实验一：产生式系统——水壶问题（2023年秋季学期中南民族大学人工智能导论课程实验一）-优快云博客

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实验一：产生式系统——水壶问题

一、实验题目

水壶问题：

一个10升的桶里有10升水，现有3升和4升两个空桶，如何得到5升的水？

二、实验方法

产生式系统的基本结构：

工作存储器（数据集、综合数据库）：直接使用当前状态

规则库（产生式规则集）：建立8条规则的规则库

推理机（控制系统、解释程序）：随机选择规则，并应用

搜索法：在不知道直接方法的情况下，可以采用搜索法。它是人工智能的一个框架，是智能问题求解的基础和核心。原因是：人工智能系统需要解决的问题都比较复杂，常常没有直接方法可以用。对问题进行形式化描述，便于计算机处理，描叙方法对搜索效率有很大的影响。

一般用状态空间来表示待求解的问题。

用状态空间表示法描叙问题时，要定义状态空间，表示问题的全部可能状态和相互关系。

初始状态：要定义一个或多个状态，用于描叙问题求解过程开始时的可能状态，这些状态被称为初始状态。

规则：要规定一个或一组规则，用于描叙问题从一个状态转变到另一个状态时可以采取的操作（算子operator）。

目标状态：规定一个或多个状态，用以描述问题求解过程最终应当达到的状态（即问题的解），称为目标状态；或者规定一个判断是否目标状态（解）的方法。

搜索：应用相应的规则和控制策略去遍历这个状态空间，直到找到一条从初始状态到目标状态的路径。

问题的求解过程就是一个对状态空间搜索的过程。

三、实验思路

1.定义初始状态：

定义三个变量，分别代表三个水壶h3,h4,h10，并置初始值有：h3=0,h4=0,h10=10。

2.定义规则集void Rules()，该规则集共有八条规则：

//规则 0：从 10 升桶往 4 升桶倒水，使得 4 升桶满

case 0: if (h4<4) {h10 -= 4-h4; h4=4;}break;

//规则 1：从 10 升桶往 3 升桶倒水，使得 3 升桶满

case 1: if(h3 <3) {h10-=3-h3;h3 =3;}break;

//规则 2：从 4 升桶往 10 升桶倒水，使得 4 升桶清空

case 2: if (h4>0){h10+=h4;h4=0;}break;

//规则 3：从 3 升桶往 10 升桶倒水，使得 3 升桶清空

case 3: if (h3>0){h10+=h3;h3=0;}break;

//规则 4：将 3 升桶和 4 升桶的水倒入 4 升桶，使得 4 升桶为满，3 升桶保留剩余的水

case 4: if ((h3 + h4) >=4 ){h3 = h3+h4 -4; h4=4;}break;

//规则 5：将 3 升桶和 4 升桶的水倒入 3 升桶，使得 3 升桶为满，4 升桶保留剩余的水

case 5: if ((h3 + h4) >=3 ){h4 = h3+h4 -3; h3=3;}break;

0 0 10

0 4 6

3 1 6

3 4 3 //0 1 9

3 0 7 //1 0 9

0 3 7 //1 4 5

3 3 4 //

2 4 4

2 0 8

0 2 8

//3 2 5

//规则 6：将 3 升桶和 4 升桶的水倒入 4 升桶，使得 4 升桶为满，3 升桶清空

case 6: if ((h3 + h4) <=4 ){h4=h3+h4;h3 = 0; }break;

// 规则 7：将 3 升桶和 4 升桶的水倒入 3 升桶，使得 3 升桶为满，4 升桶清空

case 7: if ((h3 + h4) <=3 ){h3 = h3+h4;h4=0;}break;

3.定义目标状态（一个冲突解决机制）：

while (h10!=5)

{

Rules();

printf("RST: %d, %d, %d\n",h3,h4,h10);

}

四、实验完整代码（C语言）：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <time.h>

// 全局变量，表示三个水桶的水量

int h3, h4, h10;



// 规则函数，根据规则编号 i 进行相应的水桶操作

void Rules(int i) {

    switch (i) {

        case 0:

            // 规则 0：从 10 升桶往 4 升桶倒水，使得 4 升桶满

            h10 -= 4 - h4;

            h4 = 4;

            break;

        case 1:

            // 规则 1：从 10 升桶往 3 升桶倒水，使得 3 升桶满

            h10 -= 3 - h3;

            h3 = 3;

            break;

        case 2:

            // 规则 2：从 4 升桶往 10 升桶倒水，使得 4 升桶清空

            h10 += h4;

            h4 = 0;

            break;

        case 3:

            // 规则 3：从 3 升桶往 10 升桶倒水，使得 3 升桶清空

            h10 += h3;

            h3 = 0;

            break;

        case 4:

            // 规则 4：将 3 升桶和 4 升桶的水倒入 4 升桶，使得 4 升桶为满，3 升桶保留剩余的水

            if ((h3 + h4) >= 4) {

                h3 = h3 + h4 - 4;

                h4 = 4;

            }

            break;

        case 5:

            // 规则 5：将 3 升桶和 4 升桶的水倒入 3 升桶，使得 3 升桶为满，4 升桶保留剩余的水

            if ((h3 + h4) >= 3) {

                h4 = h3 + h4 - 3;

                h3 = 3;

            }

            break;

        case 6:

            // 规则 6：将 3 升桶和 4 升桶的水倒入 4 升桶，使得 4 升桶为满，3 升桶清空

            if ((h3 + h4) <= 4) {

                h4 = h3 + h4;

                h3 = 0;

            }

            break;

        case 7:

            // 规则 7：将 3 升桶和 4 升桶的水倒入 3 升桶，使得 3 升桶为满，4 升桶清空

            if ((h3 + h4) <= 3) {

                h3 = h3 + h4;

                h4 = 0;

            }

            break;

    }

}



int main() {

    // 初始化随机数生成器

    srand(time(NULL));

    // 初始值

    h3 = 0;

    h4 = 0;

    h10 = 10;

    // 输出初始值

    printf("初始值: h3 = %d，h4 = %d，h10 = %d\n", h3, h4, h10);



    // 当 h10 不等于 5

    while (h10 != 5) {

        // 生成随机规则编号

        int i = rand() % 8;

        // 调用规则函数

        Rules(i);

        // 输出状态更新信息

        printf("状态更新: h3 = %d, h4 = %d, h10 = %d，规则: %d\n", h3, h4, h10, i);

    }

    // 判断最终游戏结果

    if(h10 = 5){

        printf("游戏结束。h10 达到5！\n");

    }

    return 0;

}

五、运行结果及分析（以下为部分搜索结果）