人工智能试验-八数码难题

昆明理工大学信息工程与自动化学院学生实验报告（2012 —2013 学年第 1 学期）课程名称：人工智能开课实验室：信自楼442 2012 年10月 24日一、上机目的及内容1.上机内容用确定性推理算法求解教材65-66页介绍的八数码难题。

2.上机目的（1）复习程序设计和数据结构课程的相关知识，实现课程间的平滑过渡；（2）掌握并实现在小规模状态空间中进行图搜索的方法；（3）理解并掌握图搜索的技术要点。

二、实验原理及基本技术路线图（方框原理图或程序流程图）（1）设计并实现程序，求解出正确的解答路径；（2）对所设计的算法采用大O符号进行时间复杂性和空间复杂性分析；（3）对一般图搜索的技术要点和技术难点进行评述性分析。

问题描述：在3×3组成的九宫格棋盘上，摆有八个将牌，每一个将牌都刻有1-8八个数码中的某一个数码。

棋盘中留有一个空格，允许其周围的某一个将牌向空格移动，这样通过移动将牌就可以不断改变将牌的布局。

这种游戏求解的问题是：给定一种初始的将牌布局或结构（称初始状态）和一个目标的布局（称目标状态），问如何移动将牌，实现从初始状态到目标状态的转变。

初始状态：8个数字将牌和空格在九宫格棋盘上的所有格局组成了问题的状态空间。

其中，状态空间中的任一种状态都可以作为初始状态。

后继函数：通过移动空格（上、下、左、右）和周围的任一棋子一次，到达新的合法状态。

目标测试：比较当前状态和目标状态的格局是否一致。

路径消耗：每一步的耗散值为1，因此整个路径的耗散值是从起始状态到目标状态的棋子移动的总步数。

三、所用仪器、材料（设备名称、型号、规格等或使用软件）1台PC及VISUAL C++6.0软件四、实验方法、步骤（或：程序代码或操作过程）数据结构static int target[9]={1,2,3,8,0,4,7,6,5}; 全局静态变量，表示目标状态class eight_num{private:int num[9]; 定义八数码的初始状态int not_in_position_num; 定义不在正确位置八数码的个数int deapth; 定义了搜索的深度int eva_function; 评价函数的值，每次选取最小的进行扩展public:eight_num* parent; 指向节点的父节点eight_num* leaf_next; 指向open表的下一个节点eight_num* leaf_pre; 指向open 表的前一个节点初始状态的构造函数eight_num(int init_num[9]);eight_num(int num1,int num2,int num3,int num4,int num5,int num6,int num7,int num8,int num9){} eight_num(void){ }计算启发函数g(n)的值void eight_num::cul_para(void){}显示当前节点的状态void eight_num::show(){}复制当前节点状态到一个另数组中void eight_num::get_numbers_to(int other_num[9]){}设置当前节点状态(欲设置的状态记录的other数组中)void eight_num::set_num(int other_num[9]){}eight_num& eight_num::operator=(eight_num& another_8num){}eight_num& eight_num::operator=(int other_num[9]){}int eight_num::operator==(eight_num& another_8num){}int eight_num::operator==(int other_num[9]){}空格向上移int move_up(int num[9]){}空格向下移int move_down(int num[9]){}空格向左移int move_left(int num[9]){}空格向右移int move_right(int num[9]){}判断可否解出int icansolve(int num[9],int target[9]){}判断有无重复int existed(int num[9],eight_num *where){}寻找估价函数最小的叶子节点eight_num* find_OK_leaf(eight_num* start){}}源代码#include "stdafx.h"#include "iostream.h"#include <time.h>#include <stdio.h>#include <dos.h>#include <conio.h>static int target[9]={1,2,3,8,0,4,7,6,5};//class definitionclass eight_num{private:int num[9];int not_in_position_num;int deapth;int eva_function;public:eight_num* parent;eight_num* leaf_next;eight_num* leaf_pre;eight_num(int init_num[9]);eight_num(int num1,int num2,int num3,int num4,int num5,int num6,int num7,int num8,int num9){num[0]=num1;num[1]=num2;num[2]=num3;num[3]=num4;num[4]=num5;num[5]=num6;num[6]=num7;num[7]=num8;num[8]=num9;}eight_num(void){for (int i=0;i<9;i++)num[i]=i;}void cul_para(void);void get_numbers_to(int other_num[9]);int get_nipn(void){return not_in_position_num;}int get_deapth(void){return deapth;}int get_evafun(void){return eva_function;}void set_num(int other_num[9]);void show(void);eight_num& operator=(eight_num&);eight_num& operator=(int other_num[9]);int operator==(eight_num&);int operator==(int other_num[9]);};//计算启发函数g(n)的值void eight_num::cul_para(void){int i;int temp_nipn=0;for (i=0;i<9;i++)if (num[i]!=target[i])temp_nipn++;not_in_position_num=temp_nipn;if (this->parent==NULL)deapth=0;elsedeapth=this->parent->deapth+1;eva_function=not_in_position_num+deapth; }//构造函数1eight_num::eight_num(int init_num[9]){for (int i=0;i<9;i++)num[i]=init_num[i];}//显示当前节点的状态void eight_num::show(){cout<<num[0];cout<<" ";cout<<num[1];cout<<" ";cout<<num[2];cout<<"\n";cout<<num[3];cout<<" ";cout<<num[4];cout<<" ";cout<<num[5];cout<<"\n";cout<<num[6];cout<<" ";cout<<num[7];cout<<" ";cout<<num[8];cout<<"\n";}//复制当前节点状态到一个另数组中void eight_num::get_numbers_to(int other_num[9]){for (int i=0;i<9;i++)other_num[i]=num[i];}//设置当前节点状态(欲设置的状态记录的other数组中) void eight_num::set_num(int other_num[9]){for (int i=0;i<9;i++)num[i]=other_num[i];}eight_num& eight_num::operator=(eight_num& another_8num) {for (int i=0;i<9;i++)num[i]=another_8num.num[i];not_in_position_num=another_8num.not_in_position_num;deapth=another_8num.deapth+1;eva_function=not_in_position_num+deapth;return *this;}eight_num& eight_num::operator=(int other_num[9]){for (int i=0;i<9;i++)num[i]=other_num[i];return *this;}int eight_num::operator==(eight_num& another_8num){int match=1;for (int i=0;i<9;i++)if(num[i]!=another_8num.num[i]){match=0;break;}if (match==0)return 0;elsereturn 1;}int eight_num::operator==(int other_num[9]) {int match=1;for (int i=0;i<9;i++)if(num[i]!=other_num[i]){match=0;break;}if (match==0)return 0;elsereturn 1;}//class definition over//*************************//空格向上移int move_up(int num[9]){for (int i=0;i<9;i++)if (num[i]==0)break;if (i<3)return 0;else{num[i]=num[i-3];num[i-3]=0;return 1;}}//空格向下移int move_down(int num[9]){for (int i=0;i<9;i++)if (num[i]==0)break;if (i>5)return 0;else{num[i]=num[i+3];num[i+3]=0;return 1;}}//空格向左移int move_left(int num[9]) {for (int i=0;i<9;i++)if (num[i]==0)break;if (i==0||i==3||i==6)return 0;else{num[i]=num[i-1];num[i-1]=0;return 1;}}//空格向右移int move_right(int num[9]) {for (int i=0;i<9;i++)if (num[i]==0)break;if (i==2||i==5||i==8)return 0;else{num[i]=num[i+1];num[i+1]=0;return 1;}}//判断可否解出int icansolve(int num[9],int target[9]){int i,j;int count_num,count_target;for (i=0;i<9;i++)for (j=0;j<i;j++){if(num[j]<num[i]&&num[j]!=0)count_num++;if(target[j]<target[i]&&target[j]!=0)count_target++;}if((count_num+count_target)%2 == 0)return 1;elsereturn 0;}//判断有无重复int existed(int num[9],eight_num *where){eight_num *p;for(p=where;p!=NULL;p=p->parent)if(*p==num)return 1;return 0;}//寻找估价函数最小的叶子节点eight_num* find_OK_leaf(eight_num* start) {eight_num *p,*OK;p=OK=start;int min=start->get_evafun();for(p=start;p!=NULL;p=p->leaf_next)if(min>p->get_evafun()){OK=p;min=p->get_evafun();}return OK;}//主函数开始int main(void){double time;clock_t Start,Finish;int memery_used=0,step=0;int num[9];int flag=0;//是否输入错误标志，1表示输入错误int bingo=0;//是否查找成功标志，1表示成功int i,j;cout<<"Please input the number(0 for the blank):\n";for (i=0;i<9;i++){flag=0;cin>>num[i];for(j=0;j<i;j++)if(num[i]==num[j])flag=1;if (num[i]<0||num[i]>8||flag==1){i--;cout<<"Illegle number!\tReinput!\n";}}eight_num S(num),Target(target);S.parent=S.leaf_next=S.leaf_pre=NULL;S.cul_para();memery_used++;cout<<"Now the initial numbers are:\n";S.show();cout<<"And the Target is:\n";Target.show();if(!icansolve(num,target)){cout<<"No one can solve it!\n";cin>>i;return 1;}Start=clock( );eight_num *OK_leaf=&S,*leaf_start=&S,*new_8num,*p;while(OK_leaf!=NULL&&bingo!=1){OK_leaf=find_OK_leaf(leaf_start);if(*OK_leaf==Target){bingo=1;break;}p=OK_leaf->leaf_pre;OK_leaf->get_numbers_to(num);if(move_up(num)&&!existed(num,OK_leaf)) {new_8num=new eight_num;new_8num->set_num(num);new_8num->parent=OK_leaf;new_8num->cul_para();new_8num->leaf_pre=p;if(p==NULL)leaf_start=new_8num;elsep->leaf_next=new_8num;p=new_8num;memery_used++;}OK_leaf->get_numbers_to(num);if(move_down(num)&&!existed(num,OK_leaf)) {new_8num=new eight_num;new_8num->set_num(num);new_8num->parent=OK_leaf;new_8num->cul_para();new_8num->leaf_pre=p;if(p==NULL)leaf_start=new_8num;elsep->leaf_next=new_8num;p=new_8num;memery_used++;}OK_leaf->get_numbers_to(num);if(move_left(num)&&!existed(num,OK_leaf)) {new_8num=new eight_num;new_8num->set_num(num);new_8num->parent=OK_leaf;new_8num->cul_para();new_8num->leaf_pre=p;if(p==NULL)leaf_start=new_8num;elsep->leaf_next=new_8num;p=new_8num;memery_used++;}OK_leaf->get_numbers_to(num);if(move_right(num)&&!existed(num,OK_leaf)){new_8num=new eight_num;new_8num->set_num(num);new_8num->parent=OK_leaf;new_8num->cul_para();new_8num->leaf_pre=p;if(p==NULL)leaf_start=new_8num;elsep->leaf_next=new_8num;p=new_8num;memery_used++;}p->leaf_next=OK_leaf->leaf_next;if(OK_leaf->leaf_next!=NULL)OK_leaf->leaf_next->leaf_pre=p;OK_leaf->leaf_next=OK_leaf->leaf_pre=NULL;}Finish=clock( );if(bingo==1){time = (double)(Finish-Start)*1000/CLOCKS_PER_SEC;eight_num *p;for (p=OK_leaf->parent;p!=NULL;p=p->parent){cout<<" ^\n";p->show();step++;}cout<<"Time cost:";cout<<time;cout<<"ms\n";cout<<"Totaly covered steps:";cout<<step;cout<<"\n";}elsecout<<"Fail to find!";return 0;}五、实验过程原始记录( 测试数据、图表、计算等)目标状态默认为1 2 3 8 0 4 7 6 5 .a)初始状态是3 2 1 8 0 4 7 6 5，用h作为启发函数结果都如下：b)初始状态是1 04 2 7 3 8 5 6，用h作为启发函数结果都如下：b)初始状态是1 0 3 8 2 4 7 6 5，用h作为启发函数结果都如下：六、实验结果、分析和结论其实在这次试验中我有很多不懂的地方。