中国象棋之三 ElephantEye 引擎深入理解

上篇

一、简介

ElephantEye 是一款自由的中国象棋程序,在遵循《GNU 宽松通用公共许可协议》(GNU Lesser General Public Licence) 的前提下,广大象棋爱好者和程序设计师可以自由使用 ElephantEye 及其源程序。ElephantEye 中文名称为 “象眼”,它跟 “马腿” 和 “炮架子” 一起构成了中国象棋 “棋盘上的第三维”。ElephantEye 通常与一个象棋棋谱编辑软件 ElephantBoard 配合使用,寓意有板有眼 (英文 Board 的意思是 “板”)。注:现在 ElephantBoard 已更名为 “象棋巫师”

二、引擎协议

ElephantEye 支持 UCCI 3.0,浅红象棋用户可通过 UCCI 引擎适配器 (UCCI2QH) 调用 ElephantEye 引擎,UCCI 命令使用帮助如下。

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支持的UCCI命令有:
  ucci
  setoption ...
  position {fen <fen_str> | startpos} [moves <move_list>]
  banmoves <move_list>
  go [ponder | draw] ...
  ponderhit [draw] | stop
  probe {fen <fen_str> | startpos} [moves <move_list>]
  quit

可以返回的UCCI信息有:
  id {name <engine_name> | version <version_name> | copyright <copyright_info> | author <author_name> | user <user_name>}
  option ...
  ucciok
  info ...
  pophash [bestmove <best_move>] [lowerbound <value> depth <depth>] [upperbound <value> depth <depth>]
  {nobestmove | bestmove <best_move> [ponder <ponder_move>] [draw | resign]}
  bye

三、参数设置

ElephantEye 作为 UCCI 引擎,有若干可以设置的参数 (可以直接在 < 象棋巫师> 中设置):
(1) 开局库:
  默认的开局库为 ElephantEye 程序 (ELEEYE.EXE) 所在目录下的 BOOK.DAT,含有 10,000 个对称局面的着法。
(2) 思考时间:
  限定思考深度通常不是很好的选择,建议给定限时让程序自动分配时间。而在解杀局或分析局面时,则可让程序无限制思考,并可随时中止思考。
(3) 置换表大小:
  尽管置换表大小对程序的运行速度影响不大,默认 16MB 的设置已经足够,但 ElephantEye 还是提供了设置置换表大小的功能。在内存允许的情况下,下慢棋时可以适当增加置换表的大小,但建议不要超过物理内存的一半。
(3) 裁剪程度:
  为加快程序的运算速度,ElephantEye 默认使用空着裁剪,并且产生负面影响的可能性很小。只有最低级别会禁用空着裁剪。
(4) 知识量:
  知识量和局面评价的准确性有关,在 ElephantEye 的知识量等级中,只有最低级别是不采用局面评价函数的 (只考虑子力价值),在解排局等不需要依靠审局知识来分析的局面时,可以尝试用这种设置。
(5) 随机性:
  ElephantEye 设有 4 级随机性。随机性越大,程序越有可能走出它认为不是最好的着法,但 “不是最好的着法” 并非一点好处也没有,尤其在没有启用开局库时,适当增大随机性,可以避免程序在相同的局面下走出一样的着法。

四、规则

从 2.0 版开始,ElephantEye 除了支持 “单方面长将判负” 的规则外,还支持 “长打判负”,“打” 包括 “将” 和 “捉”。尽管 ElephantEye 在复杂的情况可能无法正确识别长打,但由于支持 UCCI 命令 banmoves … ,一旦用户认为引擎走了 “长打” 的禁着,可以用 < 象棋巫师 > 的 “设置禁着” 功能让引擎强制变着。由于程序复杂性方面的限制,只有以下三种情况被识别成 “捉”,分别是: A. 马捉车或有根的炮兵 (卒);B. 车捉有根的马炮兵 (卒);C. 炮捉车或有根的马兵 (卒)。   

五、博弈算法

ElephantEye 属于偏向蛮力的象棋程序,使用了严谨而有效的博弈算法:
(1) 使用位行和位列的着法生成器:
  位行 (BitRanks) 和位列 (BitFiles) 有利于滑动棋子 (车和炮) 的着法 (尤其是吃子着法) 生成,位行和位列可以用查表来代替在射线上做的循环运算。在 ElephantEye 中,位行和位列的技术不仅用在着法生成器中,也用到了牵制的判断上。
(2) 静态局面搜索:
  在做静态搜索时,ElephantEye 搜索了吃子或解将的着法,在搜索吃子着法时,ElephantEye 过滤掉不重要的吃子,例如吃不过河的兵、吃不处于防守中的士象等着法,都不在静态搜索的范围之内。
(3) 循环着法和长将检测:
  ElephantEye 可以识别循环着法,出现循环着法时可以判断哪方为长将,并且会利用禁止长将的规则来谋求优势,但目前 ElephantEye 还无法识别长捉。
(4) 置换表:
  ElephantEye 参考了中国象棋程序 “纵马奔流” 的设计思路,使用深度优先和始终覆盖的双层置换表,并采用低出 (高出) 边界修正的置换表更新策略。
(5) 带检验的空着裁剪:
  ElephantEye 使用 R=2 的空着裁剪,在残局阶段使用带检验的空着裁剪。
(6) 迭代加深 / 吃子着法 / 杀手着法 / 历史表启发:
  ElephantEye 的着法排序非常简单清晰,依次是迭代加深着法、好的吃子着法、杀手着法和按历史表排序的生成着法。
(7) 将军 / 唯一应将 / 兑子延伸:
  在选择性延伸上,ElephantEye 采用了将军、唯一应将和兑子延伸。
(8) Alpha-Beta 主要变例搜索:
  ElephantEye 使用传统意义上的递归式 Alpha-Beta 主要变例搜索。
(9) 开局库:
  ElephantEye 的开局库共包含了 10,000 个对称着法,是从 1990 年到 2005 年全国象棋个人赛、团体赛、五羊杯、联赛等 8,000 局顶尖比赛中提取的。
(10) 后台思考和时间分配策略:
  ElephantEye 支持后台思考功能,同时提供了时段制和加时制两种时间分配策略,会自动合理分配时间。

六、开局库

ElephantEye 的开局库可由 “ElephantEye 开局库制作工具” 制作。运行制作工具后,首先要选择 PGN 棋谱所在的文件夹,然后保存为开局库文件 (通常是 BOOK.DAT)。通常,用来生成开局库的棋谱数量越多,生成的开局库文件就越大。为了使制作的开局库对 ElephantEye 生效,只需要把生成的开局库文件替换掉 ElephantEye 目录下的 BOOK.DAT 即可,也可以在 < 象棋巫师 > 的 “引擎设置” 对话框中指定开局库文件。

七、局面评价函数库

ElephantEye 从 2.1 版开始,程序的搜索部分和局面评价部分就分离了,搜索部分通过调用 API 函数的形式与局面评价部分耦合。其他象棋程序设计师可以在 ElephantEye 的基础上更自由地发挥。根据 LGPL 协议,搜索和局面评价这两个部分都作为独立的程序库,运用其中任何一部分都只需要公开该部分的源程序即可。换句话说,如果局面评价部分没有使用任何开放代码,那么程序设计师就没有义务公开这部分的源程序,搜索部分也是如此。ElephantEye 的局面评价 API 函数接口定义如下:

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A. 局面评价引擎名称:const char *GetEngineName(void);
B. 局面预评价函数接口:void PreEvaluate( PositionStruct *lppos, PreEvalStruct *lpPreEval);
C. 局面评价函数接口:int Evaluate(const PositionStruct *lppos, int vlAlpha, int vlBeta);

其中 PositionStruct 和 PreEvalStruct 必须分别符合 position.h 和 pregen.h 中定义的结构。

八、源代码

ElephantEye 的源代码包括 9 个模块,内容大致为:
(1) ucci.h/ucci.cpp
  UCCI 命令解释模块,包括 Windows 和 Unix 下的行输入接收程序;
(2) pregen.h/pregen.cpp
  Zobrist 数组和着法预置表的生成模块。ElephantEye 的预置表分两个部分,一是滑动棋子的着法预置表 (包括不吃子、车吃子、炮吃子和隔两子吃子),它是实现位行和位列技术的基础;二是其他棋子的着法预置表,使得着法生成时避免了烦琐的边界判断。
(3) position.h/position.cpp
  主要描述着法和局面的数据结构及功能。局面的处理是本模块的重点,处理内容包括局面初始化、FEN 串导入、棋子移动、杀手着法的合理性判断、将军判断、长将和循环检测、子力价值分调整等过程,还包括 5 个子力位置价值表。
(4) genmoves.cpp
  着法生成器,包括生成吃子着法和生成不吃子着法的两个,但不能只生成解除将军的着法。在生成吃子着法的同时赋予每个着法以相应的 MVV (LVA)(或称准 SEE) 值。该模块还有一个专门判断棋子是否有保护的函数,来计算 MVV (LVA) 值,对于有保护的棋子,计算 MVV-LVA 的值 (小于零不计),对于无保护的棋子,只计算 MVV 的值。因此,判断棋子是否有根的程序也包括在本模块中。
(5) hash.h/hash.cpp
  置换表、历史表和着法列表管理模块,包括置换表的分配和存取、主要变例获取等操作。
(6) book.h/book.cpp
  开局库读取模块。
(7) movesort.h/movesort.cpp
  着法列表排序模块。
(8) search.h/search.cpp
  搜索模块,除了静态搜索、完全搜索和根结点搜索这三个主要过程外,还包括迭代加深控制、后台思考、时间分配、搜索参数统计和搜索信息输出等内容。该模块是整个程序的核心模块。
(9) eleeye.cpp
  主程序 (即 main 函数)。
(10) preeval.cpp
  子力位置数组预生成器,ElephantEye 根据 “进攻 / 防守” 和 “开局 / 中局 / 残局” 两个参数线性调整子力位置数组。
(11) evaluate.cpp
  局面评价函数,ElephantEye 采用了四级偷懒评价的机制,最粗的层次只评价特殊棋型,进一层次评价牵制,再进一层次评价车的灵活性,最高层次还评价马的阻碍。

九、引擎表现

ElephantEye 的设计重点在搜索算法,但在知识上比较欠缺。在 2.8 GHz 的处理器上每秒可搜索约 1,000,000 个结点 (包括常规搜索和静态搜索),一般的中局局面在 1 分钟内可搜索约 11 层。在棋力上,ElephantEye 和 “棋隐”、SaoLa (象棋挑战者) 等程序具有同等水平,但由于局面评估函数上的缺陷,ElephantEye 距离顶尖的商业象棋软件 (谢谢大师、象棋世家、象棋奇兵、棋天大圣等) 尚有一定的差距。ElephantEye 在联众、弈天等象棋对弈网站上作过测试,用等级分来衡量,联众网的战绩在 2500 分左右,弈天网快棋的战绩在 2000 分左右,慢棋在 1500 分左右。2005 年 9 月在台湾象棋软件爱好者施金山的帮助下,ElephantEye 参加了在台北举行的第 10 届 ICGA 电脑奥林匹克大赛中国象棋组比赛,战绩是 7 胜 5 和 14 负,在 14 个程序中排名第 11;2006 年 8 月 ElephantEye 参加了在北京举行的全国首届计算机博弈锦标赛,战绩是 7 胜 2 和 11 负,在 18 个程序中排名第 7。

十、附加模块

ElephantEye 的源代码包除了 ElephantEye 本身的源代码外,还包括以下几个附加模块:
(1) 基础代码 (base):提供了汇编指令、系统函数调用等功能;
(2) 中国象棋规则模块 (cchess):为其他软件使用 ElephantEye 代码提供了接口;
(3) 开局库制作模块 (BOOK):制作开局库 BOOK.DAT 的代码;
(4) UCCI 引擎联赛模拟器 (LEAGUE):为 UCCI 引擎测试和比赛提供了自动批量对局的平台;
(5) UCCI 引擎搜索树分析器 (TREE):UCCI 引擎 (支持 UCCI 2.2+) 的搜索路线分析工具;
(6) XQF 棋谱工具 (XQFTOOLS):提供 XQF 等多种棋谱转换为 PGN 的工具;
(7) 浅红象棋适配器 (UCCI2QH):为浅红象棋调用 UCCI 引擎提供了接口;
(8) 浅红象棋引擎支持 UCCI 的适配器 (QH2UCCI):为 “梦入神蛋” 浅红象棋加入 UCCI 引擎测试提供了接口;
(9) BBS Chess (BBSCHESS):一个用 Visual Basic 制作的国际象棋局面设置工具,可在各高校 BBS 上粘贴彩色的国际象棋局面;
(10) 棋盘图片生成器 (FEN2BMP):一个可以把国际象棋和中国象棋的 FEN 文件转换成 BMP 文件的实用工具;
(11) 编码转换 (codec),包括简繁转码、UNIX 文本转码、Base64 转码等;
(12) 其他工具 (MISC):包括简易网络通讯、管道测试等工具;
(13) 说明文档 (DOC):即《中国象棋程序设计探索》系列连载;
(14) 参赛棋谱 (CCGC):ElephantEye 参加首届全国计算机博弈锦标赛 (CCGC) 的全部棋谱。

十一、资源下载

十二、参考资料