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八数码问题的JAVA设计与实现(1)

2014-05-14 01:10 摘要 八数码问题（Eight-puzzle Problem）是人工智能中一个很典型的智力问题。 本文以状态空间搜索的观点讨论了八数码问题,给出了八数码问题的Java算法与实现的思想, 分析了A*算法的可采纳性等及系统的特点。关键词 九宫重排, 状态空间, 启发式搜索, A*算法1 引言 九宫重排问题（即八数码问题）是人工智能当中有名的难题之一。问题是在3×3方格盘上,放有八个数码,剩下一个位置为空,每一空格其上下左右的数码可移至空格。问题给定初始位置和目标位置,要求通过一系列的数码移动,将初始状态转化为目标状态(例如图1)。状态转换的规则：空格周围的数移向空格,我们可以看作是空格移动,它最多可以有４个方向的移动,即上、下、左、右。九宫重排问题的求解方法,就是从给定的初始状态出发,不断地空格上下左右的数码移至空格,将一个状态转化成其它状态,直到产生目标状态。图1 初始状态和目标状态 图2 逆序数的计算示例 许多学者对该问题进行了有益的探索[1,2,4,6]。给定初始状态,9个数在3×3中的放法共有９！＝362880种,其状态空间是相当大的。因此, 有必要考虑与问题相关的启发性信息来指导搜索,以提高搜索的效率。当然,还有个很重要的问题：每个初始状态都存在解路径吗？文献[5]给出了九宫重排问题是否有解的判别方法：九宫重排问题存在无解的情况,当遍历完所有可扩展的状态也没有搜索到目标状态就判断为无解。可以根据状态的逆序数来先验的判断是否有解,当初始状态的逆序数和目标状态的逆序数的奇偶性相同时,问题有解；否则问题无解。状态的逆序数是定义如下：把三行数展开排成一行,并且丢弃数字 0 不计入其中,ηi是第 i 个数之前比该数小的数字的个数,则 η=Σηi是该状态的逆序数,图2说明了逆序数计算的过程 。 本文介绍用JAVA编写九宫重排问题游戏。游戏规则是,可随机产生或由用户设置初始状态,由初始状态出发,不断地在空格上下左右的数码移至空格,若能排出目标状态,则成功。为了避免对无解节点进行无用搜索,首先对初始节点进行逆序数分析,对有解的节点进行搜索,从而节省了资源,也提高了效率。本文内容安排: 第2部分介绍几个相关的概念和A*算法以及可采纳性; 第3部分JAVA设计的基本思想和数据结构以及具体实现; 最后,分析系统的特点并总结全文。2 A*算法2．1 相关的概念 对于状态空间及状态空间的搜索,参考文献[1,2,4]给出了如下定义和定理: 定义1:状态:是描述问题求解过程中任一时刻状况的数据结构,一般用一组变量的有序组合表示：Sk=（Sk0,Sk1,…）当给每一个分量以确定的值时,就得到了一个具体的状态。 定义2：算符:引起状态中某些分量发生变化,从而使问题由一个状态变为另一个状态的操作称为算符。定义3：状态空间：由问题的全部状态及一可用算符所构成的集合称为问题的状态空间。一般用一个三元组表示：（S,F,G）。其中,S是问题所有初始状态的集合,F是算符的集合,G是问题所有目标状态的集合。 定义4：状态空间图:状态空间的图示形式称为状态空间图,其中,节点表示状态,有向边表示算符。 状态空间搜索的基本思想就是通过搜索引擎寻找一个操作算子的调用序列,使问题从初始状态变迁到目标状态之一,而变迁过程中的状态序列或相应的操作算子调用序列称为从初始状态到目标状态的解路径。搜索引擎可以设计为任意实现搜索算法的控制系统。2．2 A*算法以及可采纳性A*算法是一个很重要的启发式搜索算法。如果一般图搜索过程（见文献1,2）进行如下限制,则它就成为A*算法：（1） 把OPEN表中的节点按估价函数f(x)= g(x) h(x)的值从小到大进行排序； （2） g(x)是对g*(x)的估计,g(x)