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A_star_canibais_missionarios.py

@@ -0,0 +1,187 @@
+import numpy as np
+from copy import deepcopy
+
+# Ações
+mover_missionario_esq_barco = {'numero': 0, 'ação': np.asarray([[-1, 0, +1],
+                                                                [0, 0, 0]]), 'str': 'Move missionarário da esquerda para o barco', 'custo': 1}
+mover_missionario_dir_barco = {'numero': 1, 'ação': np.asarray([[0, -1, +1],
+                                                                [0, 0, 0]]), 'str': 'Move missionário da direita para o barco', 'custo': 1}
+mover_missionario_para_direita = {'numero': 2, 'ação': np.asarray([[0, +1, -1],
+                                                                    [0, 0, 0]]), 'str': 'Move missionário do barco para direita', 'custo': 1}
+mover_missionario_para_esquerda = {'numero': 3, 'ação': np.asarray([[+1, 0, -1],
+                                                                    [0, 0, 0]]), 'str': 'Move missionário do barco para esquerda', 'custo': 1}
+
+mover_canibal_esq_barco = {'numero': 4, 'ação': np.asarray([[0, 0, 0],
+                                                            [-1, 0, +1]]), 'str': 'Move canibal da esquerda para o barco', 'custo': 1}
+mover_canibal_dir_barco = {'numero': 5, 'ação': np.asarray([[0, 0, 0],
+                                                            [0, -1, +1]]), 'str': 'Move canibal da direita para o barco', 'custo': 1}
+mover_canibal_para_direita = {'numero': 6, 'ação': np.asarray([[0, 0, 0],
+                                                                [0, +1, -1]]), 'str': 'Move canibal do barco para esquerda', 'custo': 1}
+mover_canibal_para_esquerda = {'numero': 7, 'ação': np.asarray([[0, 0, 0],
+                                                                [+1, 0,-1]]), 'str': 'Move canibal do barco para esquerda', 'custo': 1}
+
+mover_barco = {'numero': 8, 'ação': np.asarray([[0, 0, 0],
+                                                [0, 0, 0]]), 'str': 'Move barco', 'custo': 1}
+class State:
+    def __init__(self, estado, barco, pai, acao, profundidade, custo):
+        """
+        Define o estado do problema, onde, no construtor, 'estado' é uma matriz 3x2 que mostra a quantidade de missionários e canibais nas margens esquerda, direita e no barco, 'barco' mostra o lado em que o mesmo se encontra, 'pai' é o nó pai referente àquele estado, 'acao' é o string referente à ação daquele estado, 'profundidade' representa a profundidade do estado em relação à árvore dos estados e 'heuristica' representa a heurística de cada estado.
+        """
+        self.estado = estado
+        self.barco = barco # right or left
+        self.pai = pai
+        self.acao = acao
+        self.profundidade = profundidade
+
+        self.heuristica = self.estado[0,1] + self.estado[1,1]
+        self.custo = custo
+
+        self.funcao_avaliacao = self.heuristica + self.custo
+
+    def valid_state(self, action):
+        """
+        Verifica a validade do estado depois de sofrer alguma alteração com as ações realizadas.
+
+        1- Verifica se nas margens há menos de 0 canibais ou missionários;
+
+        2- Verifica se nas margens há mais de 3 canibais ou missionários;
+
+        3- Verifica se em alguma margem há menos missionários do que canibais;
+
+        4- Verifica se no barco há mais de 2 indivíduos ao mesmo tempo;
+
+        5- Verifica se no barco há menos de 0 indivíduos;
+
+        6- Verifica se no barco há indivíduos para realizar a ação 'mover_barco';
+
+        7 e 8- Verifica a posição do barco para realizar as ações de adicionar ou remover missionários ou canibais do barco, visto que não é possível, por exemplo, que o barco esteja na esquerda e a ação seja adicionar um missionário da direita no barco.
+        """
+        if self.estado[0,0] < 0 or self.estado[0,1] < 0 or self.estado[1,0] < 0 or self.estado[1,1] < 0:
+            return False
+
+        if self.estado[0,0] > 3 or self.estado[0,1] > 3 or self.estado[1,0] > 3 or self.estado[1,1] > 3:
+            return False
+
+        if (self.estado[0,1] < self.estado[1,1] and self.estado[0,1] > 0) or (self.estado[0,0] < self.estado[1,0] and self.estado[0,0] > 0):
+            return False
+
+        if(self.estado[0,2] + self.estado[1,2]) > 2:
+            return False
+
+        if(self.estado[0,2] < 0 or self.estado[1,2] < 0):
+            return False
+
+        if ((action['numero'] is mover_barco['numero']) and (self.estado[0,2] == 0) and (self.estado[1,2] == 0)):
+            return False
+
+        if (((self.barco == 'left') and (action['numero'] == mover_canibal_dir_barco['numero'])) or ((self.barco == 'left') and (action['numero'] == mover_missionario_dir_barco['numero'])) or ((self.barco == 'left') and (action['numero'] == mover_canibal_para_direita['numero'])) or ((self.barco == 'left') and (action['numero'] == mover_missionario_para_direita['numero']))):
+            return False
+
+        if (((self.barco == 'right') and (action['numero'] == mover_canibal_esq_barco['numero'])) or ((self.barco == 'right') and (action['numero'] == mover_missionario_esq_barco['numero'])) or ((self.barco == 'right') and (action['numero'] == mover_canibal_para_esquerda['numero'])) or ((self.barco == 'right') and (action['numero'] == mover_missionario_para_esquerda['numero']))):
+            return False
+
+        return True
+
+    def mostrar_estado(self):
+        """
+        Serve para mostrar o estado e sua respectiva profundidade dentro da árvore
+        """
+        print(self.estado)
+        print('Profundidade: ', self.profundidade)
+        print('Custo: ', self.custo)
+        print('\n============================\n')
+
+
+    def do_action(self, action):
+        """
+        Serve para realizar a ação em determinado estado e retorna um novo estado caso ele seja válido
+        """
+        if ((action['numero'] == mover_barco['numero']) and (self.barco == 'left')):
+            novo_estado = State(self.estado + action['ação'], 'right', self, action['str'], self.profundidade + 1, self.custo + action['custo'])
+        elif ((action['numero'] == mover_barco['numero']) and (self.barco =='right')):
+            novo_estado = State(self.estado + action['ação'], 'left', self, action['str'], self.profundidade + 1, self.custo + action['custo'])
+        else:
+            novo_estado = State(self.estado + action['ação'], self.barco, self, action['str'], self.profundidade + 1, self.custo + action['custo'])
+
+        if novo_estado.valid_state(action) is True:
+            return novo_estado
+        return None
+
+    def verifica_solucao(self):
+        """
+        Serve para verificar se o estado é a solução esperada, retornando True caso seja.
+        """
+        if (self.estado[0,0] == 3 and self.estado[1,0] == 3 and self.estado[0,1] == 0 and self.estado[1,1] == 0 and self.estado[0,2] == 0 and self.estado[1,2] == 0):
+            return True
+        return False
+
+    def to_hash(self):
+        """
+        Transforma o estado em um hash para evitar que estados já visto sejam visitados novamente
+        """
+        str_lista = str(np.reshape(self.estado, (1, 6))[0].tolist())
+        str_lista += '{}'.format(self.barco)
+        return hash(str_lista,)
+
+class busca_em_profundidade():
+    """
+    Busca em profundidade
+    """
+    def __init__(self):
+        self.lista_estados = []
+        self.estados_visitados = []
+        self.acoes = [mover_barco, mover_missionario_dir_barco, mover_missionario_esq_barco, mover_missionario_para_direita, mover_missionario_para_esquerda, mover_canibal_dir_barco, mover_canibal_esq_barco, mover_canibal_para_direita, mover_canibal_para_esquerda]
+
+    def encontrar_solucao(self, estado_inicial: State) -> State:
+        """
+        Encontra a solução do problema
+        """
+        self.lista_estados.append(estado_inicial)
+        solucao_encontrada = False
+        solucao = None
+
+        while len(self.lista_estados) > 0 and not solucao_encontrada:
+            menor = 99999999
+            contador = 0
+            for estado in self.lista_estados:
+                print(estado.funcao_avaliacao)
+                if estado.funcao_avaliacao <= menor:
+                    menor = deepcopy(estado.heuristica)
+                    indice = contador
+                    contador += 1
+                else:
+                    contador += 1
+            estado_atual = self.lista_estados.pop(indice)
+            self.estados_visitados.append(estado_atual.to_hash())
+            if estado_atual.verifica_solucao():
+                solucao_encontrada = True
+                solucao = estado_atual
+            else:
+                for action in self.acoes:
+                    novo_estado = estado_atual.do_action(action)
+                    if novo_estado is not None:
+                        if not self.estados_visitados.__contains__(novo_estado.to_hash()):
+                            self.lista_estados.append(novo_estado)
+        print('Estados visitados: ', len(self.estados_visitados))
+        return solucao
+
+
+if __name__ == "__main__":
+    bfs = busca_em_profundidade()
+    initial_state = State(np.asarray([[0, 3, 0],
+                                        [0, 3, 0]]), 'right', None, 'Começo', 1, 0)
+    solucao= bfs.encontrar_solucao(initial_state)
+    if solucao is not None:
+        print("Solução Encontrada!")
+        estado_atual = solucao
+        solucao_completa = []
+        somador = 0
+
+        while estado_atual is not None:
+            solucao_completa.append(estado_atual)
+            estado_atual = estado_atual.pai
+        for solucao in solucao_completa[-1::-1]:
+            print(solucao.acao)
+            somador += 1
+            solucao.mostrar_estado()
+        print("Fim")

bfs_canibais_missionarios.py

@@ -0,0 +1,172 @@
+import numpy as np
+
+# Ações
+mover_missionario_esq_barco = {'numero': 0, 'ação': np.asarray([[-1, 0, +1],
+                                                                [0, 0, 0]]), 'str': 'Move missionarário da esquerda para o barco'}
+mover_missionario_dir_barco = {'numero': 1, 'ação': np.asarray([[0, -1, +1],
+                                                                [0, 0, 0]]), 'str': 'Move missionário da direita para o barco'}
+mover_missionario_para_direita = {'numero': 2, 'ação': np.asarray([[0, +1, -1],
+                                                                    [0, 0, 0]]), 'str': 'Move missionário do barco para direita'}
+mover_missionario_para_esquerda = {'numero': 3, 'ação': np.asarray([[+1, 0, -1],
+                                                                    [0, 0, 0]]), 'str': 'Move missionário do barco para esquerda'}
+
+mover_canibal_esq_barco = {'numero': 4, 'ação': np.asarray([[0, 0, 0],
+                                                            [-1, 0, +1]]), 'str': 'Move canibal da esquerda para o barco'}
+mover_canibal_dir_barco = {'numero': 5, 'ação': np.asarray([[0, 0, 0],
+                                                            [0, -1, +1]]), 'str': 'Move canibal da direita para o barco'}
+mover_canibal_para_direita = {'numero': 6, 'ação': np.asarray([[0, 0, 0],
+                                                                [0, +1, -1]]), 'str': 'Move canibal do barco para esquerda'}
+mover_canibal_para_esquerda = {'numero': 7, 'ação': np.asarray([[0, 0, 0],
+                                                                [+1, 0,-1]]), 'str': 'Move canibal do barco para esquerda'}
+
+mover_barco = {'numero': 8, 'ação': np.asarray([[0, 0, 0],
+                                                [0, 0, 0]]), 'str': 'Move barco'}
+class State:
+    def __init__(self, estado, barco, pai, acao, profundidade):
+        """
+        Define o estado do problema, onde, no construtor, 'estado' é uma matriz 3x2 que mostra a quantidade de missionários e canibais nas margens esquerda, direita e no barco, 'barco' mostra o lado em que o mesmo se encontra, 'pai' é o nó pai referente àquele estado, 'acao' é o string referente à ação daquele estado e 'profundidade' representa a profundidade do estado em relação à árvore dos estados.
+        """
+        self.estado = estado
+        self.barco = barco # right or left
+        self.pai = pai
+        self.acao = acao
+        self.profundidade = profundidade
+
+    def valid_state(self, action):
+        """
+        Verifica a validade do estado depois de sofrer alguma alteração com as ações realizadas.
+
+        1- Verifica se nas margens há menos de 0 canibais ou missionários;
+
+        2- Verifica se nas margens há mais de 3 canibais ou missionários;
+
+        3- Verifica se em alguma margem há menos missionários do que canibais;
+
+        4- Verifica se no barco há mais de 2 indivíduos ao mesmo tempo;
+
+        5- Verifica se no barco há menos de 0 indivíduos;
+
+        6- Verifica se no barco há indivíduos para realizar a ação 'mover_barco';
+
+        7 e 8- Verifica a posição do barco para realizar as ações de adicionar ou remover missionários ou canibais do barco, visto que não é possível, por exemplo, que o barco esteja na esquerda e a ação seja adicionar um missionário da direita no barco.
+        """
+        if self.estado[0,0] < 0 or self.estado[0,1] < 0 or self.estado[1,0] < 0 or self.estado[1,1] < 0:
+            return False
+
+        if self.estado[0,0] > 3 or self.estado[0,1] > 3 or self.estado[1,0] > 3 or self.estado[1,1] > 3:
+            return False
+
+        if (self.estado[0,1] < self.estado[1,1] and self.estado[0,1] > 0) or (self.estado[0,0] < self.estado[1,0] and self.estado[0,0] > 0):
+            return False
+
+        if(self.estado[0,2] + self.estado[1,2]) > 2:
+            return False
+
+        if(self.estado[0,2] < 0 or self.estado[1,2] < 0):
+            return False
+
+        if ((action['numero'] is mover_barco['numero']) and (self.estado[0,2] == 0) and (self.estado[1,2] == 0)):
+            return False
+
+        if (((self.barco == 'left') and (action['numero'] == mover_canibal_dir_barco['numero'])) or ((self.barco == 'left') and (action['numero'] == mover_missionario_dir_barco['numero'])) or ((self.barco == 'left') and (action['numero'] == mover_canibal_para_direita['numero'])) or ((self.barco == 'left') and (action['numero'] == mover_missionario_para_direita['numero']))):
+            return False
+
+        if (((self.barco == 'right') and (action['numero'] == mover_canibal_esq_barco['numero'])) or ((self.barco == 'right') and (action['numero'] == mover_missionario_esq_barco['numero'])) or ((self.barco == 'right') and (action['numero'] == mover_canibal_para_esquerda['numero'])) or ((self.barco == 'right') and (action['numero'] == mover_missionario_para_esquerda['numero']))):
+            return False
+
+        return True
+
+    def mostrar_estado(self):
+        """
+        Serve para mostrar o estado e sua respectiva profundidade dentro da árvore
+        """
+        print(self.estado)
+        print('Profundidade: ', self.profundidade)
+        print('\n============================\n')
+
+
+    def do_action(self, action):
+        """
+        Serve para realizar a ação em determinado estado e retorna um novo estado caso ele seja válido
+        """
+        if ((action['numero'] == mover_barco['numero']) and (self.barco == 'left')):
+            novo_estado = State(self.estado + action['ação'], 'right', self, action['str'], self.profundidade + 1)
+        elif ((action['numero'] == mover_barco['numero']) and (self.barco =='right')):
+            novo_estado = State(self.estado + action['ação'], 'left', self, action['str'], self.profundidade + 1)
+        else:
+            novo_estado = State(self.estado + action['ação'], self.barco, self, action['str'], self.profundidade + 1)
+
+        if novo_estado.valid_state(action) is True:
+            return novo_estado
+        return None
+
+    def verifica_solucao(self):
+        """
+        Serve para verificar se o estado é a solução esperada, retornando True caso seja.
+        """
+        if (self.estado[0,0] == 3 and self.estado[1,0] == 3 and self.estado[0,1] == 0 and self.estado[1,1] == 0 and self.estado[0,2] == 0 and self.estado[1,2] == 0):
+            return True
+        return False
+
+    def to_hash(self):
+        """
+        Transforma o estado em um hash para evitar que estados já visto sejam visitados novamente
+        """
+        str_lista = str(np.reshape(self.estado, (1, 6))[0].tolist())
+        str_lista += '{}'.format(self.barco)
+        return hash(str_lista,)
+
+class busca_em_largura():
+    """
+    Busca em largura
+    """
+    def __init__(self):
+        self.lista_estados = []
+        self.estados_visitados = []
+        self.acoes = [mover_barco, mover_missionario_dir_barco, mover_missionario_esq_barco, mover_missionario_para_direita, mover_missionario_para_esquerda, mover_canibal_dir_barco, mover_canibal_esq_barco, mover_canibal_para_direita, mover_canibal_para_esquerda]
+
+    def encontrar_solucao(self, estado_inicial: State) -> State:
+        """
+        Encontra a solução do problema
+        """
+        self.lista_estados.append(estado_inicial)
+        solucao_encontrada = False
+        solucao = None
+
+        while len(self.lista_estados) > 0 and not solucao_encontrada:
+            estado_atual = self.lista_estados.pop(0)
+            self.estados_visitados.append(estado_atual.to_hash())
+            if estado_atual.verifica_solucao():
+                solucao_encontrada = True
+                solucao = estado_atual
+            else:
+                # lista_comandos = ['Começo']
+                for action in self.acoes:
+                    novo_estado = estado_atual.do_action(action)
+                    # lista_comandos.append(action['numero'])
+                    if novo_estado is not None:
+                        if not self.estados_visitados.__contains__(novo_estado.to_hash()):
+                            self.lista_estados.append(novo_estado)
+        print('Estados visitados: ', len(self.estados_visitados))
+        return solucao
+
+
+if __name__ == "__main__":
+    bfs = busca_em_largura()
+    initial_state = State(np.asarray([[0, 3, 0],
+                                      [0, 3, 0]]), 'right', None, 'Começo', 1)
+    solucao= bfs.encontrar_solucao(initial_state)
+    if solucao is not None:
+        print("Solução Encontrada!")
+        estado_atual = solucao
+        solucao_completa = []
+        somador = 0
+
+        while estado_atual is not None:
+            solucao_completa.append(estado_atual)
+            estado_atual = estado_atual.pai
+        for solucao in solucao_completa[-1::-1]:
+            print(solucao.acao)
+            somador += 1
+            solucao.mostrar_estado()
+        print("Fim")