{ "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 }