DSZI_Survival/GeneticAlgorithm.md

# Algorythm Genetyczny w projekcie DSZI_Survival
**Autor:** Marcin Kostrzewski

---
## Cel
Celem algorytmu jest znalezienie czterech optymalnych wartości, według których
agent podejmuje decyzję, co zrobić dalej. Te cztery cechy to:
* Priorytet (chęć) zaspokajania głodu,
* Zaspokajanie pragnienia,
* Odpoczynek,
* Jak odległość od obiektu wpływa na podjętą decyzję.

Zestaw tych cech reprezentuje klasa-struktura **[*Affinities*](https://git.wmi.amu.edu.pl/s444409/DSZI_Survival/src/master/src/AI/Affinities.py)**:
```python
class Affinities:
    def __init__(self, food, water, rest, walking):
        """
        Create a container of affinities. Affinities describe, what type of entities a player prioritizes.
        :param food: Food affinity
        :param water: Freshwater affinity
        :param rest: Firepit affinity
        :param walking: How distances determine choices
        """
        self.food = food
        self.water = water
        self.rest = rest
        self.walking = walking
```

Oczywiście agent (gracz) posiada w swojej klasie pole ``self.affinities``.

## Podejmowanie decyzji

Gracz podejmuje decyzję o wyborze celu według następującej formuły:
```python
typeWeight / (distance / walkingAffinity) * affectedStat * multiplier
```
gdzie:
* *typeWeight* - wartość cechy odpowiadającej typowi celu,
* *distance* - odległość od celu,
* *walkingAffinity* - waga odległości,
* *affectedStat* - aktualna wartość odpowiadającej statystyki agenta,
* *multiplier* - mnożnik redukujący wpływ obecnych statystyk na wybór.

Implementacja w **[*GA.py/pickEntity()*](https://git.wmi.amu.edu.pl/s444409/DSZI_Survival/src/master/src/AI/GA.py)** (przykładowo dla jedzenia):
```python
watersWeights = []
thirst = player.statistics.thirst
for water in waters:
    typeWeight = weights[1]
    distance = abs(player.x - water.x) + abs(player.x - water.y)
    watersWeights.append(typeWeight / (distance * walkingAffinity) * thirst * 0.01)
```

Dla każdego obiektu, z którym agent może podjąć interakcję wyliczana jest ta wartość
i wybierany jest obiekt, dla którego jest największa.

## Implementacja algorytmu genetycznego

Za realizację algorytmu odpowiada funkcja *geneticAlgorithm()* w **[*GA.py*](https://git.wmi.amu.edu.pl/s444409/DSZI_Survival/src/master/src/AI/GA.py)** (Skrócona wersja):
```python
def geneticAlgorithm(map, iter, solutions, mutationAmount=0.05):
    # Based on 4 weights, that are affinities tied to the player
    weightsCount = 4

    # Initialize the first population with random values
    initialPopulation = numpy.random.uniform(low=0.0, high=1.0, size=(solutions, weightsCount))
    population = initialPopulation

    for i in range(iter):
        fitness = []
        for player in population:
            fitness.append(doSimulation(player, map))

        parents = selectMatingPool(population, fitness, int(solutions / 2))

        offspring = mating(parents, solutions, mutationAmount)

        population = offspring
```

#### Omówienie:

##### Pierwsza populacja
Pierwsza populacja inicjalizowana jest losowymi wartościami. Szukamy
czterech najlepszych wag; każdy osobnik z gatunku jest reprezentowany przez
listę 4-elementową wag.

```python
initialPopulation = numpy.random.uniform(low=0.0, high=1.0, size=(solutions, weightsCount))
```

Rozpoczyna się pętla, która stworzy tyle generacji, ile sprecyzujemy w parametrze.

##### Symulacja i *fitness*

Dla każdego osobnika z populacji uruchamiana jest symulacja. Symulacja dzieje się w tle,
żeby zminimializować czas potrzebny do wykonania pełnej symulacji. Jej koniec następuje w momencie,
gdy agent umrze. 
```python
fitness.append(doSimulation(player, map))
```

Wartością zwracaną przez funkcję symulacji jest tzw. *fitness*. W tym wypadku,
wartością tą jest ilość kroków, jakie pokonał agent przez cykl życia.

##### Wybór rodziców

Rodzice dla dzieci przyszłego pokolenia wybierani są na podstawie wartości
*fitness*. W tym wypadku wybirana jest połowa populacji z najwyższymi wartościami przeżywalności.
```python
parents = selectMatingPool(population, fitness, int(solutions / 2))
```

##### Potomstwo, czyli rozmnażanie i mutacje

Za wyliczanie wartości dla nowego pokolenia odpowiada funkcja ``mating``. Przekazujemy do niej rodziców, ilość potomstwa
i siłę mutacji. Z **[*GA.py/mating()*](https://git.wmi.amu.edu.pl/s444409/DSZI_Survival/src/master/src/AI/GA.py)**:
```python
for i in range(offspringCount):
    parent1 = i % len(parents)
    parent2 = (i + 1) % len(parents)
    offspring.append(crossover(parents[parent1], parents[parent2]))
```

Do stworzenia potomstwa używana jest funkcja ``crossover``, która wylicza wartości, jakie przyjmie nowe potomstwo.
Wartośc ta to mediana wartości obu rodziców. Z **[*GA.py/crossover()*](https://git.wmi.amu.edu.pl/s444409/DSZI_Survival/src/master/src/AI/GA.py)**:
```python
for gene1, gene2 in zip(genes1, genes2):
    result.append((gene1 + gene2) / 2)
```
Po zastosowaniu krzyżówki, jeden losowo wybrany gen jest alterowany o niewielką wartość (mutacja). Z **[*GA.py/mutation()*](https://git.wmi.amu.edu.pl/s444409/DSZI_Survival/src/master/src/AI/GA.py)**:
```python
for player in offspring:
    randomGeneIdx = random.randrange(0, len(player))
    player[randomGeneIdx] = player[randomGeneIdx] + random.uniform(-1.0, 1.0) * mutationAmount
```

Nowe potomstwo zastępuje obecną populacje i algorytm wchodzi w kolejną pętle:
```python
population = offspring
```

## Skuteczność algorytmu

Zastosowanie algorytmu przynosi niezbyt spektakularne, lecz oczekiwane wyniki. Po uruchomieniu symulacji
dla 1000 generacji:
* Wykres wartości fitness od generacji:
![fig](https://git.wmi.amu.edu.pl/s444409/DSZI_Survival/raw/master/data/images/exampleFitness.png)

* Najlepsze / najgorsze fitness:
```
Best Fitness: 186
Worst Fitness: 71
```

* Zestaw najlepszych / najgorszych wartości
```
Best:
Affinities: food=0.9659207331357987, water=1.06794833921562, rest=0.4224083038045297, walking=0.26676612275274836
Worst:
Affinities: food=0.3927852322929111, water=0.6888704071372844, rest=0.625376993269597, walking=0.5415515638814266
```
### Przykład symulacji dla najlepszego osobnika:
![gif](https://git.wmi.amu.edu.pl/s444409/DSZI_Survival/raw/master/data/images/screenshot/bestFitnessRunExample.gif)

## Zastosowanie w całości projektu
Dzięki wyliczonym przez algorytm wagom, gracz poruszający się w środowisku będzie znał swoje priorytety i będzie w stanie
przeżyć jak najdłużej. Obecnie, wybór obiektu jest dość statyczny i niezbyt "mądry", został napisany jedynie
na potrzeby tego projektu. W przyszłości algorytm może być trenowany według inteligentnych wyborów obiektów np. poprzez zastosowanie
drzewa decyzyjnego. Każdy obiekt ma zdefiniowany swój skutek, czyli gracz z góry wie, czym jest dany obiekt. W przyszłości
gracz może nie znać informacji o obiektach, może być do tego używany jakiś inny algorytm, który oceni,
czym jest dany obiekt.