Алгоритмы эвристического поиска
Лекция 3: Методы решения задач
В1. Методы решения задач. Общая характеристика.
Функционирование многих ИС носит целенаправленный характер (примером могут служить автономные интеллектуальные роботы). Типичным актом такого функционирования является решение задачи планирования пути достижения нужной цели из некоторой фиксированной начальной ситуации. Результатом решения задачи должен быть план действий - частично-упорядоченная совокупность действий. Такой план напоминает сценарий, в котором в качестве отношения между вершинами выступают отношения типа: "цель-подцель" "цель-действие", "действие-результат" и т. п. Любой путь в этом сценарии, ведущий от вершины, соответствующей текущей ситуации, в любую из целевых вершин, определяет план действий.
Поиск плана действий возникает в ИС лишь тогда, когда она сталкивается с нестандартной ситуацией, для которой нет заранее известного набора действий, приводящих к нужной цели. Все задачи построения плана действий можно разбить на два типа, которым соответствуют различные модели: планирование в пространстве состояний (SS-проблема) и планирование в пространстве задач (PR-проблема).
В первом случае считается заданным некоторое пространство ситуаций. Описание ситуаций включает состояние внешнего мира и состояние ИС, характеризуемые рядом параметров. Ситуации образуют некоторые обобщенные состояния, а действия ИС или изменения во внешней среде приводят к изменению актуализированных в данный момент состояний. Среди обобщенных состояний выделены начальные состояния (обычно одно) и конечные (целевые) состояния. SS-проблема состоит в поиске пути, ведущего из начального состояния в одно из конечных. Если, например, ИС предназначена для игры в шахматы, то обобщенными состояниями будут позиции, складывающиеся на шахматной доске. В качестве начального состояния может рассматриваться позиция, которая зафиксирована в данный момент игры, а в качестве целевых позиций - множество ничейных позиций. Отметим, что в случае шахмат прямое перечисление целевых позиций невозможно. Матовые и ничейные позиции описаны на языке, отличном от языка описания состояний, характеризуемых расположением фигур на полях доски. Именно это затрудняет поиск плана действий в шахматной игре.
|
|
|
При планировании в пространстве задач ситуация несколько иная. Пространство образуется в результате введения на множестве задач отношения типа: "часть - целое", "задача - подзадача", "общий случай - частный случай" и т. п. Другими словами, пространство задач отражает декомпозицию задач на подзадачи (цели на подцели). PR-проблема состоит в поиске декомпозиции исходной задачи на подзадачи, приводящей к задачам, решение которых системе известно. Например, ИС известно, как вычисляются значения sin x и cos x для любого значения аргумента и как производится операция деления. Если ИС необходимо вычислить tg x, то решением PR-проблемы будет представление этой задачи в виде декомпозиции tgx=sin x/cos x (кроме х= /2+k ).
|
|
|
В2. Решение задач методом поиска в пространстве состояний.
Представление задач в пространстве состояний предполагает задание ряда описаний: состояний, множества операторов и их воздействий на переходы между состояниями, целевых состояний. Описания состояний могут представлять собой строки символов, векторы, двухмерные массивы, деревья, списки и т. п. Операторы переводят одно состояние в другое. Иногда они представляются в виде продукций A=>B, означающих, что состояние А преобразуется в состояние В.
Пространство состояний можно представить как граф, вершины которого помечены состояниями, а дуги - операторами.
Таким образом, проблема поиска решения задачи <А,В> при планировании по состояниям представляется как проблема поиска на графе пути из А в В. Обычно графы не задаются, а генерируются по мере надобности.
|
|
|
Методы поиска решений в пространстве состояний начнем рассматривать с простой задачи о миссионерах и людоедах. Три миссионера и три людоеда находятся на левом берегу реки и им нужно переправиться на правый берег, однако у них имеется только одна лодка, в которую могут сесть лишь 2 человека. Поэтому необходимо определить план, соблюдая который и курсируя несколько раз туда и обратно, можно переправить всех шестерых. Однако если на любом берегу реки число миссионеров будет меньше, чем число людоедов, то миссионеры будут съедены. Решения принимают миссионеры, людоеды их выполняют.
Основой метода являются следующие этапы.
1. Определяется конечное число состояний, одно из состояний принимается за начальное и одно или несколько состояний определяются как искомое (конечное, или терминальное). Обозначим состояние S тройкой S=(x,y,z), где x и y - число миссионеров и людоедов на левом берегу, z= {L,R} - положение лодки на левом (L) или правом (R) берегах. Итак, начальное состояние S0=(3,3, L ) и конечное (терминальное) состояние Sk=(0,0, R ).
2. Заданы правила перехода между группами состояний. Введем понятие действия M:[u, v]w, где u - число миссионеров в лодке, v - число людоедов в лодке,w - направление движения лодки (R или L).
|
|
|
3. Для каждого состояния заданы определенные условия допустимости (оценки) состояний: x 
y;3-x 3-y ; u+v 
2.
4. После этого из текущего (исходного) состояния строятся переходы в новые состояния, показанные нарис. 3.1. Два новых состояния следует сразу же вычеркнуть, так как они ведут к нарушению условий допустимости (миссионеры будут съедены).
5. При каждом переходе в новое состояние производится оценка на допустимость состояний и если при использовании правила перехода для текущего состояния получается недопустимое состояние, то производится возврат к тому предыдущему состоянию, из которого было достигнуто это текущее состояние. Эта процедура получила название бэктрекинг (bac tracing или BACKTRACK).
Рис. 3.1. Переходы из исходного состояния
Рис. 3.2. Метод поиска в пространстве состояний
Различаются слепые и направленные методы поиска пути. Слепой метод имеет два вида: поиск вглубь и поиск вширь. При поиске вглубь каждая альтернатива исследуется до конца, без учета остальных альтернатив. Метод плох для "высоких" деревьев, так как легко можно проскользнуть мимо нужной ветви и затратить много усилий на исследование "пустых" альтернатив. При поиске вширь на фиксированном уровне исследуются все альтернативы и только после этого осуществляется переход на следующий уровень. Метод может оказаться хуже метода поиска вглубь, если в графе все пути, ведущие к целевой вершине, расположены примерно на одной и той же глубине. Оба слепых метода требуют большой затраты времени и поэтому необходимы направленные методы поиска.
Алгоритмы эвристического поиска
В рассмотренных примерах поиска решений число состояний невелико, поэтому перебор всех возможных состояний не вызвал затруднений. Однако при значительном числе состояний время поиска возрастает экспоненциально, и в этом случае могут помочь алгоритмы эвристического поиска, которые обладают высокой вероятностью правильного выбора решения. Рассмотрим некоторые из этих алгоритмов.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 402; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!