P&D 过河游戏智能帮助实现

实现状态图的自动生成
讲解图数据在程序中的表示方法
利用算法实现下一步的计算

对于过河游戏，首先需要知道其中各个状态之间的转换关系，绘制状态转移图如下：

其中，P代表出发岸上的牧师，D代表出发岸上的恶魔，加号和减号分别标识船停在出发一侧的岸上还是终点一侧的岸边。则黄色框代表起始的状态，此时出发岸上有三个牧师和三个恶魔，船停在出发一侧的岸上；红色框代表游戏终止时的状态，此时为胜利状态，出发岸上没有牧师和恶魔，船停在终点一侧的岸边。双箭头表示两个状态间可以相互转移。

“sense-think-act” paradigm（范式）是构造 agent、robot、NPC（Non-Player Character）的基础概念。自从上世纪80年代提出以来，我们使用 Sense-Think-Act 范例思考机器人如何工作，并设计它们。即使机器人最终设计的方式不同，STA 通常仍然是一个有用的开始。随着机器人技术的发展，协同技术越来越重要，机器人之间的 “Communicate”通常也纳入设计之中。本节主要关注 NPC 如何产生看似理性（Rational）的行为（模拟人）的设计方法。

根据以上的状态转移图，首先完成“感知”部分的设计：

感知是 agent 接收世界信息的行为，其获取的数据将是思考的输入。在游戏中，程序是可以获得游戏世界任意信息的，设计一个“干死”玩家的算法通常是比较容易的，因此如何限制信息获取是设计不同级别 agent 的核心问题。

在游戏中，定义获取信息能力通常可以从视觉、听觉和嗅觉等渠道去考虑：

视觉（Vision）

识别“敌人”的位置和属性

识别“障碍物”及其范围

听觉（Sound）
识别事件的方向和距离

嗅觉（Smell）
获得玩家/事件的痕迹

在这里，我使用最简单的方法让游戏智能体感知到应该作出下一步决策，就是增加一个按钮，每当玩家点击这个按钮，游戏智能体就会改变当前的状态并作出对应的改变。

相关的代码如下：

 void OnGUI() {if (result == 0 && GUI.Button(new Rect(Screen.width/2-70, Screen.height/2 - 70, 120, 60), "Next", bStyle))action.nextMove();if (result != 0 && GUI.Button(new Rect(Screen.width/2-70, Screen.height/2 - 130, 120, 60), "Replay", bStyle)) {result = 0;action.replay();}if (result == 1)GUI.Label(new Rect(Screen.width/2-50, Screen.height/2-190, 100, 50), "You lose!", style);else if(result == 2)GUI.Label(new Rect(Screen.width/2-60, Screen.height/2-190, 100, 50), "You win!", style);}

以上代码增加了一个“next”按钮，当游戏未结束且用户点击此按钮时，执行nextMove，完成下一步移动。

接着完成“思考”的部分，需要使游戏智能体作出下一步走向哪一状态的决策：

Think 就是算法，它的输入是感知的数据，输出是行为（behaviours）。思考的算法，通常就是我们所说的游戏规则的一部分，即 agent 能做什么，该做什么。通常这不是程序员的工作，而是游戏设计师的工作。游戏 agent 的思考类似人脑的决策过程，这其中的关键不是打造最强大脑，而是建立符合游戏玩家难度曲线，可以控制、且符合社会准则的行为。另一个相关问题，玩家难度曲线在编程阶段是未知的，依赖众多玩家与 agent 的操作与对抗结果。它在游戏测试和运维过程中存在巨大不确定性（在数据驱动的设计和集成脚本引擎等章节中讨论解决方案）。

过程中，比较重要的点就是表示状态。

public enum BoatAct { P, D, PP, DD, PD };public struct Next {public BoatAct boatAct;
}

因为在每一步决策时，智能体只需要决定向船上放若干个人物，所以船的状态就只有五种，用结构体Next来存储船的状态。

        int from_P, from_D, direction = boat.direction;int[] fromNum = fromBank.getNum();from_P = fromNum[0];from_D = fromNum[1];

以上代码用来获取出发岸上的人物数量，可以通过getNum函数即时获取，因此不需要额外的数组来存储，并且因为人物数量恒定，只需一侧岸边的人物数量就可以推出另一边的；diection变量用来表示船的行驶方向，这里也可以直接获取。

船的方向以及岸边的人物数量构成了每一步的状态空间，船上的人物数量构成了每一步的决策状态空间。

为了符合以上说明，使游戏智能体的决策具有一定的不确定性，这里增加一个随机决策的函数：

    private int randomValue() {float a = Random.Range(0f, 1f);if (a <= 0.5f) return 1;else return 2;}

当可行的状态空间有两个时，智能体随机选择其中一个状态转移。

接下来是“思考”部分最关键的步骤，即作出下一步决策：

    public void GetNextPassager() {int from_P, from_D, direction = boat.direction;int[] fromNum = fromBank.getNum();from_P = fromNum[0];from_D = fromNum[1];if (from_P == 3 && from_D == 3 && direction == 1) {int turn = randomValue();if (turn == 1) next.boatAct = BoatAct.PD;else next.boatAct = BoatAct.DD;}else if (direction == -1 && from_P == 2 && from_D == 2) next.boatAct = BoatAct.P;else if (direction == -1 && from_P == 3 && from_D == 2) next.boatAct = BoatAct.D;else if (direction == -1 && from_P == 3 && from_D == 1) next.boatAct = BoatAct.D;else if (direction == 1 && from_P == 3 && from_D == 2) next.boatAct = BoatAct.DD;else if (direction == -1 && from_P == 3 && from_D == 0) next.boatAct = BoatAct.D;else if (direction == 1 && from_P == 3 && from_D == 1) next.boatAct = BoatAct.PP;else if (direction == -1 && from_P == 1 && from_D == 1) next.boatAct = BoatAct.PD;else if (direction == 1 && from_P == 2 && from_D == 2) next.boatAct = BoatAct.PP;else if (direction == -1 && from_P == 0 && from_D == 0) next.boatAct = BoatAct.D;else if (direction == 1 && from_P == 0 && from_D == 3) next.boatAct = BoatAct.DD;else if (direction == -1 && from_P == 0 && from_D == 1) {if (randomValue() == 1) next.boatAct = BoatAct.D;else next.boatAct = BoatAct.P;}else if (direction == -1 && from_P == 0 && from_D == 2) next.boatAct = BoatAct.D;else if (direction == 1 && from_P == 2 && from_D == 1) next.boatAct = BoatAct.P;else if (direction == 1 && from_P == 0 && from_D == 2) next.boatAct = BoatAct.DD;else if (direction == 1 && from_P == 1 && from_D == 1) next.boatAct = BoatAct.PD;}

此函数通过对不同的状态进行判断并作出相应的决策。

最后则要完成“行为”部分。当智能体作出决策时，需要指挥相应的游戏对象完成状态的改变。

行动（Act）将思考（Think）的结果作为输入，该部分的任务就是使得 agent 行为更符合物理世界的规律，使得“心想事成”这样理想的结果变得不确定。

首先增加变量status，用来表示船的状态改变：

   private int status;

status为0时人物上船，为1时船从一侧岸边到另一侧，为2时人物下船。这样可以避免状态间的转换太过生硬，保证转换时仍有人物的动作。

    public void nextMove() {int direction = boat.direction;ICharacterController p, d;if (status == 0) {GetNextPassager();if (direction == 1 && next.boatAct == BoatAct.PP) {p = fromBank.findCharacter(0);moveCharacter(p);p = fromBank.findCharacter(0);moveCharacter(p);}else if (direction == 1 && next.boatAct == BoatAct.P) {p = fromBank.findCharacter(0);moveCharacter(p);}else if (direction == 1 && next.boatAct == BoatAct.PD) {p = fromBank.findCharacter(0);moveCharacter(p);d = fromBank.findCharacter(1);moveCharacter(d);}else if (direction == 1 && next.boatAct == BoatAct.D) {d = fromBank.findCharacter(1);moveCharacter(d);}else if (direction == 1 && next.boatAct == BoatAct.DD) {d = fromBank.findCharacter(1);moveCharacter(d);d = fromBank.findCharacter(1);moveCharacter(d);}else if (direction == -1 && next.boatAct == BoatAct.PP) {p = toBank.findCharacter(0);moveCharacter(p);p = toBank.findCharacter(0);moveCharacter(p);}else if (direction == -1 && next.boatAct == BoatAct.P) {p = toBank.findCharacter(0);moveCharacter(p);}else if (direction == -1 && next.boatAct == BoatAct.PD) {p = toBank.findCharacter(0);moveCharacter(p);d = toBank.findCharacter(1);moveCharacter(d);}else if (direction == -1 && next.boatAct == BoatAct.D) {d = toBank.findCharacter(1);moveCharacter(d);}else if (direction == -1 && next.boatAct == BoatAct.DD) {d = toBank.findCharacter(1);moveCharacter(d);d = toBank.findCharacter(1);moveCharacter(d);}if (direction == 1) direction = -1;else direction = 1;status = 1;}else if (status == 1) {moveBoat();status = 2;}else if (status == 2) {ICharacterController[] pass = boat.getRoles();for (int i = 0; i < pass.Length; i++)if (pass[i] != null) moveCharacter(pass[i]);status = 0;}}

以上函数完成了状态转移相关的动作，通过moveBoat函数和moveCharacter函数来操纵人物和船体的动作。

    public void moveBoat() {int i;for (i = 0; i < boat.roles.Length; i++)if (boat.roles[i] != null) break;if (i == boat.roles.Length) return;boat.Move();int[] fromNum = fromBank.getNum();int[] toNum = toBank.getNum();int[] boatNum = boat.getNum();int direction = boat.direction;GUI.result = gameover.check(fromNum, toNum, boatNum, direction);}public void moveCharacter(ICharacterController role) {BankController bank;Vector3 t, pos;if (role.onBoat) {if (boat.direction == -1) bank = toBank;else bank = fromBank;boat.getOff(role.role.name);t = bank.pos[bank.emptyNum()];t.x *= bank.direction;role.moveable.destination(t);role.getOn(bank);bank.getOn(role);}else {bank = role.bank;if (boat.emptyNum() == -1) return;if (bank.direction != boat.direction) return;bank.getOff(role.role.name);int e = boat.emptyNum();if (boat.direction == -1) pos = boat.to_pos[e];else pos = boat.from_pos[e];role. moveable.destination(pos);role.getOn(boat);boat.getOn(role);}int[] fromNum = fromBank.getNum();int[] toNum = toBank.getNum();int[] boatNum = boat.getNum();int direction = boat.direction;GUI.result = gameover.check(fromNum, toNum, boatNum, direction);}

综上，利用“感知-思考-行为”模型完成了过河游戏的智能实现。

游戏效果如下：

游戏视频

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