A*算法解决传教士—野人过河问题

A*算法解决传教士—野人过河问题

算法原理

1、A算法的基本原理分析;
在或图的一般搜索算法中,如果在搜索过程的步骤⑦利用估价函数f(n)=g(n)+h(n)对open表中的节点进行排序,则该搜索算法为A算法。
g(n):从初始节点到n的实际代价
因为n为当前节点,搜索已达到n点,所以g(n)可计算出。
h(n):启发函数,从n到目标节点的最佳路径的估计代价。
因为尚未找到解路径,所以h(n)仅仅是估计值。
对A算法中的g(n)和h(n)做出限制:
g(n) >= g
(n)(g*(n)为S0到n的最小费用)
-h(n) <= h*(n)(h*(n)为n到Sg的实际最小费用)
则算法被称为A*算法。

2、传教士—野人过河问题的知识表示方法分析;
在这个问题中,需要考虑:
1、两岸的传教士人数和野人人数 2、船在左岸还是在右岸
已知:传教士和野人数:N(两者默认相同),船的最大容量:K
定义:M:左岸传教士人数 C:左岸野人人数 B:左岸船个数
可用一个三元组来表示左岸状态,即S=(M, C, B)。
约束条件:M>=0,C>=0,B=1或0
已知左岸状态,右岸的状态为:
右岸传教士人数:M’=N-M
右岸野人人数:C’=N-C
右岸船数:B’=1-B
满足同样的约束条件

3、针对传教士—野人过河问题的A算法详细分析
(1)A
算法求解传教士和野人过河问题,主要实现过程:
①使用状态空间法将问题的求解抽象为状态空间的搜索。
②根据A算法的思想、A算法的具体步骤、设计估价函数的方法,针对传教士–野人过河问题设计出估价函数f(n),给出条件约束函数。
(2)估价函数设计:f(n)=g(n)+M+C-K*B

  • h(n)=M+C-K*B把状态转换后左岸剩余人数作为启发性信息

合理性分析:
本问题中,在满足条件约束的前提下,总是希望能使左岸的人数最少。当左岸有船时,应当使船每次都满负荷运载,即运KB人过河。
然而,在最大运载量为K的情况下,状态转换后左岸的剩余人数不可能小于M+C-K
B,即从节点n到目标节点的最小代价h*(n)不可能小于h(n) ,因此,满足A算法的条件限制h(n)<=h(n)。
(3)本问题中操作是指用船把传教士或野人从河的左岸运到右岸,或者从河的右岸运到左岸,并且每个操作都应该满足以下3个条件:
①船至少有一个人(M或C)操作,离开岸边的M和C的减少数目等于到达岸边的M和C的增加数目。
②每次操作,船上的人数不得超过K个。
③操作应保证不产生非法状态。

设计思路

1、设计状态空间表示方式
可用一个三元组来表示左岸状态,即S=(M, C, B),将所有扩展的节点和原始节点存放在同一列表中。初始状态为(N,N,1),目标状态为(0,0,0),问题的求解转换为在状态空间中,找到一条从状态(N, N, 1)到状态(0, 0, 0)的最优路径。
例:在3传教士3野人问题中,初始状态为(3,3,1),目标状态为(0,0,0)。
当1野人离开左岸到达右岸后,原状态变为p = [(3,2,0),(3,3,1)],p[0]为当前状态,而列表最后一个为初始状态,只要当p[0] = (0,0,0)则完成搜索。
2、节点拓展方法与合法状态判断
(1)节点拓展:通过减少和增加传教士或野人的数量来拓展节点。
当船在左岸(B=1):①减少野人 ②减少传教士 ③减少野人和传教士
当船在右岸(B=0):①增加野人 ②增加传教士 ③增加野人和传教士
(2)合法状态判断
①左岸传教士数量等于总数或左岸传教士为0:C>=0,C<=N
②左岸传教士数量基于0到N之间时: C >=0 , M >= C , M <= N , C <= N , N-M >= N-C
③其他状态为不合法

3、搜索过程
①建立只含有初始节点S的搜索图G,把S放到OPEN表中;
②建立CLOSED表,其初始值为空表;
③若OPEN表是空表,则失败退出;
④选择OPEN表中第一个节点,把它从OPEN表移出并放进CLOSED表中,称此节点为节点n;
⑤若n为目标节点,则有解并成功退出。
⑥沿指针追踪图G中从n到S这条路径得到解(指针在步骤⑦中设置);
⑦扩展n,生成不是n的祖先的那些后继节点的集合M,把M的这些成员作为n的后继节点添入图G中;
对M中子节点进行如下处理:
-对没在G中出现过的(即没在OPEN或CLOSED表中出现过的)M成员设置一个指向n的指针,把M的这些成员加进OPEN表;
-已在OPEN或CLOSED表中的每个M成员,确定是否需要更改指向n的指针方向;
-已在CLOSED表中的每个M成员,确定是否需要更改图G中它的每个后裔节点指向父节点的指针。
⑧按某种方式或按某个试探值,重排OPEN表;
⑨转步骤③。

完整代码

def GJ(this,k):#估价函数计算 h(n) = M + C - K * B
    return this[0] + this[1] - k * this[2]

def creat(array,M,C,B,N):#判断生成节点是否符合规则、判断是否重复
    P = array[:]
    if M == N :#左岸传教士数量等于总数
        if  C >=0  and  C <= N :
            P.insert(0,[M,C,1-B])
            for i in open:
                if P[0] == i[0]:
                    return False
            for i in closed:
                if P[0] == i[0]:
                    return False
            open.append(P)
            return True
        else:
            return False
    elif M > 0 :#左岸传教士数量基于0到N之间时
        if  C >=0 and M >= C and M <= N and C <= N and N-M >= N-C:
            P.insert(0,[M,C,1-B])
            for i in open:
                if P[0] == i[0]:
                    return False
            for i in closed:
                if P[0] == i[0]:
                    return False
            open.append(P)
            return True
        else:
            return False
    elif M == 0:#左岸传教士为0
        if  C >= 0 and C <= N:
            P.insert(0, [M, C, 1 - B])
            for i in open:
                if P[0] == i[0]:
                    return False
            for i in closed:
                if P[0] == i[0]:
                    return False
            open.append(P)
            return True
        else:
            return False
    else:
        return False

if  __name__ == '__main__':
    N = int(input("传教士和野人的人数(默认相同):"))
    K =int(input("船的最大容量:"))
    open = []  #创建open表
    closed = [] #创建closed表
    sample = [N,N,1] #初始状态
    goal = [0,0,0]#目标状态
    open.append([sample])
    creatpoint = searchpoint = 0
    while(1):
        if sample == goal:
            print("初始状态为目标状态!")
            break
        if len(open) == 0:
            print("未搜索到解!")
            break
        else:
            this = open.pop(0)
            closed.append(this)
            if this[0] == goal:
                print("搜索成功!")
                print('共生成节点数:{},共搜索节点数:{}'.format(creatpoint,searchpoint + 1))
                print('过河方案如下:')
                print('      [M, C, B]')
                for i in this[::-1]:
                    print('---->',i)
                exit()
            #扩展节点
            searchpoint += 1
            if this[0][2] == 1 :#船在左岸时
                for i in range(1,K+1):#只
                    if creat(this,this[0][0]-i,this[0][1],this[0][2],N):
                        creatpoint += 1
                for i in range(1,K+1):
                    if creat(this,this[0][0],this[0][1]-i,this[0][2],N):
                        creatpoint += 1
                for i in range(1,K):
                    for r in range(1,K-i+1):
                        if creat(this,this[0][0] - i,this[0][1] - r, this[0][2],N):
                            creatpoint += 1
            else:#船在右岸时
                for i in range(1,K+1):
                    if creat(this,this[0][0]+i,this[0][1],this[0][2],N):
                        creatpoint += 1
                for i in range(1,K+1):
                    if creat(this,this[0][0],this[0][1]+ i,this[0][2],N):
                        creatpoint += 1
                for i in range(1,K):
                    for r in range(1,K-i+1):
                        if creat(this,this[0][0] + i,this[0][1] + r, this[0][2],N):
                            creatpoint += 1

            #计算估计函数h(n) = M + C - K * B 重排open表
            for x in range(0,len(open)-1):
                m = x
                for y in range(x+1,len(open)):
                    if  GJ(open[x][0],K) >  GJ(open[y][0],K):
                        m = y
                if m != x:
                    open[x],open[m] = open[m],open[x]

运行结果

参数设置1:N = 3,K =2
初始状态:(3,3,1),目标状态:(0,0,0)
实验结果:
A*算法解决传教士—野人过河问题_第1张图片
参数设置2:N = 5,K =3
初始状态:(5,5,1),目标状态:(0,0,0)
实验结果:
A*算法解决传教士—野人过河问题_第2张图片
参数设置3:N = 10,K =4
初始状态:(10,10,1),目标状态:(0,0,0)
实验结果:
A*算法解决传教士—野人过河问题_第3张图片

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