,308.9 | **0.026** | **8.41** | **0.052** |
| 基线2: 2019缩放 | 104,070.7 | 100,263.8 | 0.092 | 5.00 | 0.177 |
| 基线3: μ比例(无修正) | 139,129.2 | 131,397.1 | 0.311 | 2.00 | 0.550 |
**推荐方案优势**： **为什么不用"访问次数相等"衡量公平？**
- 相对均匀分配：E1 +33.7%，E2 +30.0%
- 相对2019缩放：E1 +34.6%，E2 +31.3%
**有效性-公平性权衡**：推荐方案最大化了总服务量，但公平性（Gini系数）较差。这是按需求比例分配的固有特性。 题面说"are some served much better than others"——关键词是**served**，不是**visited**。
需求100的站点访问10次 vs 需求200的站点访问10次 → 后者服务不足。
**满足率的定义**：
$$r_i = \frac{\text{年度服务量}}{\text{年度需求}} = \frac{k_i \cdot \mu_i}{\tilde{\mu}_i}$$
**为什么用Gini系数？**
- Gini系数是衡量分布不均等的标准指标
- 取值[0,1]，0表示完全均等，1表示完全不均等
- 易于解释：收入分配、资源分配广泛使用
### 4.3 评估结果
| 方案 | E1 | E2 | F1 (Gini) | F2 (min r) |
|------|-----|-----|-----------|------------|
| **推荐方案** | **140,121** | **131,673** | 0.314 | 2.00 |
| 均匀分配 | 104,797 | 101,309 | **0.026** | **8.41** |
| 2019缩放 | 104,071 | 100,264 | 0.092 | 5.00 |
**有效性-公平性权衡**：
```
F1 (Gini, 越小越公平)
▲
0.4 │ ● 推荐方案 (E1=140k)
│
0.3 │
│
0.2 │
│
0.1 │ ● 2019缩放 (E1=104k)
│
0.0 │● 均匀分配 (E1=105k)
└────────────────────────────▶ E1 (总服务量)
100k 120k 140k
```
--- ---
## 5. 阶段四：日历排程 ## 5. 阶段四：日历排程
### 5.1 目标 ### 5.1 排程目标的底层逻辑
将 $\{k_i\}_{i=1}^{70}$ 转化为365天日历，满足每日2站点约束，并最小化访问间隔的不均匀性。 **为什么要均匀分布访问日期？**
### 5.2 算法：贪心装箱 + 局部优化 题面说"schedule published months in advance to help clients plan"。
1. **生成理想日期**：$t_{i,j}^* = \text{round}\left(\frac{(j + 0.5) \cdot 365}{k_i}\right)$ 如果某站点访问间隔不均匀（如：1月5次，2月0次），客户难以规划。
2. **贪心分配**：按理想日期排序，就近分配到可用槽位
3. **局部优化**：随机交换站点，若改善间隔方差则接受
### 5.3 实际排程结果 **理想间隔**：
**验证**： $$\Delta_i^* = \frac{365}{k_i}$$
- 已分配访问事件：730 / 730 ✓
- 日历统计：365天满载 + 0天部分 + 0天空闲 ✓
- 局部优化：5000次迭代，接受33次改进
**间隔统计**： 例如：$k_i = 12$ 次/年 → 理想间隔 ≈ 30天/次
| 指标 | 值 | ### 5.2 贪心算法的设计逻辑
|------|-----|
| 平均间隔均值 | 55.4 天 |
| 平均间隔标准差 | 3.2 天 |
| 最大单次间隔 | 179 天 |
| 平均间隔CV | 0.103 |
**日历预览（前10天）**： **为什么不用整数规划？**
| 日期 | 站点1 | 站点2 | 730个访问事件 × 365天 = 26万个0-1变量，计算复杂度过高。
|------|-------|-------|
| 1 | MFP Avoca | MFP Waverly | **贪心策略**：
| 2 | MFP Van Etten | MFP Endwell United Methodist |
| 3 | MFP Bath | MFP Richford | 1. 为每个访问事件计算"理想日期"
| 4 | MFP College Corning | MFP College TC3 | 2. 按理想日期排序
| 5 | MFP Rehoboth Deliverance | MFP Rathbone | 3. 依次分配到最近的可用槽位
| 6 | MFP Waverly | MFP Redeemer Lutheran |
| 7 | MFP The Love Church | MFP Lindley | **为什么有效？**
| 8 | MFP Tuscarora | MFP Woodhull |
| 9 | MFP Endwell United Methodist | MFP Richford | - 理想日期已经考虑了均匀分布
| 10 | MFP Bath | MFP College Corning | - 按顺序分配避免了冲突
- 局部优化可进一步改善
### 5.3 排程结果
- 365天全部满载 ✓
- 平均间隔：55.4天
- 最大间隔：179天（低频站点）
--- ---
## 6. 可复现流水线 ## 6. 待完成：结果验证
### 6.1 脚本结构 ### 6.1 约束满足检验 (`06_validate.py`)
| 检验项 | 公式 | 预期结果 |
|--------|------|---------|
| 资源约束 | $\sum k_i = 730$ | 通过 |
| 覆盖约束 | $\min k_i \geq 1$ | 通过 |
| 日容量约束 | 每日恰好2站点 | 通过 |
| 无重复约束 | 同一天不重复访问同一站点 | 通过 |
### 6.2 模型有效性验证 (`07_backtest.py`)
**方法**：留一交叉验证（Leave-One-Out）
1. 用2019年的69个站点数据训练模型
2. 预测第70个站点的 $\tilde{\mu}$ 和 $k$
3. 与实际值对比
4. 重复70次，计算平均误差
**评估指标**：
- MAPE（平均绝对百分比误差）
- $R^2$（决定系数）
---
## 7. 待完成：敏感性分析
### 7.1 参数扫描 (`08_sensitivity.py`)
| 参数 | 基准值 | 扫描范围 | 影响 |
|------|--------|---------|------|
| 有效容量 $C$ | 400 | [350, 450] | 截断修正强度 |
| 截断阈值 $p^{trunc}$ | 0.02 | [0.01, 0.10] | 修正站点数 |
| 质量阈值 $\bar{C}$ | 250 | [200, 300] | E2计算 |
### 7.2 敏感性报告格式
```
C = 350: 修正7站点, E1=141,234, F1=0.318
C = 400: 修正5站点, E1=140,121, F1=0.314 ← 基准
C = 450: 修正3站点, E1=139,456, F1=0.310
```
---
## 8. 待完成：可视化
### 8.1 图表清单 (`09_visualize.py`)
| 图编号 | 图名 | 类型 | 用途 |
|--------|------|------|------|
| Fig.1 | 站点地图 | 散点图+地图底图 | 展示站点分布和需求 |
| Fig.2 | 需求修正对比 | 柱状图 | 展示修正前后μ变化 |
| Fig.3 | 频次分配分布 | 直方图 | 展示k的分布 |
| Fig.4 | 有效性-公平性权衡 | 散点图 | Pareto前沿 |
| Fig.5 | 日历热力图 | 热力图 | 全年排程概览 |
| Fig.6 | 访问间隔箱线图 | 箱线图 | 间隔分布 |
| Fig.7 | 敏感性分析 | 折线图 | 参数影响 |
### 8.2 图表示例说明
**Fig.1 站点地图**：
- X轴：经度
- Y轴：纬度
- 点大小：$\mu_i$（需求）
- 点颜色：$k_i$（访问频次）
**Fig.4 有效性-公平性权衡**：
- X轴：E2（质量加权服务量）
- Y轴：F1（Gini系数，越小越公平）
- 多个方案的散点
- Pareto前沿曲线
**Fig.5 日历热力图**：
- X轴：月份(1-12)
- Y轴：日期(1-31)
- 颜色：该日访问的站点需求总和
---
## 9. 可复现流水线
### 9.1 完整脚本结构
``` ```
task1/ task1/
├── 01_clean.py # 数据清洗与标准化 ├── 01_clean.py ✅ 数据清洗
├── 02_demand_correction.py # 截断回归修正 ├── 02_demand_correction.py ✅ 截断修正
├── 03_allocate.py # Hamilton频次分配 ├── 03_allocate.py ✅ 频次分配
├── 04_evaluate.py # 评估指标计算 ├── 04_evaluate.py ✅ 指标计算
├── 05_schedule.py # 日历排程生成 ├── 05_schedule.py ✅ 日历排程
├── 01_clean.xlsx # Step 1 输出 ├── 06_validate.py ⏳ 约束验证
├── 02_demand.xlsx # Step 2 输出 ├── 07_backtest.py ⏳ 历史回测
├── 03_allocate.xlsx # Step 3 输出 ├── 08_sensitivity.py ⏳ 敏感性分析
├── 04_metrics.xlsx # Step 4 输出 ├── 09_visualize.py ⏳ 可视化
└── 05_schedule.xlsx # Step 5 输出 ├── 01_clean.xlsx
├── 02_demand.xlsx
├── 03_allocate.xlsx
├── 04_metrics.xlsx
├── 05_schedule.xlsx
└── figures/ ⏳ 图表输出目录
``` ```
### 6.2 运行方法 ### 9.2 运行命令
```bash ```bash
# 从项目根目录依次运行 # 核心流程（已完成）
python task1/01_clean.py python task1/01_clean.py
python task1/02_demand_correction.py python task1/02_demand_correction.py
python task1/03_allocate.py python task1/03_allocate.py
python task1/04_evaluate.py python task1/04_evaluate.py
python task1/05_schedule.py python task1/05_schedule.py
# 验证与分析（待完成）
python task1/06_validate.py
python task1/07_backtest.py
python task1/08_sensitivity.py
python task1/09_visualize.py
``` ```
### 6.3 关键参数 ---
| 参数 | 值 | 位置 | ## 10. 假设与局限性
|------|-----|------|
| 有效容量上限 $C$ | 400 | `02_demand_correction.py` |
| 截断概率阈值 | 0.02 | `02_demand_correction.py` |
| 质量折扣阈值 $\bar{C}$ | 250 | `04_evaluate.py` |
| 年度总访问次数 $N$ | 730 | `03_allocate.py` |
| 全年天数 $T$ | 365 | `05_schedule.py` |
### 6.4 输出文件说明 ### 10.1 显式假设
| 文件 | 内容 | | 编号 | 假设 | 依据 | 影响 |
|------|------| |------|------|------|------|
| `01_clean.xlsx` | 标准化数据：site_id, site_name, lat, lon, visits_2019, mu, sigma | | A1 | 真实需求服从正态分布 | 中心极限定理 | 截断修正公式 |
| `02_demand.xlsx` | 需求修正：+ mu_tilde, p_trunc, is_corrected | | A2 | 有效容量 $C=400$ | $\mu_{max}=396.6$ | 修正强度 |
| `03_allocate.xlsx` | 频次分配：+ k, annual_service, r | | A3 | 2021年需求≈2019年 | 题面要求 | 整体方案有效性 |
| `04_metrics.xlsx` | 评估指标：metrics_summary, site_details, parameters | | A4 | 全年365天运营 | 简化假设 | 总访问次数 |
| `05_schedule.xlsx` | 日历排程：calendar, site_dates, gap_statistics, parameters | | A5 | 每日2站点硬约束 | 题面 | 排程可行性 |
### 10.2 局限性
1. **截断修正简化**：使用线性近似而非完整MLE
2. **需求外生性**：未建模"访问频次→需求"的反馈效应
3. **空间相关性**：未考虑相邻站点需求相关性
4. **季节性**：未考虑冬季需求下降
--- ---
## 7. 敏感性分析 ## 11. 结论与建议
### 7.1 参数范围 ### 11.1 方法论贡献
| 参数 | 符号 | 基准值 | 敏感性范围 | 1. **截断偏误识别**：发现高需求站点 $\mu$ 被低估
|------|------|--------|-----------| 2. **质量-数量权衡**：引入质量折扣因子
| 有效容量 | $C$ | 400 | {350, 400, 450} | 3. **满足率公平**：以服务充足度衡量公平
| 截断概率阈值 | $p^{trunc}$ | 0.02 | {0.01, 0.02, 0.05, 0.10} |
| 典型服务量 | $\bar{C}$ | 250 | {200, 250, 300} |
### 7.2 阈值敏感性 ### 11.2 对FBST的运营建议
| 阈值 | 被修正站点数 | $\sum \tilde{\mu}$ 增幅 | 1. **MFP Waverly**：需求异常高（$k=32$），建议增派资源
|------|-------------|----------------------| 2. **数据收集**：记录"被拒服务人数"以更准确估计需求
| 0.01 | 7 | +1.2% | 3. **动态调整**：季度末复盘，调整下季度排程
| 0.02 | 5 | +0.98% |
| 0.05 | 2 | +0.82% |
| 0.10 | 1 | +0.76% |
--- ### 11.3 有效性-公平性权衡
## 8. 假设与局限性 推荐方案牺牲公平性换取服务量最大化。若FBST优先考虑公平：
- 可设置 $k_i$ 上下限约束
### 8.1 显式假设 - 或使用混合目标函数 $\max (E_2 - \lambda \cdot F_1)$
| 编号 | 假设 | 依据 |
|------|------|------|
| A1 | 真实需求服从正态分布 | 中心极限定理 |
| A2 | 有效容量 $C=400$ | 基于 $\mu_{max}=396.6$ |
| A3 | 2021年需求结构与2019年相似 | 题面要求使用2019数据 |
| A4 | 全年365天均可运营 | 简化假设 |
| A5 | 每日2站点为硬约束 | 题面"2 trucks" |
### 8.2 局限性
1. **截断修正的简化**：采用线性近似而非完整截断正态MLE
2. **需求外生性**：未建模"访问频次影响需求"的内生效应
3. **空间相关性**：未考虑相邻站点需求的空间自相关
4. **季节性**：未考虑需求的季节波动（如冬季低需求）
---
## 9. 结论与建议
### 9.1 方法论贡献
1. **识别截断偏误**：通过数据分析发现高需求站点的 $\mu$ 被容量截断，提出截断回归修正
2. **质量-数量权衡**：引入质量折扣因子 $q(\mu)$，避免简单最大化服务人次
3. **满足率公平**：以需求满足率而非访问次数衡量公平
### 9.2 对FBST的建议
1. **高需求站点**：MFP Waverly ($k=32$) 需求远超其他站点，建议考虑增派车辆或设立分站
2. **数据收集**：建议记录"被拒绝服务的客户数"以更准确估计真实需求
3. **动态调整**：建议季度末根据实际服务数据调整下季度排程
### 9.3 有效性-公平性权衡
推荐方案在有效性（总服务量）上显著优于基线，但公平性较差。若FBST更重视公平性，可考虑：
- 混合方案：在推荐方案基础上，对低频站点适当增加访问
- Pareto优化：在有效性-公平性前沿上选择平衡点
### 9.4 后续研究方向
- **Task 2**：考虑天气对需求的影响，建立动态调度模型
- **Task 3**：双站点同车访问的最优分配策略