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面向中國象棋的人機(jī)博弈系統(tǒng)研究

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面向中國象棋的人機(jī)博弈系統(tǒng)研究

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面向中國象棋的人機(jī)博弈系統(tǒng)研究

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版?素質(zhì)教育研究)

?JournalofHunanAgriculturalUniversity(SocialSciencesResearchonQualityEducation)

面向中國象棋的人機(jī)博弈系統(tǒng)研究

高建良

(華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

上海

200540)

要:主要研究了以下搜索算法,負(fù)極大值法,Alpha-Beta法,使用歷史啟發(fā)和置換表的Alpha-Beta法等。估值是象棋人工智能的重

要組成部分,估值函數(shù)的評估標(biāo)準(zhǔn)要看幾個方面:棋子的基本價值,棋子的靈活性還有棋子的威脅性和攻擊性。

關(guān)鍵詞:中國象棋;搜索算法;Alpha-Beta法;估值一、研究背景

深藍(lán)”與當(dāng)時的國際象棋1997年,IBM公司的超級計(jì)算機(jī)“

世界冠軍卡斯帕羅夫進(jìn)行了一場大肆渲染的比賽,這次被卡斯帕羅夫稱作“終于來臨的一天”的比賽以卡氏的失敗而告終。IBM公司將“深

第一文庫網(wǎng)

藍(lán)”的獲勝稱作是人工智能領(lǐng)域的一個里程碑。

人類對機(jī)器博弈的研究衍生了大量的研究成果,這些成果不但對人工智能的其它領(lǐng)域產(chǎn)生了重要影響,而且由此衍生而來的多種應(yīng)用,在諸如航空調(diào)度、天氣預(yù)報、資源勘探、軍事博弈,金融/經(jīng)濟(jì)調(diào)控等領(lǐng)域,也取得了大量引人矚目的成就。

在我國,中國象棋有著深厚的群眾基礎(chǔ),能把這項(xiàng)古老的國粹和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合,編制出超過人類智慧的中國象但由于中棋軟件,是許多研究中國象棋軟件人夢寐以求的目標(biāo)。

國象棋在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方面比國際象棋更加復(fù)雜,而且中國象棋博弈技術(shù)研究落后于國際象棋,所以中國象棋軟件還遠(yuǎn)未達(dá)到世界冠軍水平。但近年來通過許多中國象棋軟件編程愛好者和多個象棋開發(fā)團(tuán)隊(duì)的努力,使中國象棋軟件水平有長足的進(jìn)步,慢棋已達(dá)到業(yè)余大師水平,快棋可以和象棋大師對抗。

件實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜。

現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力仍然十分有限。不可能3.估值。

一直搜索到分出輸贏的那一步,在有限搜索深度的末端,我們可利用以下幾種靜態(tài)的方法,來估計(jì)局面的優(yōu)劣:

(1)棋子的基本價值。棋子的價值評估,簡單的說就是評估

雙方都有哪些棋子在棋盤上。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),可以讓一個車價值為

1000,一個馬價值為500,一個兵價值為100等等。將的價值為

無限大(通常用一個遠(yuǎn)大于其他棋子的數(shù))。一方的棋子總值就是棋盤上存活的該方棋子乘以棋子價值的和。

(2)棋子的位置。根據(jù)棋子所處的位置進(jìn)行估值。比如說,

過河兵的價值會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有過河的兵,當(dāng)頭炮一般來說會更有威脅。

(3)棋子的靈活性。棋子的靈活性是指棋子的活動范圍,通

常是越大越好。一匹不能動的馬很難在棋局中發(fā)揮重要作用;同樣,一個蹲在角落里的車也是價值不高的。

(4)棋子的關(guān)系評估。棋子間的關(guān)系也是估值的重要內(nèi)容

之一,我們可以將某個棋子被對方棋子威脅看成是一個不利的因素。

1.棋盤表示。棋盤表示就是使用一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述棋

一個典型的中國盤及棋盤上的棋子,通常是使用一個二維數(shù)組。

象棋棋盤是使用9×每一個元素代表棋盤上10的二維數(shù)組表示。的一個交點(diǎn)。一個沒有棋子的交點(diǎn)所對應(yīng)的元素是0,一個黑帥對應(yīng)的元素是1,黑士則用2表示等等,依此類推,棋盤的數(shù)據(jù)表示直接影響到程序的時間及空間復(fù)雜度。

(5)象棋專業(yè)知識加權(quán)。一個優(yōu)秀的估值還可以對特別的

情形加權(quán)。比如空心炮和三子歸邊等情形可以得到額外的加分。

4.搜索技術(shù)。對于計(jì)算機(jī)來說,直接通過棋盤信息判別走

法的好壞并不精確。除了輸贏這樣的局面可以可靠地判別外,其他的判斷都只能做到大致估計(jì)。判別兩種走法孰優(yōu)孰劣的一個好方法就是察看棋局走下去的結(jié)果。也就是向下搜索若干步,然后比較發(fā)展下去的結(jié)果。為了避免差錯,我們假定對手的思考也和我們一樣,也就是,我們想到的內(nèi)容,對手也想到了。這就是極大極小搜索算法的基本原則,極大極小搜索算法是本書中所有

2.走法產(chǎn)生。博弈的規(guī)則決定了哪些走法是合法的,走法

產(chǎn)生是博弈程序中一個相當(dāng)復(fù)雜而且耗費(fèi)運(yùn)算時間的方面。

在中國象棋中,一般情況下每一局面有20~60種走法,平均40種走法,而國際象棋平均只有35種走法,所以中國象棋軟

參考文獻(xiàn):

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[2]羅立勝.理工科學(xué)生外語學(xué)習(xí)行為模式的探討[J].外語與外語教

學(xué),2001,(9):31~33.

作者簡介:

鐘建玲(1973-),女,廣西昭平人,講師,研究方向:應(yīng)用語言學(xué),大學(xué)英語教學(xué)。

[3]朱菊芬.非英語專業(yè)新生英語學(xué)習(xí)現(xiàn)狀調(diào)查[J].外語界,2003,(1):

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搜索算法的基礎(chǔ)。在過去的幾十年中,一些相當(dāng)成功的改進(jìn)大大提高了極大極小搜索的效率。Alpha-Beta剪枝、置換表、歷史啟發(fā)等手段的綜合應(yīng)用將搜索效率提高了幾個數(shù)量級。

二、主流搜索算法

—極大極小算法。假定我們有一個函1.最基本的算法——

數(shù)可以為每一局面的優(yōu)劣評分。例如甲勝為+∞;乙勝為-∞;和局為0;其他的情形依據(jù)雙方剩余棋子的數(shù)量及位置評定-∞~+這樣我們可以建立一棵固定深度的搜索樹,∞之間的具體分?jǐn)?shù)。

其葉子節(jié)點(diǎn)不必是終了狀態(tài),而只是固定深度的最深一層的節(jié)點(diǎn),其值由上述函數(shù)評出;對于中間節(jié)點(diǎn),甲方取子節(jié)點(diǎn)的最大值,乙方取子節(jié)點(diǎn)的最小值。

幾乎所有的人在使用基本的極大極小算法時都選擇了深度優(yōu)先搜索方法。這樣可以在搜索過程中的任何時候僅僅生成整棵樹的一小部分,搜索過的部分被立即刪去。顯然,這個算法對內(nèi)存的要求極低,往往在內(nèi)存只有幾千字節(jié)的機(jī)器上也可以實(shí)現(xiàn)。并且同其他的選擇相比,速度上也并不遜色。深度優(yōu)先搜索極大極小樹的過程,可以表示為一個遞歸的形式。

差已達(dá)70倍之多。

置換表的效率隨層次加深而提高,在搜索深度為3層時,

Alpha-Beta+置換表同基本的Alpha-Beta搜索中評估的葉節(jié)點(diǎn)

數(shù)目相差約20%,到6層時此數(shù)目則相差達(dá)3倍。

隨著層數(shù)的加深,置換表的命中率逐漸提高,Alpha-Beta+置換表的速度從第4層開始超過基本的Alpha-Beta。而

NegaScout+置換表+歷史啟發(fā)也從第5層開始超越Alpha-Beta+

歷史啟發(fā)的速度。到第6層時其速度已是Alpha-Beta+歷史啟發(fā)的2.2倍。

歷史啟發(fā)表現(xiàn)出了極高的性能。同置換表相比,歷史啟發(fā)占用的運(yùn)算時間極少。就單項(xiàng)增強(qiáng)手段看來顯著地優(yōu)于其他方法。

三、估值函數(shù)實(shí)現(xiàn)

1.估值基礎(chǔ)

(1)棋子的價值評估。棋子的價值評估,簡單的說就是評估

雙方都有哪些棋子在棋盤上。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),可以讓一個車價值為500,一個馬價值為300,一個兵價值為100等等。將的價值為無限大(通常用一個遠(yuǎn)大于其他棋子的數(shù))。一方的棋子總值就是棋盤上存活的該方棋子乘以棋子價值的和。如果紅色的棋子價值總和大于黑色的棋子價值總和,通常這意味著紅方的局勢優(yōu)于黑方。

還可以加入一些其他的明顯規(guī)律,使估值函數(shù)的知識水平提高。例如,兵在棋局中的作用與其過河與否有很大的關(guān)系。一個過河兵的作用比未過河的兵對局勢的影響要大得多。顯然,我們可以把兵的價值根據(jù)其過河與否結(jié)合其他具體位置信息設(shè)計(jì)成動態(tài)的。

2.負(fù)極大值算法。負(fù)極大值算法的核心在于:父節(jié)點(diǎn)的值

是各子節(jié)點(diǎn)的值的負(fù)數(shù)的極大值。如要這個算法正確運(yùn)作,還要注意一點(diǎn)額外的東西。估值函數(shù)必須對誰走棋敏感,也就是說對于一個該紅方走棋的局面返回正的估值的話,則對于一個該黑方走棋的局面返回負(fù)的估值。初看上去,負(fù)極大值算法比極大極在算小值算法稍難理解,但事實(shí)上負(fù)極大值算法更容易被使用。法的原理上,這兩種算法完全等效。

3.Alpha-Beta搜索算法。將Alpha剪枝和Beta剪枝加入minimax搜索,就得到Alpha-Beta搜索算法。

Alpha-Beta搜索能夠讓我們忽略許多節(jié)點(diǎn)的搜索。對于每

一個被忽略的非葉子節(jié)點(diǎn)來說,這都意味著不僅節(jié)點(diǎn)本身,而且節(jié)點(diǎn)下面的子樹也被忽略掉了。這就導(dǎo)致了Alpha-Beta搜索需要遍歷的節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于極大極小算法所遍歷的節(jié)點(diǎn)。這也同時意味著對搜索同一棵樹來說,Alpha-Beta搜索所花費(fèi)的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于極大極小算法所花費(fèi)的時間。

同極大極小搜索算法一樣,Alpha-Beta搜索算法也有點(diǎn)繁瑣,我們不僅要在奇數(shù)層進(jìn)行al-pha剪枝,而且還要在偶數(shù)層進(jìn)行beta剪枝。不過只要將負(fù)極大值的形式套用上去,這樣在任何一層都只進(jìn)行beta剪枝,它就會同負(fù)極大值算法一樣簡潔。

隨著搜索深度的增加,Alpha-Beta搜索同負(fù)極大值搜索在時間耗費(fèi)上和搜索的葉節(jié)點(diǎn)數(shù)目上的差距在迅速增大。即使僅僅在第4層,二者在搜索效率上的差距也超過了20倍。

(2)棋子的靈活性與棋盤控制。棋子的靈活性是指棋子的

活動范圍,通常是越大越好。一匹不能動的馬很難在棋局中發(fā)揮重要作用;同樣,一個蹲在角落里的車也是價值不高的。

評估棋子的靈活性較為簡單,將一個棋子的所有合法走法羅列出來,乘上該種棋子每一可走步的價值就行了。

與靈活性評估類似,還可以評估博弈雙方對棋盤上位置的控制能力。在象棋中,如果某一位置落在某方棋子的合法走步上,就可以認(rèn)為被該方控制。如果某一位置同時落在雙方的合法走步上,我們可以根據(jù)雙方控制該位置的棋子數(shù)量及棋子價值來決定孰優(yōu)孰劣。能控制更多位置的一方應(yīng)在這項(xiàng)評分上占優(yōu)。

(3)棋子關(guān)系的評估。棋子間的關(guān)系也是估值的重要內(nèi)容

之一,我們可以將某個棋子被對方棋子威脅看成是一個不利的因素。例如紅車的位置在黑馬的合法走步當(dāng)中,此時我們可以把紅車的價值減去一個值(例如200)來刻畫這種情形。而如果紅馬在黑車的合法走步之中,而紅馬同時也在紅卒的合法走步之中,我們可以認(rèn)為紅馬置于紅卒的保護(hù)之下,沒有受到威脅,價值不變。

棋子關(guān)系的評估應(yīng)考慮到該誰走棋的問題。如果某個紅馬落在黑炮的合法走步之內(nèi),但此時輪到紅方走棋,應(yīng)認(rèn)為紅馬受

4.使用歷史啟發(fā)和置換表的Alpha-Beta的搜索算法。在

各種增強(qiáng)手段當(dāng)中,歷史啟發(fā)對于減少葉子節(jié)點(diǎn)數(shù)目有極大的作用。這也從另一方面證實(shí)了Alpha-Beta剪枝的效率對節(jié)點(diǎn)順序的極度敏感。當(dāng)置換表和歷史啟發(fā)共同作用時,節(jié)點(diǎn)數(shù)目進(jìn)一步下降了。搜索的最大深度到達(dá)6層的時候,NegaS-cout+置換表+歷史啟發(fā)同基本的Alpha-Beta搜索中評估的葉節(jié)點(diǎn)數(shù)目相

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到的威脅較輕。而如果此時輪到黑方走棋,就應(yīng)認(rèn)為紅馬受到的威脅很大,應(yīng)減去一個相對較大的值了。如果將被對方威脅,且輪到對方走棋,此時應(yīng)結(jié)束估值返回失敗的估值(通常是極大或極小值)。棋子間關(guān)系的評估可以在很大程度上提高估值的精度,通常是博弈估值的必備內(nèi)容。

容易戰(zhàn)勝;然而在考慮了棋子靈活性之后,就不會再出現(xiàn)孤炮進(jìn)入敵群子中的冒進(jìn)走法,估值比較完備,人工智能比較好。

2.不同搜索方式與搜索深度結(jié)果分析

Alpha-Beta搜索能夠讓我們忽略許多節(jié)點(diǎn)的搜索。對于每

一個被忽略的非葉子節(jié)點(diǎn)來說,這都意味著不僅節(jié)點(diǎn)本身,而且節(jié)點(diǎn)下面的子樹也被忽略掉了。這就導(dǎo)致了Alpha-Beta搜索需要遍歷的節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于極大極小算法所遍歷的節(jié)點(diǎn)。這也同時意味著對搜索同一棵樹來說,Alpha-Beta搜索所花費(fèi)的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于極大極小算法所花費(fèi)的時間。

選擇AlphaBetaSearchEngine,分別在1 ̄5層的深度上運(yùn)行,與負(fù)極大值的搜索引擎比較,就會發(fā)現(xiàn),在同樣的深度下,

2.估值核心的優(yōu)化

(1)估值函數(shù)的速度。在博弈樹搜索的過程中,估值核心所

花費(fèi)的運(yùn)算時間,對于搜索的速度有著至關(guān)重要的影響。隨著搜索層數(shù)的加深,葉子節(jié)點(diǎn)的數(shù)目迅速上升,估值函數(shù)被數(shù)以百萬次的調(diào)用,花費(fèi)了大量的運(yùn)算時間。如何提高估值函數(shù)的速度,也成了博弈性能改進(jìn)的重要話題。

(2)估值函數(shù)與博弈性能。在博弈程序的幾大主要部分

里,估值函數(shù)是與具體的棋類知識緊密結(jié)合的一部分?梢哉f估值函數(shù)在很大程度上決定了博弈程序的棋力高低。顯然,開發(fā)人員可以向估值函數(shù)加入大量的棋類知識,使之對于局面的評估更為精確,也可以使用簡單的估值函數(shù),以期能夠使估值的過程簡單而節(jié)省運(yùn)算時間,期望通過更深層的搜索可以使棋力提高。

一般來說過于簡單的估值函數(shù)和過于復(fù)雜的估值函數(shù)同樣性能不佳。在同等的知識含量下,速度越快,性能越高。在同等速度之下,知識量越大性能越高。在速度和知識量二者的相互作用下,開發(fā)者要尋找的是一種平衡,是能夠使性能最大化的速度和知識量。

四、結(jié)果分析

Alpha-Beta搜索引擎的搜索速度快得多。而且,對于同樣的局

面,在同樣的搜索深度下,二者找到的最佳走法完全一樣。

五、結(jié)束語

1.總結(jié)

本文對中國象棋的兩個關(guān)鍵技術(shù):搜索技術(shù)與估值函數(shù)進(jìn)行了研究,并對不同的搜索技術(shù)與不同估值函數(shù)帶來的不同結(jié)果進(jìn)行了分析,通過分析得出了這些技術(shù)對中國象棋的適合程度。

2.需要繼續(xù)研究及有待解決的問題

(1)估值函數(shù)。在開發(fā)的系統(tǒng)中估值函數(shù)考慮的因素還不

夠全,很多看似細(xì)小的因素在實(shí)戰(zhàn)中其實(shí)影響很大;估值方法中還沒有引進(jìn)歷史知識,棋譜庫沒有建立,無法跟據(jù)棋譜中已有下法來調(diào)整估值結(jié)果;沒有加入經(jīng)驗(yàn)值,如空心炮等大家公認(rèn)為有利的局面帶來的附加值等等。

1.不同估值方式結(jié)果分析。如果將靈活性的賦值都?xì)w0,

并且將循環(huán)統(tǒng)計(jì)掃描的數(shù)據(jù)(有關(guān)威脅性)去掉,則估值函數(shù)很簡單,下出的棋子很幼稚,現(xiàn)以當(dāng)頭炮走法為例,則電腦走法:紅(人)炮二平五、黑(電腦)車1進(jìn)1、紅炮五進(jìn)四、黑車1平2。

如果將靈活性的賦值都?xì)w0,而將循環(huán)統(tǒng)計(jì)掃描的數(shù)據(jù)(有關(guān)威脅性)加上,電腦智能一般,仍以當(dāng)頭炮為例,走法如下:紅(人)炮二平五、黑(電腦)炮2進(jìn)7、紅炮五進(jìn)四、黑馬2進(jìn)3。

如果將靈活性的因素考慮進(jìn)去,并且將循環(huán)統(tǒng)計(jì)掃描的數(shù)據(jù)(有關(guān)威脅性)加上,電腦智能不錯,仍以當(dāng)頭炮為例,走法如下:紅(人)炮二平五、黑(電腦)馬2進(jìn)3。

通過上述3次改變的比較,我們可以看出只考慮棋子的基本價值,估值函數(shù)會漏洞很多,導(dǎo)致電腦人工智能很差;考慮了棋子的位置和威脅性,雖然比上一種進(jìn)步許多,但是走招比較激進(jìn),只考慮了棋子威脅和全局的得分,不靈活,人工智能一般,很

(2)搜索算法。搜索算法在兩個平臺中沒有得到很好的體

現(xiàn),在系統(tǒng)的研究中因?yàn)樗阉魃疃纫话悴皇呛艽螅阉魉惴◣淼挠绊懞茈y通過實(shí)驗(yàn)得出精確結(jié)論;沒有加入殘局庫,無法在某些應(yīng)該有輸贏結(jié)論的局面下得出完全正確的下法。

參考文獻(xiàn):

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作者簡介:

高建良(1963-),男,講師,碩士,教研室主任。

2007年11月高等教育

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