
简介面向算法课程作业与毕业设计场景的中国象棋人工智能完整Unity工程融合了神经网络与遗传算法用于棋局评估与走法搜索以解决传统搜索算法在复杂棋类决策中效率不足的问题。压缩包共693个文件大小15.04MB以C#脚本、Unity场景与预制体、Shader着色器、FBX模型、PNG贴图及DLL运行库为主同时包含ProjectSettings等工程配置文件可直接作为Unity项目打开运行。内容涵盖训练数据预处理、神经网络结构设计与反向传播权重更新、遗传算法的种群初始化与选择、交叉、变异操作以及两者结合后的完整AI决策流程。已有140人学习适合需要快速搭建棋类智能项目或深入研究博弈算法的学生参考。1. 中国象棋AI的一种非监督路线神经网络评估 遗传算法进化只给你一个中国象棋棋盘不用棋谱也不走反向传播让程序自己学会判断局面优劣你会怎么设计这个程序选择的组合是神经网络算法负责把棋盘变成一个分数遗传算法负责在成百上千组随机权重里保留胜率高的一批再生成下一代。这是棋类 AI 里很经典的无监督落地方式不依赖人工标注不装重型训练框架适合想在 AI 工程实践里跑通完整闭环的人。先分清两个模块的职责神经网络是评估器遗传算法是训练器。评估器回答“这个局面谁优谁劣”训练器回答“什么样的网络权重能让评估器更准”。两者拼起来才是一个能下棋的中国象棋程序。后面的章节就按这条主线推进棋盘编码与走法生成网络结构设计遗传算法训练循环最后把进化结果装进带搜索的实战对局。2. 棋盘编码与走法生成先让程序能看能走神经网络不认识棋子遗传算法也不认识九宫格所以第一步是把中国象棋的棋盘转成定长数值向量。这一步做得好不好直接决定后面每一代自对弈的速度和训练能否收敛。2.1 用 90 个整数和一个“当前视角”编码棋盘常见的做法是把棋盘存成 10 行 9 列的二维数组空位记 0红子记正数黑子记负数。帅1、仕2、相3、马4、车5、炮6、兵7黑方对应 -1 到 -7。这样每次走棋只改一两个位置红黑颜色互换时整个数组乘 -1 就行。import numpy as np # board 是 10x9 的二维数组board[pos] 取值 0 或 ±1..±7 def board_to_vector(board, current_player, in_check): vec np.zeros(92, dtypenp.float32) # 把 90 个格子按行展开作为神经网络的主输入 vec[:90] board.flatten() # 第 91 位表示轮到谁走红方 1黑方 0 vec[90] 1.0 if current_player RED else 0.0 # 第 92 位表示当前方是否被将军将军状态下各走法的风险更高 vec[91] 1.0 if in_check else 0.0 return vec这套编码保留了每个棋子的绝对位置而且一条向量只有 92 个浮点数很适合遗传算法里动辄几百局的自对弈。需要提醒的是这里没有把“哪个位置被哪个棋子控制”硬编码进去网络需要自己从棋子的空间分布中学习攻击关系。2.2 合法走法生成车的滑动与马的蹩腿有了棋盘数组还要生成合法走法列表。最容易写错的地方是炮的隔子吃、马的蹩腿、象的塞象眼。下面给出车和炮的滑动走法马等其他棋子按方向查表加蹩腿判断。def generate_chariot_moves(board, x, y): # 车沿四个方向直线走遇到第一个有子的格子停止 for dx, dy in ((1,0), (-1,0), (0,1), (0,-1)): nx, ny x dx, y dy while in_board(nx, ny): if board[nx][ny] 0: yield (nx, ny) else: if is_enemy(board[nx][ny]): yield (nx, ny) break nx dx ny dy def generate_cannon_moves(board, x, y): # 炮不吃子时只能走空位吃子时必须隔一个炮架 for dx, dy in ((1,0), (-1,0), (0,1), (0,-1)): nx, ny x dx, y dy jumped False while in_board(nx, ny): if board[nx][ny] 0: if not jumped: yield (nx, ny) else: if not jumped: jumped True else: if is_enemy(board[nx][ny]): yield (nx, ny) break nx dx ny dy车和炮的差异只在一句“是否跳过炮架”。车遇到第一个有子的格子就停炮必须跳过第一枚棋子后才能吃第二枚。走法生成用的是二维棋盘评估时再调用 board_to_vector 转成向量不要试图在向量上直接做走棋否则会频繁出错。2.3 为什么编码方式直接影响后面神经网络的训练成本第 2.1 节用了 92 维输入这是对训练速度和棋力上限的折衷。另一种常见方案是 14 通道编码每个棋盘位置用 14 个 0/1 通道表示红黑双方的 7 类棋子输入维度是 14×901260。编码方式输入维度网络参数数量单局自对弈耗时棋力上限90 整数 2 状态位92约 3.4 万较低中14 通道独热编码1260约 32.5 万高较高如果只是验证遗传算法流程优先选 92 维如果内存和算力充裕再升级成通道编码。基因组的长度等于网络参数数量参数越多遗传算法在高维空间里的搜索越困难因此用 92 维起步、128 个隐藏节点是我会先跑通的第一版。3. 网络评估器设计输入、结构和“谁优谁劣”的输出语义把棋盘编码成向量只解决“神经网络能看到什么”下一步决定它怎么输出。中国象棋 AI 里用得最多的形式是评估值输出一个 [-1,1] 之间的标量正分代表当前走棋方占优负分代表当前走棋方劣势。这个语义必须严格统一否则遗传算法的适应度函数会奖励错误的行为。3.1 评估器结构输入 92两层 MLP输出夹在 [-1,1]网络不需要过于复杂。遗传算法没有反向传播无法用大批量数据做渐变式权重更新结构越大收敛越慢。我推荐的基线结构是两层全连接前两层激活函数用 ReLU输出层用 Tanh 限制范围。import torch.nn as nn class EvalNet(nn.Module): def __init__(self, input_size92, hidden128): super().__init__() self.fc1 nn.Linear(input_size, hidden) self.fc2 nn.Linear(hidden, hidden // 2) self.out nn.Linear(hidden // 2, 1) self.tanh nn.Tanh() def forward(self, x): x torch.relu(self.fc1(x)) x torch.relu(self.fc2(x)) return self.tanh(self.out(x))训练时不要加入 dropout 或 batchnorm。dropout 会引入随机性自对弈适应度评估本来就噪声大再加随机失活会让同一组权重在不同对局里分数差异明显不容易排序。网络各层参数如下网络层输出尺寸作用输入层92接受棋盘向量全连接层 1128提取棋子分布和已方子力信息全连接层 264压缩特征并学习子力互动输出层1输出 Tanh 估值如果发现进化过程难以收敛可以先把 hidden 改成 64再从变异参数找原因不一定要加层。3.2 相对视角归一化让红黑共用同一个网络我建议在评估前把棋盘统一转成“当前走棋方视角”。具体做法是把棋盘数组乘 -1无论实际是红方还是黑方都让己方棋子为正、对方棋子为负。这样网络不需要分别学习红黑两套参数天然满足对走子对称性的要求。def normalize_view(flat_board, current_player): if current_player RED: return flat_board return -flat_board转视角之后走法评估逻辑就变成遍历所有合法走法执行走法后把新棋盘交给网络选出得分最高的走法。因为输出正分代表当前方占优所以站在当前方视角选最大值不需要额外翻转符号。3.3 从评估值到落子贪心一步是默认基线遗传算法第 1 代所有权重都是随机初始化的如果用“每步搜索两层再选子”只会浪费算力。我一般先让每个个体用贪心一步下完整局即每个回合只看走完一步后的评估值选最大值作为落子。这样单局速度快遗传算法能快速把那些“稍微懂点规则”的个体筛出来。def greedy_move(board, legal_moves, net, current_player): best_move None best_score -1.0 for mv in legal_moves: next_board apply_move(board, mv) vec board_to_vector(next_board, current_player, in_check(next_board)) vec normalize_view(vec, current_player) score net(torch.tensor([vec], dtypetorch.float32)).item() if score best_score: best_score score best_move mv return best_move在进化阶段每个“棋手”都只会用这种贪心策略。贪心棋容易忽略弃子、抽将等手段但在同代竞争里它既是弱点也是筛选压力能让遗传算法找到的是“在当前评估器下胜率最高”的权重组合等到第 5 章再挂上搜索增强。4. 遗传算法训练权重从种群到能赢棋的个体现在到了核心部分用遗传算法替代反向传播让网络权重在一代代自对弈中进化。这里不需要计算损失函数也不需要标注数据只需要三件东西基因组、适应度函数、选择交叉变异流程。4.1 把神经网络权重铺平基因组与种群初始化先把 EvalNet 的所有参数扁平化成一个一维向量这个向量就是一个基因组。初始化时生成 N 个一样结构的网络参数取很小的随机值但不要全从零开始否则个体间棋力没有差异选择阶段分不出高低。def make_genome(net): parts [p.data.view(-1) for p in net.parameters()] return torch.cat(parts) def load_genome(net, genome): offset 0 for p in net.parameters(): count p.numel() p.data.copy_(genome[offset:offset count].view(p.shape)) offset count种群大小取 40 到 60 比较合适。小于 20 非常容易早熟第 10 代就陷在局部最优大于 80 则每一代自对弈次数会线性上涨普通笔记本可能一晚上都跑不完。4.2 适应度函数用自对弈结果代替损失函数适应度的核心逻辑是让两个体各持一套权重下棋赢者加分输者减分和棋得零分。为了控制单局时间我会设置 max_ply120超过就判平局如果出现重复局面也直接按和棋处理。def fitness(game, genome1, genome2): result play_self_play(genome1, genome2, max_ply120) return result # 1 表示 genome1 胜-1 表示 genome1 负0 表示平真正的训练循环常用锦标赛选择加随机配对每代先随机给每个个体安排 3 个左右对手汇总得分胜场多、负场少的个体进入下一代。注意不要用固定对手一直打否则后代只针对这一个风格过拟合最后换个对手就崩。4.3 交叉与变异参数一张值得抄到代码里的表遗传算法在权重优化上比在离散路径问题上更需要小步快跑。不少读者拿着遗传算法 python 代码模板直接迁移到棋类项目结果发现跑了一天棋力没涨问题通常出在变异率和选择压力设置上。下面这组参数是我优先推荐的首选配置。参数取值范围推荐初始值调整方向种群大小30-8050收敛过慢调大耗时过长调小变异率0.03-0.150.08后期调到 0.03减少破坏变异标准差0.02-0.100.05与网络权重绝对值同量级精英保留1-52选 2 到 3 个直接复制进下一代锦标赛 k3-53选择压力不足时调大每代对手数3-53用多对手控随机波动变异可以用高斯噪声对基因组每个位置以变异率加上随机扰动。交叉我建议用块交叉把基因组切成 8 到 16 段子代按段随机选择父本或母本这比逐位交叉破坏性小。def mutate(genome, rate0.08, sigma0.05): noise torch.randn_like(genome) * sigma mask torch.rand_like(genome) rate genome.copy_(genome noise * mask) def block_crossover(p1, p2, n_blocks16): child p1.clone() block len(p1) // n_blocks for i in range(0, len(p1), block): if torch.rand(1).item() 0.5: child[i:iblock] p2[i:iblock] return child变异率决定每一代有多少权重被扰动调太高会破坏已学会的局部棋型变异标准差控制扰动幅度。最容易被忽略的是精英保留如果不保留上一代最优个体一次随机变异就可能丢掉当前最好成绩导致整体棋力不升反降。提示如果当前代的最高胜率连续 10 代没有更新优先检查变异标准差是否大于 0.1其次看每代对手数是不是太少。把变异标准差调小、对手数从 3 提到 5通常能让收敛继续推进。5. 把进化结果装进实战浅层搜索、置换表与棋力验证网络评估单次推理很快但靠贪心一步对战只能虐随机开局。要让遗传算法训练出的神经网络变成能落地的中国象棋 AI需要在对局时叠加一个浅层 α-β 搜索并用置换表缓存已算过的局面。def alpha_beta(board, depth, alpha, beta, net, current): if depth 0: vec board_to_vector(board, current, in_check(board)) vec normalize_view(vec, current) return net(torch.tensor([vec], dtypetorch.float32)).item() moves generate_legal_moves(board) if not moves: return 1.0 if is_enemy_king_gone(board) else 0.0 for mv in moves: next_board apply_move(board, mv) score -alpha_beta(next_board, depth - 1, -beta, -alpha, net, switch_player(current)) alpha max(alpha, score) if alpha beta: break return alpha深度 2 到 3 是普通桌面级硬件的合适区间。深度超过 4 后神经网络推理次数成倍上涨落子延迟变大对棋力的边际提升却很小。如果连深度 3 都慢可以先在叶节点加载上一代最优网络做批量缓存再用深度 2 跑完整测试。最终验收可以按三组指标做快速检查与随机走子 AI 对局 50 盘胜率应接近 100%与上一代最佳个体对战 20 局看评分是否持续上升固定 30 个常见残局局面看网络给出的排序是否和人类常识一致。如果前三代提升很快后面长期不动优先把变异率调小再把每代对手数从 3 提到 5通常就能继续拉开差距。本文还有配套的精品资源点击获取