2026-rff_mp/konnovaea/lab2/docs/lab2_report.ipynb

{
 "cells": [
  {
   "cell_type": "markdown",
   "id": "bdef001e",
   "metadata": {},
   "source": [
    "# Отчёт \n",
    "## Поиск выхода из лабиринта: применение паттернов проектирования\n",
    "\n",
    "**Студент:** Коннова Е.А.\n",
    "**Группа:** 429\n",
    "**Дата:** 22.05.2026"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "id": "21f948a4",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Введение\n",
    "\n",
    "### О чём это работа\n",
    "В данной работе реализуется программа для поиска выхода из лабиринта с применением паттернов проектирования. Поддерживаются три алгоритма поиска пути: BFS, DFS и A*.\n",
    "\n",
    "### Цель работы\n",
    "Разработать гибкую, расширяемую программу для загрузки лабиринта из файла, поиска пути от старта до выхода с возможностью выбора алгоритма, визуализации процесса и экспериментального сравнения алгоритмов. Применить минимум 3 паттерна проектирования.\n",
    "\n",
    "### Задачи\n",
    "1. Реализовать модель лабиринта (классы Cell, Maze)\n",
    "2. Реализовать загрузку лабиринта из файла (паттерн Builder)\n",
    "3. Реализовать алгоритмы поиска пути (паттерн Strategy): BFS, DFS, A*\n",
    "4. Реализовать класс-оркестратор MazeSolver со сбором статистики\n",
    "5. Реализовать визуализацию (паттерн Observer) и пошаговое управление (паттерн Command)\n",
    "6. Провести эксперименты на лабиринтах разной сложности\n",
    "7. Сравнить результаты и сделать выводы\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "id": "cf1dc2ba",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Часть 1. Паттерны проектирования\n",
    "\n",
    "### Использованные паттерны\n",
    "\n",
    "| Паттерн | Назначение | Реализация |\n",
    "|---------|------------|------------|\n",
    "| Builder | Создание лабиринта из файла | TextFileMazeBuilder |\n",
    "| Strategy | Семейство алгоритмов поиска | BFSStrategy, DFSStrategy, AStarStrategy |\n",
    "| Observer | Уведомление о событиях | ConsoleView |\n",
    "| Command | Отмена ходов | MoveCommand |\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "id": "55cef4b9",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Часть 2. Реализация\n",
    "\n",
    "### 2.1 Модель лабиринта\n",
    "\n",
    "**Класс Cell** - клетка лабиринта\n",
    "- Поля: x, y, is_wall, is_start, is_exit\n",
    "- Метод: is_passable() - возвращает True, если не стена\n",
    "\n",
    "**Класс Maze** - лабиринт\n",
    "- Поля: width, height, cells[][], start, exit\n",
    "- Методы: get_cell(x, y), get_neighbors(cell)\n",
    "\n",
    "### 2.2 Загрузка лабиринта (Builder)\n",
    "\n",
    "**TextFileMazeBuilder**\n",
    "- Читает файл с символами (# - стена, пробел - проход, S - старт, E - выход)\n",
    "- Создаёт клетки с нужными флагами\n",
    "- Возвращает готовый Maze\n",
    "\n",
    "### 2.3 Алгоритмы поиска (Strategy)\n",
    "\n",
    "**Интерфейс PathFindingStrategy**\n",
    "- Метод: find_path(maze, start, exit) возвращает (путь, количество_посещённых)\n",
    "\n",
    "**BFSStrategy** - поиск в ширину (очередь)\n",
    "- Гарантирует кратчайший путь\n",
    "\n",
    "**DFSStrategy** - поиск в глубину (стек)\n",
    "- Быстрый, но не гарантирует кратчайший путь\n",
    "\n",
    "**AStarStrategy** - A* (приоритетная очередь)\n",
    "- Использует эвристику (манхэттенское расстояние)\n",
    "\n",
    "### 2.4 Оркестратор\n",
    "\n",
    "**MazeSolver**\n",
    "- Поля: maze, strategy\n",
    "- Методы: set_strategy(), solve() → SearchStats\n",
    "\n",
    "**SearchStats**\n",
    "- Поля: path, time_ms, visited_count, path_length"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "id": "5c9bd0d2",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Часть 3. Эксперименты\n",
    "\n",
    "### 3.1 Условия\n",
    "\n",
    "| Параметр | Значение |\n",
    "|----------|----------|\n",
    "| Повторений | 5 |\n",
    "| Алгоритмы | BFS, DFS, A* |\n",
    "| Лабиринты | Простой (10x10), С тупиками (50x50), Пустой (100x100), Без выхода |\n",
    "\n",
    "### 3.2 Тестовые лабиринты\n",
    "\n",
    "| Лабиринт | Размер | Характеристика |\n",
    "|----------|--------|----------------|\n",
    "| Простой | 10x10 | Прямой путь от старта к выходу |\n",
    "| С тупиками | 20x20 | Много тупиков, запутанный |\n",
    "| Пустой | 50x50 | Без стен (максимальная производительность) |\n",
    "| Без выхода | 10x10 | Выход отгорожен стенами |\n",
    "\n",
    "### 3.3 Результаты экспериментов\n",
    "\n",
    "| Лабиринт | Стратегия | Время (мс) | Посещено клеток | Длина пути |\n",
    "|----------|-----------|------------|-----------------|------------|\n",
    "| Простой (10x10) | BFS | 0.020 | 11 | 6 |\n",
    "| Простой (10x10) | DFS | 0.012 | 9 | 8 |\n",
    "| Простой (10x10) | A* | 0.020 | 9 | 6 |\n",
    "| С тупиками (20x20) | BFS | 0.492 | 306 | 35 |\n",
    "| С тупиками (20x20) | DFS | 0.234 | 198 | 81 |\n",
    "| С тупиками (20x20) | A* | 0.456 | 225 | 35 |\n",
    "| Пустой (50x50) | BFS | 3.486 | 2304 | 95 |\n",
    "| Пустой (50x50) | DFS | 10.452 | 2304 | 1129 |\n",
    "| Пустой (50x50) | A* | 5.743 | 2304 | 95 |\n",
    "| Без выхода | BFS | 0.010 | 1 | нет пути |\n",
    "| Без выхода | DFS | 0.003 | 1 | нет пути |\n",
    "| Без выхода | A* | 0.004 | 1 | нет пути |\n",
    "\n",
    "### 3.4 Графики\n",
    "\n",
    "#### Простой лабиринт (10x10)\n",
    "\n",
    "![Время](data/simple_time_graph.png)\n",
    "![Посещено](data/simple_visited_graph.png)\n",
    "![Длина пути](data/simple_path_graph.png)\n",
    "\n",
    "#### Лабиринт с тупиками (20x20)\n",
    "\n",
    "![Время](data/dead_time_graph.png)\n",
    "![Посещено](data/dead_visited_graph.png)\n",
    "![Длина пути](data/dead_path_graph.png)\n",
    "\n",
    "#### Пустой лабиринт (50x50)\n",
    "\n",
    "![Время](data/empty_time_graph.png)\n",
    "![Посещено](data/empty_visited_graph.png)\n",
    "![Длина пути](data/empty_path_graph.png)\n",
    "\n",
    "#### Лабиринт без выхода\n",
    "\n",
    "![Время](data/noexit_time_graph.png)\n",
    "![Посещено](data/noexit_visited_graph.png)\n",
    "\n",
    "### 3.5 Общая таблица результатов\n",
    "\n",
    "![Таблица](data/maze_table_results.png)\n",
    "\n",
    "### 3.6 Анализ результатов\n",
    "\n",
    "**Простой лабиринт (10x10):**\n",
    "- BFS и A* нашли кратчайший путь (6 шагов)\n",
    "- DFS нашёл более длинный путь (8 шагов), но был быстрее всех\n",
    "\n",
    "**Лабиринт с тупиками (20x20):**\n",
    "- BFS и A* нашли кратчайший путь (35 шагов)\n",
    "- DFS нашёл очень длинный путь (81 шаг), так как ушёл в глубину по тупикам\n",
    "\n",
    "**Пустой лабиринт (50x50):**\n",
    "- BFS и A* нашли кратчайший путь (95 шагов)\n",
    "- DFS нашёл очень длинный путь (1129 шагов)\n",
    "\n",
    "**Лабиринт без выхода:**\n",
    "- Все алгоритмы посетили только стартовую клетку (1) и вернули \"нет пути\"\n",
    "\n",
    "### 3.7 Сравнение алгоритмов\n",
    "\n",
    "| Алгоритм | Кратчайший путь | Скорость | Память | Когда использовать |\n",
    "|----------|-----------------|----------|--------|-------------------|\n",
    "| BFS | Да | Средняя | Много | Нужен гарантированно кратчайший путь |\n",
    "| DFS | Нет | Быстрая | Мало | Важна скорость, не важна длина пути |\n",
    "| A* | Да | Быстрая | Средне | Большие лабиринты, есть эвристика |\n",
    "\n",
    "\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "id": "e687a8ee",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Заключение\n",
    "\n",
    "### Выводы\n",
    "\n",
    "1. **BFS** гарантирует кратчайший путь, но медленнее на больших лабиринтах\n",
    "2. **DFS** самый быстрый, но путь может быть очень длинным\n",
    "3. **A*** - лучший компромисс: находит кратчайший путь и работает быстро\n",
    "\n",
    "### Рекомендация\n",
    "\n",
    "Для поиска выхода из лабиринта рекомендуется использовать **A*** - он сочетает скорость и оптимальность.\n",
    "\n",
    "### Как паттерны помогли\n",
    "\n",
    "| Изменение | Без паттернов | С паттернами |\n",
    "|-----------|---------------|--------------|\n",
    "| Добавить новый алгоритм | Изменить MazeSolver | Создать новую стратегию |\n",
    "| Сменить визуализацию | Переписать MazeSolver | Добавить новый Observer |\n",
    "\n",
    "**Итог:** Паттерны сделали код гибким и расширяемым."
   ]
  }
 ],
 "metadata": {
  "language_info": {
   "name": "python"
  }
 },
 "nbformat": 4,
 "nbformat_minor": 5
}