启发式迷宫算法在虚拟实验系统中的应用

1、木文由4i 3orb3eck贡献pdf文档可能在wap端浏览体验不佳。建议您优先选择txt,或下载源文件到木机杳看。笫3期 微 机 发 展205月年03m ic mp tr d ee o m ei c o u ev 1 p no rv 03n o51 1ma0 3 y 2 0启发式迷宫算法在虚拟实验系统中的应用严晖，杨路明，晓华，段彭嘉杨（中南大学信息科学与工程学院，南长沙4 01 ）湖10 8摘要:出了一种启发式迷宫连线算法，法通过最短距离的启发式方法 减少e节点扩展数目来提高连线速度和连 提该算线存储效率，通过方向记忆法确定搜索走向，而减少回找邻节点的搜索 次数，其时间复杂度得到了极人的改

2、善。从使 关键词：算法:发式搜索；向记忆法迷宫启方中iii分类号：p0t3 16文献标识码:a文章编号：05 3 5 (03 0-0 20 10 7 12 0)5082a p p1 c t 0f ii er s1ae a1 0i ho m i rcmp ci a i nl 0u i tc mzgr tm tc 00 utrv i tap ei e ss seru 1e x r m nty t my ani h u ,yangum ig9duanau ,l n x10h a peng i-a g ,jayn(e t10 ti r t,h ns a40 1 ,h acnru h unvs y ca

3、 g h 10 8 ci )a sei na b is喇：k n fh ui tn2 ao ta oi hi r s neai d o <e r s i ra e 1 yu 1r tms p ee td w hci s d teue i e nm b r ox ad n cg1hsue? o rd chu e fepn i g e? o e f ri r vnando mp oi g rpa d d f n y o y u、，ht h r e t d s a c . u s n i c i n m e r od tr iesac igte d,a r u h o a i o s n i

4、d e c f a o i i t h s o t s i t n 11 i e e i g d r to m o yte e mne rhnr n cncteemp rs ne ef r n1h nb r o cadh g1 m p oc ht0 110fneeh0dn i y irvti c m p et1d g tnheme x yk ers :2*1 o i m ；er si s a c 19i et m0yywo d m aea rtg h h u1ter i r dr cme rc1()引smvi虚拟实验系统是用于<:型计算机原理及应s微用）程的实验教学的虚拟实验平台。在实验

5、过程中需要 课 搜索下一节点。这样人人减少了连线拐弯的次数，提高了连线性能。3使用矢最数据存储连线数据，）在进行连线操作时才将矢量信息转换为网格数据，少网格数据的存储空间，减仿真虚拟集成 电路芯片的连接，因此，系统采用双层迷宫 布线算法生成虚拟计算 机系统的连线网格。迷宫布线算法的特点是：同时由于2的改进，）使连线的拐弯次数减少，也进一步压缩连线矢量数据的数量。1连线区域分成网格存储障碍和连线数据，）使用“波 扩法u ”行e节 点（节点）j进活的扩展，即在以连线起点 为原点，起点到目标点距离 为半径的圆形区域中扩展e以 节点。由于迷宫算法采取ff i 0方式l获取 下一个e 2 j1启发式方法

6、扩展e节点节点扩展方法是向当询e点的右、4个节下左上 方向搜索冇无障碍标志的节点h ,若冇则该节点将成为下节点，所以扩展的节点数目大，搜索速度慢，存储效率低； 2迷宫算法采取 无选择绕障碍搜索策略，）使连线拐弯次数和通孔较多，影响连线的性能。为此，者提岀了一种启发式双层迷宫布线算 作法l ,原算法进行了改 进:3对j 1采取启发式搜索策略，）优先扩展距离冃标节点最近 的节点作为 e-节点，改变原算法逞波纹状的广泛圆形区 域扩展方法，使扩展节点优先向口标节 点逼近，这样大大 减少了扩展节点的数目，提高搜索效率。2回找路径算法中，）采取方向状态记忆控制策略，即先按记忆方向节优记忆当前e点的搜索方向

7、状态信息，个e点。扩展e节点的公式：节n r r w = h r . b .0 ee mw+o std . oo + o f t d .s oc 1 e e c 1 f e ( ) c 1 b . o = h具屮：b为h r节点的邻节点；n r e e h e当前活节点；r e为 o f t f e函数为向右、4 s下左上个方向扩展的偏移值，d为方向状态值，,分别表示右、；0 12 3下左上估价函数：f （）= g （）+h （）具屮：（是节点的估价函数；（为状态空间小， ）g ）从起始节点到路径长度为的节点的实际代价；（是 h ）从当前e 节点的扩展节点到目标节点的蝕短路径的估 计代价，长度

8、值为扩展节点到目标节点的网格数。路径由于“扩法”波屮扩展节点同半径圆环上的扩展距离相同，距离起始节点半径为，的节点的g ,值相同，1（）1故评-）女湖南涟源人。屮南大学信息科学工收稿日期：o 2 1 作奢筒介:严晖（95,16程学院讲师，破士研究生。从事计算机控制管理方面的研究工作。严 晖等:启发式迷宫算法在虚拟实验系统中的应用2 ? 9估函数的只要考虑h n的值。() 原算法采取ff i 0方法获取下一 个e 点，用队 节使列来存取已扩展的e 点符合f f的搜索策略。 为了节i 0 优先获取路径最短的节点作为e点，节以便尽快地逼近2记忆法冋找路径 回找算法是在迷宫算法找到目标节点后，回找相应

9、路径的算法，冋找原则为： g i ( b . o r n r r w, n r c 1 =g r ( e e r w, eecl db.o) i h r . d o h r .) o1目标节点，减少扩展节点数目，我们改变e节点的获取策略：每次生成扩 展节点时，计算其相应的h值，在所冇 扩展节点中，选择距离目标节点网格氏度最 短的节点e 节点。由此要对所冇扩展节点路径长度排序，将耗费大 这量运行时间， 为改变这种状态，用以下数据结构：使p s 1 一 q ( )()1 s j q ( )() j s n q ()()n即邻节点n r网格值比当前h r节点的网格值少 b的e e1位置处在当前节点h

10、 r的右、上。通常只要在 ,e e下左、节点扩展过程中找到了冃标节点，起始节点到冃标节点 则的最矩路径 就存在，通过回找算法可以获得该路径上所有 节点，取这些节点的手段 是按网格值递减的次序搜索。获由于网格状态数据即节点的扩展是绕障碍物前进，每次相邻节点的查询都是按顺时针方向进行。右下，左 先后上。所以路径回找也是绕障碍后退。这样算法产生的结果 是连线总是紧贴障碍绕行， 使连线拐弯次数增多。另外由于邻节点的寻找都按顺时针进行4个方向的查询，许多不 其中，为 动态指针数组，()向路径长度为j s s j指的扩 展节点队列q, n为起始 节点到冃标节点的路径长度，可以依扩展过程状态确定其值的大小。

11、 并且设置最短路径指 针p,总是指向当前最小的非空队列，一个e节点 的 它下.获取山最小路径指针所指队列弹出，弹岀一个e节点， 每. 从其右、4方向扩展(下左上个只扩展状态值为0邻节 相 符合条件的邻节点也必须进行一次杳询，比较次数为路使径长度的4 ,倍回找速度慢。依据连线的正交特性及“波扩法”在无障碍区域的直线传播特性，我们采取状态记忆控制策略来控制从当前节 点的某个方 向选择邻节点，即记住当前节点的行进方向 d下一邻节点优先从d 方向去搜索，如果是该方向，仍则点，即非障碍节点)并在网格中填人已前进的路径长度 ，值。同时计算每个 节点的h值，将对应节点加入路径长度 为h的队列，s h所指队列

12、q, h< p,即()若则刚加入的节点为最短路径节点，向s h , p指()否则p指针不变。 算法描述: 记住该方向d值，为下节点的邻节点的搜索作准备，若不是。顺时针方向查找英他3再按个方向是否为路径上的邻节点。通常连线的拐弯数远小于某记忆方向上的节点数，所以按方向记忆法搜索邻节点，大大减少了捜索次数，同1在迷宫周围增加障碍物，)使其网格状态值为1 ；2封锁起点s r设为障碍位置)使 g d s r . w, ) t t a ( , r ( a r i t t osr , 1=2 h r = s r ； ttc)。 e e t t r o a 时改变了连线绕行障碍的状态，使拐弯数减少，提

13、高了连 线性能。3结论3从右.、4个方向按顺时针次序求hr )下左上e e的邻接n r gd n r rw , b .1 = 0 的点)b ( r ( b.i o nrc )o ；4计算nr点的h值，时设置n网格值，)b节同b使g r(b w, n rc 1 = g r ( c c r w, cc oo 1+ 1i nr r d0b.)i h r .o do h r .) ；51 nr i se)fb = f1th n退出循环到9 :n h )文中所述的启发式算法较好地反映了 e节点扩展的优先次序，改善了原算法扩展 节点数目多、存储效率低的缺点:回找过程中，用方向状态记忆法，当前节点 在使把6

14、 将 n r ) b 节点加入 s h 队列，()q. d ( b )() s h . a d nr :7 ih<pthnp = h： ) f e的方向作为其搜索邻节点的方向状态值。使冋找过程屮杏 找邻节点的比较运算人 为减少，同时改善了连线的性能， 使连线的拐弯数ii减少。通过实验表明，该算 法简单实参考文献：阮春红磊，树平.氏迷宫算法在液压阀块cd曹李a中的应用研究机械科学与技术，0个方向没有搜索完t e从3 h n ) f b i s t e 路径)7重复； 出循环，n0从个ccsf h n找到，1 ) p所指队列中弹出下1 e节点h r o ()q. e t ( e e , d 1 e h r )修改 p 值；e1)1重复31 )0直到所有队列为空，实验表明，启发式搜索策略有效减少了扩展节点的数 目。对于路径越长、绕过障 碍越多的连线，用启发式扩使展e 节点数冃原算法减少越多，体数据如表1 较其具。表1启发式迷宫算法与ff i o算法节点扩展数目对照表启发式扩展ff 1 d扩展节路径长度比例节点个数点个数(网格个数)(启发式/1o)ffsh 1o ()s n()日2s m t ()a i 3e391369136362 ()9167