Negascout (PVS) 在Othello AI 中的高效实现与常见陷阱-Python教程-PHP中文网

Negascout (PVS) 在Othello AI 中的高效实现与常见陷阱

Negascout（主变搜索）旨在优化Alpha-Beta剪枝，但在Othello AI中若实现不当可能适得其反。本文将深入探讨如何通过统一的NegaMax函数、优化走法排序（如迭代加深）以及正确设置剪枝窗口来高效实现PVS，并提供调试策略，以确保其性能优势。

1. 理解Negascout与NegaMax原理

主变搜索（pvs），也称为negascout，是minimax算法的一种高级优化，它基于alpha-beta剪枝，通过更积极地利用“空窗口”搜索来减少节点访问。其核心思想是，在探索某个节点时，首先假设最好的走法会落在当前已知的最佳范围内（即一个非常窄的窗口），如果这个假设成立，则无需进行全窗口搜索；如果假设不成立，才需要进行全窗口重搜。

在实现PVS时，将Minimax的max_step和min_step函数统一为单个negamax函数是业界推荐的最佳实践。这种NegaMax范式通过将所有玩家的评估值都转换为当前玩家的视角（即始终最大化当前玩家的得分），极大地简化了代码逻辑，并降低了出错的风险。

NegaMax实现要点：

统一评估函数： 棋盘评估函数应始终返回当前玩家的得分。如果对手的得分为X，则当前玩家的得分为-X。
递归调用： 在递归调用时，将评估值的符号反转，并将Alpha和Beta值互换并取负。

以下是一个NegaMax函数的基本结构示例：

def negamax(board, depth, alpha, beta, player_color):
    """
    NegaMax算法实现。
    player_color: 当前玩家的颜色，例如 +1 代表 'x'，-1 代表 'o'。
    """
    if game_end(board):
        # 游戏结束，返回当前玩家的最终得分
        return score_end(board) * player_color
    if depth == 0:
        # 达到搜索深度，返回当前玩家的启发式得分
        return score(board) * player_color

    max_score = -float('inf')

    # 获取当前玩家所有可能的走法，并进行初步排序
    # 这一步对于PVS的效率至关重要
    moves = find_legal_moves(board, player_color)
    if not moves: # 如果没有合法走法，直接跳过当前玩家
        # 切换到对手，深度减1，递归调用
        return -negamax(board, depth - 1, -beta, -alpha, -player_color)

    # 假设这里已经对moves进行了排序，最佳走法在前
    for i, move in enumerate(sorted_moves): # sorted_moves是经过排序的走法列表
        new_board = make_move(board, move, player_color)

        score = 0
        if i == 0: # 第一个走法（主变）进行全窗口搜索
            score = -negamax(new_board, depth - 1, -beta, -alpha, -player_color)
        else: # 其他走法进行空窗口搜索
            # 使用窄窗口 [alpha, alpha + 1] 进行探测
            score = -negamax(new_board, depth - 1, -alpha - 1, -alpha, -player_color)
            if alpha < score < beta: # 如果探测结果落在原始窗口内，则需要进行全窗口重搜
                score = -negamax(new_board, depth - 1, -beta, -score, -player_color) # 注意这里的-score

        max_score = max(max_score, score)
        alpha = max(alpha, max_score)

        if alpha >= beta: # Beta剪枝
            break

    return max_score

# 初始调用示例
# find_next_move 函数将遍历所有根节点走法，并调用 negamax
def find_next_move(board, token, depth):
    best_move = None
    best_score = -float('inf') if token == 'x' else float('inf') # 初始值取决于当前玩家
    player_color = 1 if token == 'x' else -1

    legal_moves = find_legal_moves(board, player_color)

    # 对根节点走法进行初步排序
    # ...

    for move in legal_moves:
        new_board = make_move(board, move, player_color)
        # 对于根节点，始终进行全窗口搜索
        current_score = -negamax(new_board, depth - 1, -float('inf'), float('inf'), -player_color)

        if token == 'x': # 玩家 'x' 寻求最大化
            if current_score > best_score:
                best_score = current_score
                best_move = move
        else: # 玩家 'o' 寻求最小化 (但由于NegaMax，我们也将其视为最大化其负值)
            # 在根节点层，如果直接返回 negamax 结果，需要根据 player_color 调整
            # 或者在 negamax 内部处理，使其始终返回当前玩家的绝对分数
            # 简化起见，这里假设 negamax 总是返回当前玩家的“正面”分数
            # 实际上，这里需要根据 player_color 再次转换
            # 如果 negamax 返回的是当前 player_color 的得分，那么对于 'o' 玩家，需要找最小
            # 重新考虑：如果 negamax 返回的是当前调用者的得分，则 find_next_move 应该根据 token 决定是 max 还是 min
            # 更好的方式是让 negamax 始终返回 player_color 的得分，find_next_move 总是找 max
            # 因此，这里需要对 'o' 玩家的 current_score 取负，因为 negamax 是以当前调用者的视角
            if token == 'o':
                current_score = -current_score # 将 'o' 玩家的得分转换为 'x' 玩家的视角

            if current_score > best_score: # 总是找最大值
                best_score = current_score
                best_move = move

    return best_move

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请注意，find_legal_moves, make_move, game_end, score_end, score 等函数需要根据您的Othello实现来定义。

2. 关键优化：走法排序

PVS的性能提升高度依赖于走法的排序质量。如果第一个走法（主变）不是最佳走法，那么空窗口搜索将失败，导致需要进行全窗口重搜，这会抵消PVS带来的优势，甚至可能比标准的Alpha-Beta更慢。

提升走法排序的方法：

启发式评估： 在生成走法后，使用一个快速的启发式函数对每个走法进行初步评估，然后按评估值降序排列。这是最直接且有效的方法。
迭代加深（Iterative Deepening）： 这是一个非常强大的技术。它通过从浅层（例如深度1）开始搜索，逐步增加搜索深度（深度2，深度3...），并将前一深度搜索得到的最佳走法（即主变）作为当前深度搜索的第一个走法。这通常能提供一个非常好的主变预测，从而最大化PVS的剪枝效率。
杀手走法（Killer Move Heuristic）： 记录在同一层深度但不同节点下导致Beta剪枝的走法。这些走法很有可能在其他兄弟节点中也是好的走法，可以优先尝试。在Othello中，杀手走法的有效性可能不如国际象棋等游戏，但仍值得尝试。

3. PVS剪枝窗口的正确设置

PVS的核心在于其独特的剪枝窗口策略：

先见AI

数据为基，先见未见

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主变搜索（Principal Variation Search）： 对于第一个（被认为是最佳的）走法，使用标准的Alpha-Beta窗口 [alpha, beta] 进行全窗口搜索。
空窗口探测（Null Window Search）： 对于后续的走法，使用一个非常窄的窗口 [alpha, alpha + 1] 进行探测。这个窗口被称为“空窗口”，因为它只检查当前走法是否能达到至少 alpha + 1 的分数。
- 如果探测结果 score >= alpha + 1，说明这个走法可能比当前已知的最佳走法更好，或者至少与它一样好，并且它打破了空窗口的上限。此时，需要进行全窗口重搜，使用 [score, beta]（或 [alpha, beta]，具体取决于实现）作为新的窗口，以精确评估其真实分数。
- 如果探测结果 score <= alpha，说明这个走法不如当前已知的最佳走法，可以直接剪枝，无需重搜。

如果剪枝窗口设置不正确，例如在应该进行空窗口探测时进行了全窗口搜索，或者在空窗口探测失败后没有进行正确的重搜，PVS的性能会急剧下降，甚至可能导致算法比Alpha-Beta更慢，因为重复计算了许多节点。

4. 调试与验证

当PVS实现后发现性能不佳或结果错误时，以下调试策略非常有用：

创建受控测试用例：
- 选择一个走法数量较少（例如3-4步即可决出胜负）的棋盘局面。
- 手动分析这个局面，确定最佳走法和预期分数。
- 使用这个局面作为输入，逐步跟踪代码执行。
逐层跟踪执行：
- 在PVS函数内部，打印当前的 depth、alpha、beta 值、当前正在评估的 move 以及其返回的 score。
- 特别关注 alpha 和 beta 值的变化，以及何时发生剪枝。
- 检查空窗口探测后是否正确地进行了重搜，以及重搜的窗口是否正确。
检查常见错误：
- 符号错误： NegaMax中 alpha 和 beta 的取反、互换以及递归调用结果的取反是常见的出错点。例如，score = -negamax(..., -beta, -alpha, ...)。
- 边界条件： depth == 0 和 game_end 的处理是否正确。
- 剪枝逻辑： if alpha >= beta: break 是否正确放置。
- 走法排序： 确保排序函数确实按照预期工作，并且在PVS中优先评估了最佳走法。
- 空窗口重搜： 确保 if alpha < score < beta: 条件下的重搜窗口是 [-beta, -score] 或 [-beta, -alpha]，并且 score 确实是空窗口探测的结果。

通过这些细致的调试步骤，可以定位到导致PVS性能下降或行为异常的具体原因。

5. 总结与最佳实践

实现一个高效的Negascout（PVS）需要仔细的设计和精确的实现。以下是关键的最佳实践：

统一NegaMax函数： 强烈建议将Minimax的两个函数合并为一个NegaMax函数，以简化逻辑并减少错误。使用+1/-1代表玩家，将所有评估转换为最大化当前玩家得分的视角。
卓越的走法排序： PVS的性能高度依赖于第一个被评估的走法是否接近最佳。结合启发式评估、迭代加深和（如果适用）杀手走法等技术来优化走法排序。
正确的剪枝窗口逻辑： 严格按照PVS的“空窗口探测”和“全窗口重搜”机制实现剪枝逻辑，避免因窗口设置错误导致重复计算。
系统化调试： 利用小规模的测试用例和详细的日志输出来跟踪算法执行，特别关注Alpha/Beta值的变化和剪枝点的行为。
避免过度优化： 在确保核心逻辑正确之前，不要盲目追求各种复杂的启发式，因为它们可能引入新的错误。

通过遵循这些指导原则，您可以成功地在Othello AI中实现一个性能优越的Negascout算法。

以上就是Negascout (PVS) 在Othello AI 中的高效实现与常见陷阱的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！