baltamatica.mcp

🔗 让 AI 代理（Claude Code / Cursor / Codex）直接驱动国产科学计算软件 北太天元（Baltamatica） 进行交互式数值计算。

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📖 项目简介

baltamatica.mcp 是一个基于 Model Context Protocol (MCP) 的开源服务，为大语言模型提供与北太天元科学计算内核之间的双向通信桥梁。

通过本项目，AI 代理可以：

• 🧮 执行代码：直接在北太天元中运行 .m 脚本或单行表达式，并取回控制台输出
• 📊 读取变量：获取工作区中矩阵、向量、结构体、元胞等变量的值（BEX 后端二进制全保真）
• ✍️ 写入变量：把标量/向量/矩阵注入工作区（set_variable）
• 🔍 查询状态：列出当前工作区中所有变量的名称、类型和维度
• 📂 管理脚本：运行本地 .m 脚本文件
• 🧹 清空工作区：重置计算环境

当前状态：两套后端均可用。

• CLI 后端：通过北太天元命令行入口执行代码，用 .mat 状态文件在多次 MCP 调用之间保持工作区变量。支持全部 6 个工具。
• BEX 后端：在北太天元 GUI 进程内运行的 C 桥接（JSON-over-TCP），支持 execute_code、run_script、list_variables、get_variable、set_variable、clear_workspace：
  • get_variable 对数值/逻辑数组（实数和复数、任意大小）走 base64 二进制全保真回传，对字符/字符串/结构体/元胞走结构化 JSON；
  • set_variable 用 bxAddVariable 把标量/向量/矩阵注入工作区；
  • execute_code / run_script 用 evalc 捕获控制台输出并解析 BALTAMATICA_ARTIFACT= 文件产物；
  • 桥接生命周期健壮（可靠 stop、Ctrl-C 恢复、background 模式），并可触发 GUI Figure 弹窗（但北太天元本身无图形导出函数，见下）。

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🏗️ 系统架构

项目提供两套后端。CLI 后端通过北太天元命令行入口执行代码，用 .mat 状态文件保持工作区变量，无需编译，适合快速上手。BEX 后端是一个在北太天元 GUI 进程内运行的 C 桥接，走 JSON-over-TCP，提供进程内低延迟长连接、二进制变量传输和变量注入。两者暴露相同的 MCP 工具集。

┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│            AI Agent (Claude Code / Cursor / Codex)         │
└─────────────────────────┬────────────────────────────────┘
                          │ MCP Protocol (stdio)
                          ▼
┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│               Python MCP Server (baltamatica-mcp)          │
│  execute_code / run_script / list_variables /              │
│  get_variable / set_variable / clear_workspace             │
│                     Engine Dispatcher                      │
└───────────────┬──────────────────────────┬───────────────┘
                │ (--backend cli)           │ (--backend bex)
                ▼                           ▼
     ┌────────────────────┐      ┌──────────────────────────┐
     │    CLI Backend     │      │       BEX Backend        │
     │ subprocess + .mat  │      │  JSON-over-TCP client    │
     └─────────┬──────────┘      └────────────┬─────────────┘
               ▼                               ▼
   baltamatica -nodesktop -s "…"    mcp_bridge (BEX in GUI, TCP 31415)

后端状态

特性	CLI 后端	BEX 后端
execute_code	✅	✅ evalc 捕获输出
run_script	✅	✅ evalc 捕获输出
list_variables	✅ whos 解析	✅ SDK 变量枚举
get_variable	✅ disp() 文本	✅ 二进制全保真 + 结构化 JSON
set_variable	✅ 字面量代码	✅ bxAddVariable（整数/浮点/复数/bool）
clear_workspace	✅	✅ clear
工作区状态保持	✅ .mat 状态文件	✅ BEX 进程长连接
文件产物反馈	✅ artifact marker	✅ 从捕获输出解析 marker

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🚀 快速开始

前置条件

• Python 3.10+
• 北太天元 2025（社区版即可）
• 北太天元命令行入口（macOS 通常是 /Applications/Baltamatica.app/Contents/MacOS/baltamatica）
• C 编译器（仅使用 BEX 后端时需要；北太天元自带 bex 编译器会调用系统 clang/gcc）

安装

从 PyPI 安装（推荐）：

pip install baltamatica-mcp

或从源码安装（开发用）：

git clone https://github.com/wzlwww/baltamatica.mcp.git
cd baltamatica.mcp
python3 -m venv .venv
source .venv/bin/activate
pip install -e .

BEX 插件状态

BEX JSON 协议见 docs/bex-protocol.md，桥接使用与生命周期见 docs/bex-plugin.md 与 docs/bex-bridge.md。 当前 BEX 桥接已实现 execute_code、run_script、clear_workspace、list_variables 和 get_variable，返回结构化成功/错误结果。

获取桥接二进制 —— 三种方式,任选其一：

• 一条命令安装（最简单）：

  baltamatica-mcp install-bridge
  

  自动下载对应平台的 mcp_bridge.bex* 到 ~/.baltamatica-mcp/,并打印要粘进北太天元的启动命令。
• 手动下载：从 GitHub Releases 下对应平台的文件（macOS arm64 mcp_bridge.bexmaci64、Linux x86-64 mcp_bridge.bexa64、Windows x64 mcp_bridge.bexw64）。
• 自行编译：scripts/build_bex.sh（自动定位北太天元 bex 编译器，Linux 上会回退到解释器内编译），或在北太天元 GUI 命令行手动编译：

clear mcp_bridge
cd '/path/to/baltamatica.mcp/bex'
bex 'mcp_bridge.c'                                   % 生成 mcp_bridge.bexmaci64 / .bexa64 / .bexw64

加载并常驻搜索路径（在北太天元 GUI 命令行）：

addpath('/path/to/mcp_bridge/所在目录'); savepath    % 让 mcp_bridge 常驻搜索路径

两种运行模式：

mcp_bridge()              % 前台：阻塞命令行，直到被停止
mcp_bridge('background')  % 后台：立即返回，命令行空着（推荐，可从同一 GUI 控制）

启动后让 Python MCP server 连接同一端口：

python -m baltamatica_mcp --backend bex --bex-host 127.0.0.1 --bex-port 31415

停止：

mcp_bridge('stop')        % 可靠停止；前台被 Ctrl-C 打断后也能释放端口

桥接把监听 socket 记在进程全局态里：stop 能在前台被 Ctrl-C 打断后直接关闭 socket 释放端口， 重跑 mcp_bridge() 会自动回收泄漏的 socket 而不是 bind 失败。若 mcp_bridge 不在搜索路径上 （例如重启后 addpath 丢失），可用纯 TCP 的兜底工具停止，完全不依赖路径：

PYTHONPATH=src python -m baltamatica_mcp.bex_shutdown

已知限制：

• get_variable：数值/逻辑数组（实数和复数、任意大小）走 base64 二进制全保真回传；字符/字符串/结构体/元胞走结构化 JSON。极大的结构体/元胞会按上限截断（见 truncated 字段）；结构体/元胞里嵌套的数值目前是列主序扁平数组。
• set_variable：支持整数（int8..uint64）、浮点（float32/float64）、复数（complex64/complex128，data={"real":...,"imag":...}）和 bool，二维以内。请求走缓冲读取 + 堆分配缓冲区，单条请求上限约 16 MB（约 100 万个 double）。
• 屏幕绘图可用（figure/plot 等会在 GUI 弹窗），但图形导出到文件不可用——遍查北太天元全部 3736 个文档函数，均无 saveas/print/exportgraphics/getframe/imwrite 等图形导出函数（这是北太天元本身的能力缺失）。替代方案：用 get_variable 取回绘图数据由 AI 端渲染，或用 writematrix/writetable/save 把数据导出成文件 + BALTAMATICA_ARTIFACT= 标记回传（见下）。
• CLI 后端无需编译、跨平台，适合快速上手；BEX 后端功能更全（二进制传输、变量注入、输出捕获）。

文件产物反馈(BEX 也支持):execute_code / run_script 现在捕获控制台输出,脚本用 fprintf('BALTAMATICA_ARTIFACT=text/csv:/tmp/x.csv\n') 声明的文件会被解析进返回的 artifacts 列表(路径、MIME、是否存在、大小)。

在 Claude Desktop 中配置

编辑 ~/Library/Application Support/Claude/claude_desktop_config.json：

{
  "mcpServers": {
    "baltamatica": {
      "command": "/path/to/baltamatica.mcp/.venv/bin/python",
      "args": ["-m", "baltamatica_mcp"]
    }
  }
}

在 Claude Code 中配置

claude mcp add baltamatica -- /path/to/baltamatica.mcp/.venv/bin/python -m baltamatica_mcp

CLI Fallback 模式（无需编译）

CLI 后端会自动探测标准安装位置（macOS /Applications/Baltamatica.app/...、 Linux /opt/Baltamatica/bin/baltamatica.sh、Windows C:\Program Files\Baltamatica\...）， 标准安装下零配置即可：

baltamatica-mcp --backend cli

装在非标准位置时，用环境变量或参数指定：

BALTAMATICA_CLI=/path/to/baltamatica baltamatica-mcp --backend cli

不同平台的命令行入口不一样（后端会自动识别）：macOS 是 /Applications/Baltamatica.app/Contents/MacOS/baltamatica，Linux 是 baltamatica.sh（会自动设置库路径并透传 -s 参数）。在无显示器的 Linux（SSH/服务器）上，后端会自动设 QT_QPA_PLATFORM=offscreen。

也可以显式指定入口和单次执行超时：

baltamatica-mcp --backend cli --cli-executable /path/to/baltamatica.sh --timeout 30

CLI 后端会用 .mat 状态文件在多次 MCP 调用之间保存工作区变量。默认使用临时状态文件， 也可以显式指定：

python -m baltamatica_mcp --backend cli --state-file /tmp/baltamatica-mcp-state.mat

在 Codex 中配置

codex mcp add baltamatica \
  --env PYTHONPATH=/path/to/baltamatica.mcp/src \
  --env BALTAMATICA_CLI=/Applications/Baltamatica.app/Contents/MacOS/baltamatica \
  -- python3 -m baltamatica_mcp --backend cli --timeout 30

配置后可通过 MCP 工具调用 execute_code、run_script、list_variables、 get_variable、set_variable 和 clear_workspace。

开发测试

运行不依赖北太天元安装的单元测试：

PYTHONPATH=src pytest -q -m "not integration"
PYTHONPATH=src python3 -m compileall -q src tests

如果本机已安装北太天元 CLI，可以启用真实集成测试：

BALTAMATICA_CLI=/Applications/Baltamatica.app/Contents/MacOS/baltamatica \
  PYTHONPATH=src pytest -q -m integration

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📁 项目结构

baltamatica.mcp/
├── README.md
├── LICENSE
├── pyproject.toml
├── .github/workflows/ci.yml
├── src/baltamatica_mcp/
│   ├── __init__.py
│   ├── __main__.py
│   ├── server.py           # MCP Server & Tool 注册
│   ├── engine.py           # 后端协议与结果类型
│   ├── backend_cli.py      # CLI 后端：subprocess + .mat 状态文件
│   ├── backend_bex.py      # BEX JSON-over-TCP 客户端
│   ├── serializer.py       # 变量二进制解码/编码与结构化呈现
│   └── bex_shutdown.py     # 纯 TCP 关闭 BEX 桥接的兜底工具
├── bex/
│   ├── CMakeLists.txt      # BEX CMake 构建配置
│   ├── mcp_protocol.h      # BEX JSON 协议常量
│   ├── mcp_bridge.c        # BEX TCP 桥接源码（主体）
│   └── bex_plot_probe.c    # 绘图能力探针
├── tests/
│   ├── test_backend_cli.py
│   ├── test_backend_bex.py
│   ├── test_serializer.py
│   ├── test_bex_sources.py
│   ├── test_bex_shutdown.py
│   ├── test_server.py
│   ├── test_integration_cli.py   # 标记 integration
│   ├── test_integration_bex.py   # 标记 integration
│   └── fixtures/sample_script.m
├── docs/
│   ├── contributing.md
│   ├── bex-protocol.md
│   ├── bex-plugin.md
│   ├── bex-bridge.md
│   ├── bex-plot-probe.md
│   ├── releasing.md
│   └── pr-plan.md
├── scripts/
│   └── build_bex.sh        # 用北太天元 bex 编译器编译本平台桥接二进制
└── examples/
    ├── monte_carlo_pi.m
    ├── numerical_pipeline_demo.m
    ├── artifact_export_demo.m
    └── bex_plot_probe_demo.m

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🛠️ MCP Tools（暴露给 AI 的工具接口）

Tool 名称	参数	描述	CLI 后端	BEX 后端
execute_code	code: string	执行代码并返回控制台输出	✅	✅ evalc 捕获输出
run_script	file_path: string	运行 .m 脚本文件	✅	✅ evalc 捕获输出
list_variables	—	列出工作区所有变量（名称、类型、维度）	✅ whos 解析	✅ SDK 变量枚举
get_variable	name: string	获取变量值	✅ disp() 文本	✅ 二进制全保真 + 结构化 JSON
set_variable	name, data, dtype?	创建/覆盖工作区变量	✅ 字面量代码	✅ bxAddVariable（整数/浮点/复数/bool）
clear_workspace	—	清空工作区状态	✅	✅ clear

文件产物反馈

脚本可以通过标准输出声明生成的文件产物：

fprintf('BALTAMATICA_ARTIFACT=text/csv:/tmp/result.csv\n');

MCP 返回值会包含 artifacts 列表，记录文件路径、MIME 类型、是否存在和文件大小。若省略 MIME 类型：

fprintf('BALTAMATICA_ARTIFACT=/tmp/plot.png\n');

服务会根据扩展名推断常见类型，例如 image/png、application/pdf、text/csv。示例见 examples/artifact_export_demo.m。

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🗺️ 开发路线图 (Roadmap)

详细 PR 拆分和实现方案见 docs/pr-plan.md。

已完成

• MCP Server 骨架（FastMCP）

• CLI 后端（subprocess + baltamatica -nodesktop -s）

• execute_code / run_script

• .mat 状态文件保持 CLI 工作区

• list_variables / get_variable / clear_workspace

• 可选真实集成测试与 GitHub Actions CI

• 数值计算示例：examples/numerical_pipeline_demo.m

• 文件产物反馈：BALTAMATICA_ARTIFACT=...

• BEX JSON 协议设计与 Python TCP 客户端骨架

• BEX 插件最小可用版

• BEX list_variables / get_variable 文本变量读取

• BEX 小型实数数值/逻辑数组结构化 JSON 读取

• BEX 生命周期健壮化：可靠 stop / Ctrl-C 恢复 / 自愈重绑 / background 模式 / 状态返回值

• BEX get_variable 存在性预检查（避免不存在变量在 GUI 里回显 evalin 错误）

• BEX 数值/逻辑二进制全保真传输（含复数）+ 字符/字符串/结构体/元胞结构化序列化

• BEX set_variable：从标量/向量/矩阵注入工作区变量（bxAddVariable）

• BEX execute_code / run_script 控制台输出捕获（evalc + try/catch，成功返回 stdout、失败返回错误信息）

• BEX 文件产物反馈：从捕获输出解析 BALTAMATICA_ARTIFACT= 标记

• 绘图导出调研：确认北太天元无任何图形导出函数（3736 个函数全查），改走数据侧回传

• background 模式线程安全评估：桥接串行化所有请求（800 顺序 + 并发双连接零错误）；唯一风险是后台模式下手动同时操作 GUI（见 docs/bex-bridge.md 线程与并发一节）

• 自动化 BEX 集成测试（bex 编译校验 + 运行中桥接往返，标记 integration）

• 发布体验：baltamatica-mcp 控制台入口、项目 URL、set_variable 工具与文档

• BEX set_variable 扩展：整数（int8..uint64）/浮点（float32/64）/复数（complex64/128）类型 + 缓冲读取大 payload（上限约 16 MB）

• 打包就绪：python -m build 可出 sdist/wheel、控制台入口、scripts/build_bex.sh 编译桥接二进制、发布流程见 docs/releasing.md

• 发布 v0.2.0：PyPI（pip install baltamatica-mcp）+ GitHub Release（含 macOS/Linux/Windows 三平台预编译二进制）

• v0.2.1 安装简化：CLI 后端零配置自动探测北太天元 + baltamatica-mcp install-bridge 一键下载桥接二进制

• v0.2.2 Linux 修复：CLI 后端改用 baltamatica.sh（baltamaticaC.sh 会吞掉 -s）+ 无显示器时自动 QT_QPA_PLATFORM=offscreen（mac/Linux 均实测通过）

下一步

• BEX 图形导出到文件：受限于北太天元本身缺少 saveas/print/exportgraphics 等函数，需厂商侧支持

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🔧 核心依赖的北太天元 SDK API

本项目依赖北太天元 BEX SDK (bex.h, API v3.9) 提供的以下关键接口：

API 函数	功能
bxEvalString(expr)	执行一条字符串命令
bxEvalIn(ws, expr, plhs)	在指定工作区执行表达式并捕获返回值
bxCallBaltamatica(...)	通过函数名调用北太天元内置/自定义函数
bxGetVariableNames(result, num)	获取当前工作区所有变量名
bxAddVariable(name, value, mode)	向工作区注入变量
bxRemoveVariable(name)	删除工作区变量
bxGetDoublesRO/bxGetComplexDoublesRO/...(ba)	只读获取各类型矩阵数据指针（二进制回传）
bxCreateDoubleMatrix/bxCreateLogicalMatrix(...)	创建矩阵（set_variable 注入）
bxGetDoublesRW/bxGetLogicalsRW(ba)	读写数据指针（写入注入的数据）
bxGetString / bxGetFieldByNumberRO / bxGetCellRO	读取字符串/结构体字段/元胞元素（结构化序列化）
bxGetDimensions(ba)	获取数组维度信息
bxGetClassID(ba)	获取变量的数据类型
bxArrayToCStr(ba, ...) / bxAsCStr(ba, ...)	将变量格式化/转换为字符串
bxPrintf(...)	向命令行窗口输出（桥接状态信息）

execute_code / run_script 通过 bxCallBaltamatica 调用内置的 evalc 函数捕获控制台输出。

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🤝 贡献指南

欢迎贡献代码！请参阅 CONTRIBUTING.md。

分支模型

• main：稳定发布分支，始终保持可用
• develop：开发主分支，所有 feature 合入此处
• feature/<name>：功能分支，从 develop 拉出
• fix/<name>：Bug 修复分支

提交规范

使用 Conventional Commits 规范：

feat: 添加 execute_code 工具实现
fix: 修复控制台输出截断问题
docs: 更新 README 安装说明
refactor: 重构引擎通信模块
test: 添加变量序列化单元测试
chore: 更新 CI 配置

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📄 License

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