前回の「深さ優先探索」の続きです。
『Javaによる知能プログラミング入門』の「2.探索とパターン照合」にある分岐限定法のソースコードをPythonで実装してみました。
有向グラフとして表現されている状態空間の、初期状態から目標状態までの探索を行います。
ノード間の□の中の数字は、各ノード間のコストを表します。
分岐限定法では、コストが最も小さいノードからたどっていきます。
ポイントはソースコードの次の部分です。 ノードのg_valueは、初期状態からそのノードへの最小コストを表します。
# node を展開して子節点をすべて求める
for m in node.children:
# 子節点mがopenにもclosedにも含まれていなければ
if m not in open and m not in closed:
# m から node へのポインタを付ける．
m.pointer = node
# nodeまでの評価値とnode->mのコストを足したものをmの評価値とする
m.g_value = node.g_value + node.get_cost(m)
open.append(m)
# 子節点mがopenに含まれているならば，
if m in open:
gmn = node.g_value + node.get_cost(m)
if gmn < m.g_value:
m.g_value = gmn
m.pointer = node
# Nodeをg_valueの昇順（小さい順）に列べ換える
sort_upper_by_g_value(open)
探索するノードが見つかると、g_valueを計算します。
そして、g_valueでソートしてコストの小さいものから探索します。
#! /usr/bin/python
# -*- coding: Shift_JIS -*-
def printNodes(nodes):
"""
Nodeのリストの出力用文字列を作成する
nodes Nodeのリスト
"""
return map(str, nodes)
class Node(object):
def __init__(self, name):
self.name = name
self.children = [] #遷移できるノードのリスト
self.children_costs = {} #<Node, Integer>
self.pointer = None #解表示のためのポインタ
self.__g_value = 0 # コスト
self.has_g_value = False
def get_g_value(self):
return self.__g_value
def set_g_value(self, value):
self.has_g_value = True
self.__g_value = value
g_value = property(get_g_value, set_g_value)
def add_child(self, child, cost):
"""
@param child: この節点の子節点
@param cost: その子節点までのコスト
"""
self.children.append(child)
self.children_costs[child] = cost
def get_cost(self, child):
"""
子節点までのコストを取得する
@param child: この節点の子節点
@return: 子節点までのコスト
"""
return self.children_costs[child]
def __str__(self):
result = self.name
if self.has_g_value:
result = "%s(g:%d)" % (result, self.__g_value)
return result
def nodes_str(nodes):
"""
Nodeのリストの出力用文字列を作成する
@param nodes: Nodeのリスト
"""
return map(str, nodes)
def make_state_space():
"""
状態空間の生成
@return: ノードのリストを返す。
"""
node = [Node("L.A.Airport"),
Node("UCLA"),
Node("Hoolywood"),
Node("Anaheim"),
Node("GrandCanyon"),
Node("SanDiego"),
Node("Downtown"),
Node("Pasadena"),
Node("DisneyLand"),
Node("Las Vegas")]
node[0].add_child(node[1],1)
node[0].add_child(node[2],3)
node[1].add_child(node[2],1)
node[1].add_child(node[6],6)
node[2].add_child(node[3],6)
node[2].add_child(node[6],6)
node[2].add_child(node[7],3)
node[3].add_child(node[4],5)
node[3].add_child(node[7],2)
node[3].add_child(node[8],4)
node[4].add_child(node[8],2)
node[4].add_child(node[9],1)
node[5].add_child(node[1],1)
node[6].add_child(node[5],7)
node[6].add_child(node[7],2)
node[7].add_child(node[8],3)
node[7].add_child(node[9],7)
node[8].add_child(node[9],5)
return node
def print_solution(node):
"""
解の表示
"""
if node.pointer == None:
print node
else:
print node, "<-",
print_solution(node.pointer)
def sort_upper_by_g_value(open):
"""
Nodeをg_valueの昇順（小さい順）に列べ換える
@param open: Nodeのリスト
"""
def g_value_compare(x, y):
return x.g_value - y.g_value
open.sort(g_value_compare)
def branch_and_bound(start, goal):
"""
分岐限定法
@param start: 探索開始ノード
@param goal: 探索終了ノード
"""
open = [start] #探索予定のノードのリスト
start.g_value = 0
closed = [] #探索を終了したノードのリスト
success = False
step = 0
while 1:
step += 1
print "STEP:", step
print "OPEN:", nodes_str(open)
print "closed:", nodes_str(closed)
if len(open) == 0:
success = False
break
node = open.pop(0)
if node == goal:
success = True
break
closed.append(node)
# node を展開して子節点をすべて求める．
for m in node.children:
# 子節点mがopenにもclosedにも含まれていなければ，
if m not in open and m not in closed:
# m から node へのポインタを付ける．
m.pointer = node
# nodeまでの評価値とnode->mのコストを足したものをmの評価値とする
m.g_value = node.g_value + node.get_cost(m)
open.append(m)
# 子節点mがopenに含まれているならば，
if m in open:
gmn = node.g_value + node.get_cost(m)
if gmn < m.g_value:
m.g_value = gmn
m.pointer = node
# Nodeをg_valueの昇順（小さい順）に列べ換える
sort_upper_by_g_value(open)
if success:
print "*** Solution ***"
print_solution(goal)
if __name__ == "__main__":
nodes = make_state_space()
branch_and_bound(nodes[0], nodes[-1])