Übersetzt natürlichsprachige Optimierungsaufgaben (Deutsch) per LLM in eine geprüfte Modellspezifikation, erzeugt Solver-Code und führt ihn in einer bubblewrap-Sandbox aus. Deterministische Prüfungen ohne LLM, Report als Markdown/HTML, Benchmark mit 19 verifizierten Fällen. Co-Authored-By: Claude Opus 5 <noreply@anthropic.com>
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Python
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from enum import Enum
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from typing import Dict, List, Literal, Optional, Union
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from pydantic import BaseModel, Field
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class ProblemClass(str, Enum):
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LP = "Linear Programming (LP)"
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MILP = "Mixed-Integer Linear Programming (MILP)"
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CP = "Constraint Programming (CP)"
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QP = "Quadratic Programming (QP)"
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SOCP = "Second-Order Cone Programming (SOCP)"
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MIQP = "Mixed-Integer Quadratic Programming (MIQP)"
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NLP = "Nonlinear Programming (NLP)"
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SHORTEST_PATH = "Kürzeste Wege im Graphen (Shortest Path)"
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class TargetStack(str, Enum):
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HIGHS = "HiGHS"
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OR_TOOLS_CPSAT = "Google OR-Tools (CP-SAT)"
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CVXPY = "CVXPY"
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SCIPY = "SciPy (scipy.optimize.linprog)"
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SCIP = "SCIP (pyscipopt)"
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IPOPT = "Ipopt (cyipopt)"
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NETWORKX = "NetworkX (Dijkstra)"
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class ObjectiveSense(str, Enum):
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MINIMIZE = "minimize"
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MAXIMIZE = "maximize"
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class VariableType(str, Enum):
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CONTINUOUS = "continuous"
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INTEGER = "integer"
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BINARY = "binary"
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class VariableDefinition(BaseModel):
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name: str = Field(description="Mathematischer Variablenname, z. B. x_{i,j}")
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var_type: VariableType
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domain: str = Field(description="Definitionsbereich, z. B. >= 0, [0, 1] oder {0, 1}")
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description: str = Field(description="Semantische Bedeutung für Entscheider")
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class ParameterDefinition(BaseModel):
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symbol: str = Field(description="Mathematisches Symbol, z. B. c_j oder \\Sigma")
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dimension: str = Field(description="Dimension, z. B. Skalar, Vektor (n,), Matrix (n x n)")
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unit: str = Field(
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description="Physikalische Einheit des Werts, z. B. '€', '€/t', 'h', 'Stück', '%' oder 'dimensionslos'. "
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"Wird maschinell geprüft: Terme der Zielfunktion dürfen Geldbeträge nicht mit "
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"dimensionslosen Größen mischen"
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)
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description: str = Field(description="Bedeutung (z. B. Kosten pro Tonne, Renditen)")
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extracted_values: Optional[str] = Field(
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default=None, description="Explizite Werte aus der Aufgabe, falls vorhanden"
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)
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class ConstraintDefinition(BaseModel):
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identifier: str = Field(description="Kurzname, z. B. 'Kapazitaetsgrenze_Lager'")
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latex_formula: str = Field(description="Formel in LaTeX-Syntax, z. B. '\\sum_{j} a_j x_j \\le C'")
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description: str = Field(description="Erklärung der Restriktion in Geschäftssprache")
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is_hard_constraint: bool = Field(default=True)
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class AssumptionDefinition(BaseModel):
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unclear_point: str = Field(description="Unklare oder fehlende Stelle in der Aufgabenstellung")
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assumption: str = Field(description="Getroffene Annahme, auf der das Modell beruht")
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alternative: str = Field(
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description="Die zweite plausible Lesart derselben Stelle, ausformuliert, und der Grund, warum das Modell "
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"ihr nicht folgt. Nur wenn die Stelle wirklich eindeutig ist: 'keine zweite Lesart'"
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)
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impact: str = Field(description="Auswirkung der Annahme auf Variablen, Parameter oder Restriktionen")
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class ColumnProfile(BaseModel):
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"""Eine Spalte einer beigelegten Datei – gerechnet, nicht geschätzt."""
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name: str
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dtype: str
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missing: int = 0
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minimum: Optional[float] = None
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maximum: Optional[float] = None
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mean: Optional[float] = None
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samples: List[str] = Field(default_factory=list)
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class DataFileProfile(BaseModel):
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"""Profil einer beigelegten Datendatei (siehe data_profile.py)."""
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name: str
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rows: int
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columns: List[ColumnProfile] = Field(default_factory=list)
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truncated_columns: int = 0
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error: Optional[str] = None
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class SubQuestion(BaseModel):
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"""Eine Teilfrage der Aufgabe. Jede muss am Ende beantwortet werden."""
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id: str = Field(description="Kennung wie im Text: 'a', 'b', 'Teil 2', '1'")
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quote: str = Field(description="Die Frage wörtlich aus dem Aufgabentext")
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kind: Literal["formulieren", "rechnen", "vergleichen", "erklaeren", "zeichnen"] = Field(
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description="Was verlangt wird: ein Modell aufstellen, eine Zahl berechnen, Varianten vergleichen, "
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"etwas begründen oder eine Skizze/einen Graphen")
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needs_solver: bool = Field(description="True, wenn die Antwort eine berechnete Zahl braucht")
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class Fact(BaseModel):
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"""Ein Zahlenwert aus dem Aufgabentext, mit seiner Fundstelle."""
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value: str = Field(description="Der Wert genau wie im Text, z. B. '8', '0,05', '12 %'")
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unit: str = Field(description="Einheit, z. B. '€', 'h', 'Stück', '%', 'dimensionslos'")
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meaning: str = Field(description="Wofür die Zahl steht, in der Sprache der Aufgabe")
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quote: str = Field(description="Die Textstelle, in der die Zahl steht (Zeile oder Tabellenzeile)")
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class IgnoredNumber(BaseModel):
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"""Eine Zahl im Text, die keine Modelldaten sind – mit Begründung."""
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value: str
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reason: str = Field(description="Warum das keine Eingabegröße ist, z. B. 'Aufgabennummer', "
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"'Teil der Einheit (in 1000 Stunden)', 'Seitenzahl'")
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class TaskUnderstanding(BaseModel):
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"""Was in der Aufgabe steht – vor jeder Modellierung: Fragen, Zahlen, Machbarkeit."""
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is_optimization_task: bool = Field(
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description="False, wenn der Text gar keine Optimierungs- oder Entscheidungsaufgabe stellt "
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"(dann wird nicht modelliert)")
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reason: str = Field(description="Begründung in einem Satz, worum es geht bzw. warum es keine Aufgabe ist")
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sub_questions: List[SubQuestion] = Field(
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description="Alle Teilfragen in der Reihenfolge des Textes; bei einer einzigen Frage genau ein Eintrag")
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facts: List[Fact] = Field(description="Alle Zahlenwerte des Textes, die Eingabegrößen des Modells sind")
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ignored_numbers: List[IgnoredNumber] = Field(
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default_factory=list, description="Zahlen im Text, die keine Eingabegrößen sind, mit Begründung")
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class ObjectiveDefinition(BaseModel):
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sense: ObjectiveSense
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latex_formula: str = Field(description="Zielfunktion in LaTeX, z. B. '\\min \\sum_i c_i x_i' oder '\\min w^T \\Sigma w'")
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description: str = Field(description="Ökonomisches Ziel (z. B. Gesamtkosten senken)")
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class OptimizationModelSpecification(BaseModel):
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"""Vollständige Zerlegung und Routing-Spezifikation einer Optimierungsaufgabe."""
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# 1. Routing & Taxonomie
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problem_class: ProblemClass
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target_stack: TargetStack
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routing_rationale: str = Field(
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description="Präzise Begründung, warum dieser Stack für das Problem optimal ist."
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)
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# 2. Didaktische Zusammenfassung
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executive_summary: str = Field(
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description="Verständliche Zusammenfassung des Entscheidungsproblems für Manager."
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)
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# 3. Mathematische Bausteine
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indices: List[str] = Field(
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description="Mengen und Indizes, z. B. ['i in I (Mitarbeiter)', 't in T (Zeitschritte)']"
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)
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parameters: List[ParameterDefinition]
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variables: List[VariableDefinition]
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objective: ObjectiveDefinition
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constraints: List[ConstraintDefinition]
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# 4. Offene Annahmen
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open_assumptions: List[AssumptionDefinition] = Field(
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default_factory=list,
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description="Annahmen zu unklaren oder fehlenden Angaben; leer, wenn die Aufgabe eindeutig ist",
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)
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# 5. Technische Schnittstelle
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suggested_export_format: str = Field(
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description="Zieldateityp: '.lp', '.mps', 'Python (CP-SAT)', oder 'Matrix-Dict'"
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)
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# --- Deterministische Checks (ohne LLM, siehe model_checks.py) ---
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class CheckSeverity(str, Enum):
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ERROR = "error" # löst Korrekturrunde aus
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WARNING = "warning" # nur Report
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class CheckIssue(BaseModel):
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severity: CheckSeverity
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code: str
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message: str
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# --- Solver-Stufe (siehe solver_stage.py) ---
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class SolverStatus(str, Enum):
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OPTIMAL = "optimal"
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FEASIBLE = "feasible"
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INFEASIBLE = "infeasible"
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UNBOUNDED = "unbounded"
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ERROR = "error" # Laufzeitfehler, Timeout, fehlendes RESULT_JSON, Import-Verstoß
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class SolverCode(BaseModel):
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code: str = Field(description="Vollständiges, eigenständig ausführbares Python-Skript ohne Markdown-Codeblock")
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data_assumptions: List[str] = Field(
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default_factory=list,
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description="Alle Datenwerte, die nicht im Aufgabentext stehen und für die Lösung angenommen wurden",
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)
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class ResultTable(BaseModel):
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"""Verständliche Ergebnistabelle, vom Solver-Programm aus der tatsächlichen Lösung berechnet."""
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title: str
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columns: List[str]
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rows: List[List[Union[float, int, str, None]]]
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objective_column: Optional[str] = Field(
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default=None, description="Spalte mit dem Beitrag je Zeile zur Zielfunktion (im Maßstab von objective_value); Summe muss dem Zielwert entsprechen")
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unit: Optional[str] = Field(default=None, description="Einheit der objective_column, z. B. '€' oder '%'")
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note: Optional[str] = None
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class ConstraintValue(BaseModel):
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"""Eine Restriktion, ausgewertet an der gefundenen Lösung (vom Solver-Programm gemeldet)."""
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name: str = Field(description="Name der Restriktion, beginnt mit dem identifier aus der Spezifikation")
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lhs: float = Field(description="Wert der linken Seite an der Lösung")
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sense: Literal["<=", ">=", "=="]
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rhs: float
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class VariableValue(BaseModel):
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"""Eine Variable mit Wert, Typ und Schranken – Grundlage für Ganzzahligkeits- und Schrankenprüfung."""
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name: str
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value: float
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var_type: VariableType = VariableType.CONTINUOUS
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lb: Optional[float] = None
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ub: Optional[float] = None
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class Sensitivity(BaseModel):
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"""Wirkung einer Lockerung/Verschärfung einer bindenden Restriktion, durch Neulösen ermittelt."""
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name: str = Field(description="Name der Restriktion wie in constraints")
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delta: float = Field(description="Verschiebung der rechten Seite, > 0")
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objective_plus: Optional[float] = Field(default=None, description="Zielwert bei rechter Seite + delta; None wenn dann unlösbar")
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objective_minus: Optional[float] = Field(default=None, description="Zielwert bei rechter Seite - delta")
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unit: Optional[str] = Field(default=None, description="Einheit des Zielwerts je Einheit der rechten Seite")
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class Answer(BaseModel):
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"""Die Antwort auf eine Teilfrage – in der Sprache der Frage, nicht im Modelljargon."""
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question_id: str = Field(description="Kennung der Teilfrage wie im Verständnis ('a', 'b', 'Teil 2')")
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text: str = Field(description="Antwortsatz, der die Frage beantwortet; nur tatsächlich berechnete Zahlen")
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class Scenario(BaseModel):
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"""Eine Konfiguration im Vergleich – als Abweichung der Eingabedaten, nicht als eigenes Modell."""
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name: str = Field(description="Kurzer Name, z. B. 'Reine Varianzminimierung'")
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description: str = Field(description="Was an dieser Konfiguration anders ist, in einem Satz")
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data_override: dict = Field(
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description="Die abweichenden Einträge von DATA, z. B. {'lambda_1': 1, 'lambda_2': 0}")
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objective_value: Optional[float] = Field(
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default=None, description="Zielwert dieser Konfiguration, vom Programm berechnet")
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verified_value: Optional[float] = Field(
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default=None, description="Vom Runner durch erneutes Ausführen bestätigter Zielwert (ohne LLM)")
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class Multistart(BaseModel):
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"""Streuung über mehrere Startpunkte – bei nichtkonvexen Problemen der einzige Hinweis darauf,
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ob das gefundene lokale Optimum stabil ist (Ipopt, siehe Solver-Prompt)."""
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starts: int = Field(description="Anzahl versuchter Startpunkte")
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converged: int = Field(description="Wie viele davon eine zulässige Lösung erreicht haben")
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best: float = Field(description="Bester Zielwert (der gemeldete)")
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worst: Optional[float] = Field(default=None, description="Schlechtester Zielwert der erfolgreichen Läufe")
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mean: Optional[float] = Field(default=None, description="Mittelwert der erfolgreichen Zielwerte")
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stddev: Optional[float] = Field(default=None, description="Standardabweichung der erfolgreichen Zielwerte")
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class GraphArc(BaseModel):
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"""Ein Bogen des zugrunde liegenden Graphen, mit seiner fachlichen Bedeutung."""
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source: str = Field(description="Startknoten")
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target: str = Field(description="Zielknoten")
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weight: float = Field(description="Bogengewicht (Kosten, Dauer, Entfernung)")
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class DijkstraStep(BaseModel):
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"""Ein Schritt des Markierungsverfahrens: welcher Knoten dauerhaft wurde und mit welcher Marke."""
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node: str
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label: float = Field(description="Endgültige Entfernung dieses Knotens von der Quelle")
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class GraphSolution(BaseModel):
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"""Der Graph, sein optimaler Weg und der Markierungsverlauf – Grundlage für Zeichnung und Prüfung."""
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nodes: List[str]
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arcs: List[GraphArc]
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path: List[str] = Field(default_factory=list, description="Knotenfolge des kürzesten Weges, von der Quelle zur Senke")
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steps: List[DijkstraStep] = Field(
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default_factory=list, description="Reihenfolge, in der Dijkstra die Knoten dauerhaft markiert hat")
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node_meaning: str = Field(description="Was ein Knoten in der Aufgabe bedeutet, in einem Satz ohne Fachjargon")
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arc_meaning: str = Field(description="Was ein Bogen in der Aufgabe bedeutet, in einem Satz ohne Fachjargon")
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class SolverRun(BaseModel):
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status: SolverStatus
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objective_value: Optional[float] = None
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headline: Optional[str] = Field(default=None, description="Ein Satz mit dem Ergebnis, nur berechnete Zahlen")
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solution: dict = Field(default_factory=dict)
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tables: List[ResultTable] = Field(default_factory=list)
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constraints: List[ConstraintValue] = Field(default_factory=list)
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variables: List[VariableValue] = Field(default_factory=list)
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sensitivity: List[Sensitivity] = Field(default_factory=list)
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data: dict = Field(default_factory=dict, description="Eingabedaten (DATA) des Programms – Grundlage für --resolve")
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relaxation_bound: Optional[float] = Field(
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default=None, description="Zielwert der stetigen Relaxation (nur bei ganzzahligen Modellen)")
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multistart: Optional[Multistart] = Field(
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default=None, description="Streuung über mehrere Startpunkte (nur bei lokalen Verfahren wie Ipopt)")
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graph: Optional[GraphSolution] = Field(
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default=None, description="Graph, kürzester Weg und Markierungsverlauf (nur bei Graphenproblemen)")
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answers: List[Answer] = Field(
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default_factory=list, description="Eine Antwort je Teilfrage der Aufgabe (Rückprojektion des Ergebnisses)")
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scenarios: List[Scenario] = Field(
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||
default_factory=list, description="Verglichene Konfigurationen (Datenvarianten desselben Modells)")
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feasibility: List[str] = Field(
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default_factory=list, description="Befunde der deterministischen Zulässigkeitsprüfung; leer = Lösung hält alles ein")
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undeclared_data: List[str] = Field(
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||
default_factory=list, description="Selbst erzeugte, nicht ausgewiesene Eingabedaten; leer = alles ausgewiesen")
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warnings: List[str] = Field(default_factory=list, description="Deterministische Prüfungen der Ergebnistabellen")
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error: Optional[str] = None
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attempts: int = 1
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# --- Prüfschritt: Abgleich der Annahmen mit dem Aufgabentext ---
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class AssumptionVerdict(str, Enum):
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JUSTIFIED = "justified" # Text ist unklar, Annahme plausibel und textkonform
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UNNECESSARY = "unnecessary" # Text ist eindeutig, Annahme überflüssig (aber nicht falsch)
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||
CONTRADICTS_TASK = "contradicts_task" # Annahme steht im Widerspruch zum Text
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STRICTER_THAN_TASK = "stricter_than_task" # Modell schränkt stärker ein als der Text verlangt
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WEAKER_THAN_TASK = "weaker_than_task" # Modell lässt mehr zu als der Text erlaubt
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class AssumptionCheck(BaseModel):
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||
unclear_point: str = Field(description="Die geprüfte Stelle (aus open_assumptions übernommen)")
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||
verdict: AssumptionVerdict
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task_evidence: str = Field(description="Wörtliches Zitat aus dem Aufgabentext, auf das sich das Urteil stützt")
|
||
explanation: str = Field(description="Begründung des Urteils, inkl. logischer Analyse (z. B. Implikation vs. Äquivalenz)")
|
||
correction: Optional[str] = Field(
|
||
default=None,
|
||
description="Korrigierte Annahme bzw. Formel in LaTeX; nur bei contradicts_task, stricter_than_task oder weaker_than_task",
|
||
)
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||
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||
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||
class ObjectiveCheck(BaseModel):
|
||
task_evidence: str = Field(description="Wörtliches Zitat aus dem Aufgabentext, das die zu optimierende bzw. anzugebende Größe benennt")
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||
asked_quantity: str = Field(description="Gefragte Größe mit Einheit/Maßstab, z. B. 'Standardabweichung der Portfoliorendite' oder 'Gesamtkosten in €'")
|
||
modeled_quantity: str = Field(description="Größe, die objective.latex_formula tatsächlich berechnet")
|
||
matches: bool = Field(
|
||
description="True nur, wenn die Zielfunktion genau die gefragte Größe (inkl. Richtung min/max und Maßstab) liefert; "
|
||
"eine monoton transformierte Größe (z. B. Varianz statt Standardabweichung) ist False"
|
||
)
|
||
units_consistent: bool = Field(
|
||
description="True nur, wenn alle Terme der Zielfunktion dieselbe Einheit haben (z. B. alle in Euro oder alle relativ); "
|
||
"ein dimensionsloser Term neben Euro-Beträgen ist False")
|
||
unit_explanation: str = Field(description="Einheit je Term der Zielfunktion, z. B. 'Rendite €, Risiko dimensionslos, Kosten €'")
|
||
explanation: str
|
||
correction: Optional[str] = Field(default=None, description="Korrigierte Zielfunktion in LaTeX; nur wenn matches oder units_consistent False ist")
|
||
|
||
|
||
class AssumptionReview(BaseModel):
|
||
"""Prüfbericht: Zielgröße und offene Annahmen einer Modellspezifikation gegen den Aufgabentext."""
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||
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||
objective_check: ObjectiveCheck
|
||
checks: List[AssumptionCheck]
|
||
missing_assumptions: List[AssumptionDefinition] = Field(
|
||
default_factory=list,
|
||
description="Unklare Stellen im Text, die das Modell stillschweigend entschieden hat, ohne sie auszuweisen",
|
||
)
|
||
|
||
@property
|
||
def needs_revision(self) -> bool:
|
||
faulty = {
|
||
AssumptionVerdict.CONTRADICTS_TASK,
|
||
AssumptionVerdict.STRICTER_THAN_TASK,
|
||
AssumptionVerdict.WEAKER_THAN_TASK,
|
||
}
|
||
return (
|
||
not self.objective_check.matches
|
||
or not self.objective_check.units_consistent
|
||
or bool(self.missing_assumptions)
|
||
or any(c.verdict in faulty for c in self.checks)
|
||
)
|
||
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||
|
||
class CallRecord(BaseModel):
|
||
"""Ein LLM-Aufruf – für die Frage, welche Pipeline-Stufe wie lange dauert."""
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||
step: str
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||
seconds: float
|
||
completion_tokens: int = 0
|
||
reasoning_tokens: int = 0
|
||
provider: Optional[str] = None
|
||
model: Optional[str] = Field(default=None, description="Tatsächlich benutztes Modell (kann je Stufe abweichen)")
|
||
|
||
|
||
class LLMUsage(BaseModel):
|
||
model: str
|
||
provider: str
|
||
calls: int = 0
|
||
prompt_tokens: int = 0
|
||
completion_tokens: int = Field(default=0, description="inkl. Reasoning-Tokens")
|
||
reasoning_tokens: int = 0
|
||
cost_usd: Optional[float] = Field(default=None, description="nur OpenRouter liefert Kosten")
|
||
providers: Dict[str, int] = Field(default_factory=dict, description="Antwortender Anbieter -> Anzahl Aufrufe (OpenRouter)")
|
||
call_records: List[CallRecord] = Field(default_factory=list)
|
||
|
||
def by_step(self) -> Dict[str, dict]:
|
||
"""Sekunden und Tokens je Pipeline-Stufe."""
|
||
summary: Dict[str, dict] = {}
|
||
for record in self.call_records:
|
||
entry = summary.setdefault(record.step, {"calls": 0, "seconds": 0.0, "completion_tokens": 0, "reasoning_tokens": 0})
|
||
entry["calls"] += 1
|
||
entry["seconds"] += record.seconds
|
||
entry["completion_tokens"] += record.completion_tokens
|
||
entry["reasoning_tokens"] += record.reasoning_tokens
|
||
return summary
|
||
|
||
|
||
class PipelineResult(BaseModel):
|
||
task: str = ""
|
||
data_files: List[DataFileProfile] = Field(
|
||
default_factory=list, description="Profile der beigelegten Datendateien (--daten)")
|
||
understanding: Optional[TaskUnderstanding] = Field(
|
||
default=None, description="Ergebnis der Verstehensstufe (Teilfragen, Fakten); None bei alten Ergebnissen")
|
||
specification: OptimizationModelSpecification
|
||
review: AssumptionReview
|
||
revisions: int = Field(description="Anzahl durchgeführter Korrekturrunden")
|
||
selected_revision: int = Field(default=0, description="Runde, deren Spezifikation verwendet wurde (0 = Erstentwurf)")
|
||
restarts: int = Field(default=0, description="Anzahl kompletter Neustarts der Modellierung")
|
||
reliable: bool = Field(default=True, description="False, wenn nach allen Runden/Neustarts Zielgröße oder Konsistenz nicht stimmen")
|
||
infeasible_confirmed: bool = Field(
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default=False, description="True, wenn 'unlösbar' durch eine zweite, unabhängige Modellierung bestätigt wurde")
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reliability_issues: List[str] = Field(default_factory=list)
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checks: List[CheckIssue] = Field(default_factory=list)
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solver_code: Optional[SolverCode] = None
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solver_run: Optional[SolverRun] = None
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usage: Optional[LLMUsage] = None
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