Dota游戏中的人工智能.docx

Dota游戏中的人工智能技术
杨国强（2008242039）

摘要：Dota游戏有一个模式是人机对抗模式，在这个模式下人可以和AI进行对抗，Dota游戏中的AI设计的非常之棒，作为一个本身上手就很复杂，对操作要求很高，而且衍生非常多游戏战术的这么一款游戏，它的AI设计难度按说非常之大，但Dota的AI设计者水平非常之高，Dota的AI水平只有拥有相当高的水平的游戏爱好者才能与之抗衡。

Dota游戏的AI设计中，大量采用了神经网络技术，以实现一到多人与AI进行的在Dota游戏中的人机对抗。

关键词： Dota AI 神经网络 人机对抗

引言

人机对抗技术其实不是什么新技术，早在 1963 年，第一次人机对抗的事件就发生了。当时的国际象棋大师兼教练大卫·布龙斯坦怀疑计算机的创造性能力，于是便同意用自己的智慧与计算机较量。下棋的时候他有一个非常不利的条件：让一个后。但当对局进行到一半时，计算机就把布龙斯坦的一半兵力都吃掉了。这时，布龙斯坦要求再下一局，但这次却不再让子了！

1997 年 5 月 11 日，在人与计算机之间挑战赛的历史上可以说是历史性的一天。计算机在正常时限的比赛中首次击败了等级分排名世界第一的棋手。加里卡斯帕罗夫以 2.5:35 输给 IBM 的计算机程序 “深蓝”。机器胜利的标志着国际象棋历史的新时代。也标志这人机对抗技术发展的逐步成熟。

电子游戏中的人机对抗本质上和棋类的人机对抗是一样的，即在一定的规则限制下，若干个人与电脑AI的，以达成一定成就为目标的对抗。

值得注意的是Dota仅仅是魔兽争霸这款游戏的一个地图，作为AI的设计者不会从中获得一点好处，他们的工作彰显的更多的是对人工智能这门学科的热爱。

Dota游戏规则明确，控制逻辑复杂，AI设计目标明确，难度很大。在这样难度下，Dota的AI水平能达到如此高度，值得我们对其进行研究。

（一） 神经网络系统概述

人工神经网络系统是模拟人思维的一种方式，仿照生物的大脑来工作。
神经元的构成是独特的。每个神经元都长有轴突，用来将信号传递给其他神经元。
神经元由一个细胞体、树突和一根轴突组成。树突由细胞体向各个方向长出，用来接收信号；轴突也有很多分支， 通过分支的末梢和其他神经元的树突相接触，形成突触。一个神经元是通过轴突和突出把产生的信号送至其他神经 元。每个神经元通过它的树突，与大约1万个其他神经元连接。
每个神经元只有两种状态：兴奋和不兴奋。神经元把所有从树突的突触上接受来的激励信号，通过我们目前还未知 的的方式相加。如果相加所得结果超过某种阈值，则该神经元就会被激励，变得兴奋，同时产生一个激励信号，通 过它轴突的突触，把产生的信号传给其他神经元；如果相加所得结果没有超过阈值，该神经元就不会 被激励。
虽然单个神经元的结构极其简单，功能有限，频率大约只有100Hz，但正因为有数量巨大的神经元，相互连接 构成一个庞大的并行处理网络，所以整个神经网络系统具备难以置信的能力：

1.能实现无监督的学习

功能完整的神经网络系统可以实现自行学习，而不需要导师的监督教导。如果一个神经元在一段时间内受到较高频 率的刺激，则它和输入信号的神经元之间的连接强度就会在一定程度上改变，使得该神经元下一次受到刺激时，更 容易兴奋。

2.对损伤有冗余性

神经网络系统即使受到了损伤，它依然能执行复杂的工作。

3.处理信息的效率极高。

神经元之间的信息传递速度，与计算机CPU中数据传递的速度相比，是非常非常慢的 。但因为神经网络系统采取了并行处理方式，使得整个系统可以同时处理巨量的数据，因此整体处理速度得到极大 的提升。

4.善于归纳推广

神经网络系统和计算机不同，前者极其擅长模式识别，并能根据已经掌握的信息进行归纳推广。比如，一个人可以 阅读另一个人手写的文字，即使这前者以前从未见过后者写的东西。

5.拥有意识

这是神经学家和人工智能研究者至今仍在商讨的话题。人拥有意识，这是无可辩驳的，但除了人以外，拥有完整神 经网络系统的其他事物，是否也拥有意识？。

(二) 神经网络的训练

一旦神经网络构建完毕，就可以对其进行训练，使其处理数据的能力符合最初的设计要求。
假设需要该神经网络识别物体A。
①为神经网络中，每一个层、每一个人工神经元里每一个权重赋予初始数值。
②对输入层中的人工神经元输入需要识别的一系列数据。
③对于每一种输入配置，检查它的输出是什么，并调整相应的权重。
输入一张图片，里面画的不是物体A，而是其他物品。这时网络应输出一个0。
对与每个非物体A的图片数据，都要调节网络权重，使得它的输出趋向于0；对于每个物体A的图片数据，也要调节网络权重，使得它的输出趋向于1。
④成功识别出物体A后，通过再次训练，就可以使网络识别其他物体B、C、D等等。
这种类型的训练称为有监督的学习，用来训练的数据成为训练集。调整权重可以采用许多方法，这里采用反向传播方法。

（三） Dota AI的设计

3.1 DOTA概念

DOTA是电脑领域上新兴的一个多人对抗项目，全称为Defense Of The Ancients，即守卫遗迹。它的编写者名为Ice Frog。

3.2 DOTA规则

DOTA是一个多人的人人对抗项目。但它的规则在某些方面与象棋类似。

1） 参与对抗的对抗者最多为10人，分为两大阵营，每方阵营各5人。

2）每个参与者扮演一名“棋子”。每个棋子拥有生命力、战斗力等属性，可以通过学不同的技能，购买不同的 物品提升自身的实力。

3)双方所有棋子在一定的地域内活动。同时，双方各有一座遗迹，和数个保卫遗迹的建筑物

4）每一方的棋子都必须不计一切代价保护己方的建筑物和遗迹，同时利用一切可行方式去摧毁敌方的建筑物和遗迹。

5）一旦一方棋子率先突破防御，摧毁了对方的遗迹，该方立即获胜，并宣告对抗终结。

3.3 Dota AI的理论设计

Dota AI采用以模拟法为主导，工程学为辅助的算法，在理 论上构建一个人工智系统。
理论上，一个完整的人工智能系统，应包含如下几大部分。

1. 巡查系统
子功能包括：
信号转化
行为限制

2控制系统
子功能包括：
发布指令
响应指令
执行结果反馈

3 指令中心
子功能包括：
知己知彼
探索活动区域
提升棋子实力

3.4大系统的具体实现思路

巡查系统
1）信号转化功能
由于各种信息的视觉信号，都与电脑内存中具体的数据相对应，所以，只要将这种对应关系整理出来，列成一个可 查询的表格，就能实现信号转化功能。
输入待转化信号 → 查询表格 → 得到输出结果
2）行为限制功能
违反规则的行为共有下列几种：
使用作弊工具，非法修改角色的金钱资源 → 非法改变金钱
使用作弊工具，非法修改棋子的实力 → 非法提升实力
以任何方式利用DOTA自身的漏洞 → 利用BUG。
一旦一个电脑角色发出的指令，其具体数据通过逐条比较后，与违规行为数据组中的数据整体相似，就可以认定这 个指令违规。

控制系统
为了实现指令的发布与响应功能，这里构造一个指令队列系统。
构造方式如下：
1）系统为每一个电脑角色的棋子分配一个指令队列
2）每个指令队列中包含有编号1至编号10，一共10个（总数可变）指令单元
3）每个指令单元均有6项数据，分别是指令单元的指令、指令的目标单位、指令的目标地点、指令的计时器、指 令的描述、指令的描述注解。
4）指令单元每项数据的作用：
5）指令队列中若存在指令，棋子将按编号从1至指令总数量（最大数量10），依次执行指令单元中 的指令。
6）电脑角色对指令队列进行的操作，共有如下几种：
①下达一个立刻执行指令
下达的指令会直接替换编号1的指令单元中的指令，无论棋子刚才在做什么，现在都会立刻执行新下 达的指令。
②在指定编号的指令单元中下达一个非立刻执行指令，或在指令队列最后附加一个非立刻执行的指令
这可以让棋子拥有做出一系列指定动作（即使用计谋）的能力。
③清除指令队列中所有指令
这可以让棋子处于原地待命状态。

命令中心
1）知己知彼功能
一个角色的整体实力包括其拥有的金钱资源，棋子本身实力（生命力、战斗力）和技能、物品对棋子本身实力的提升。
设一个角色金钱资源为M，棋子本身生命力为H，棋子本身战斗力为A，棋子已经学习的技能对生命力、战斗力的 提升为S、I，棋子已经购买的技能对生命力、战斗力的提升为S'、I'，整体实力为T。
则会有一个线性函数F，使得T=F(M,H,A,S,I,S',I')。
对于每一个角色（无论敌我），由于它各种数值（除了坐标数值） 虽然会改变，但在一定时间范围内（数秒到数分钟）可以保持稳定不突变（就算现在突然改变了，但也再会保持一 定时间，才再次改变），因此在这段稳定期内，可以使用函数F求出整体实力T。
2）探索活动区域功能
①半工程学方面，由于整个活动区域内各项地形数值不会改变（地面不会在这里凸起一块，或凹进一块等），因此 一个地域内的地形的重要性（是否利于防守、是否毫无战略价值等），在一开始就被设置好了，不会改变。
②半模拟法方面，由于电脑角色只需要求出自身、敌方每个未露面棋子整体实力，然后通过简单权重计算，算出棋 子到达未探索的目的地时，万一遇见敌方棋子时，是否敌得过即可。
所以构建一个只有一个神经元的系统。
神经元依次把五个输入与其对应的权重（电脑角色对于每个敌方角色的实力预估）相乘，并求积的总和。如果最终 激励值超过神经元的阈值，则去目标地点探索承担的风险可以接受；否则表示去目标地点探索承担的风险太大，不可接受。
3）提升棋子实力功能
提升棋子实力主要通过两点，技能的（多选一）学习和物品的（多选一）购买。
技能的学习：
技能可以提升棋子的生命力或战斗力。
每个棋子每一等级可以学习一个技能（从自身技能库中五选一），由于一个技能不会同时提升生命力和战斗力，因 此需要评估所有类别的技能的各项数据，找出学习哪一个技能后，棋子整体实力提升最明显。
由于通用技能学习神经网络需要做到五选一，存在竞争关系，因此需要使用竞争网络。
构建一个只有输入层和竞争层的双层竞争网络。
输入层由处理单元构成，处理单元的作用是将输入的，可以完整描述一个棋子自身实力的所有数据，转化为一个输 入模式。对于每一个棋子，输入模式是通用的，但因为每个技能都不相同，所以竞争单元也不相同。
竞争层由五个竞争单元组成。每个竞争神经单元都与输入层的处理单元相连接，如果一个竞争单元输入的加权和最 大，则该竞争单元对应的技能成为优胜者，被棋子学习。
由于技能的复杂性，这个竞争网络必须由人工监督训练。
物品的购买：
物品也可以提升棋子的生命力或战斗力。
物品总量众多，而且物品的购买不受棋子种类限制（就是说对于每一个棋子，它能购买的物品都是相同的）。物品 的购买仅仅受限于电脑角色的金钱资源，和棋子所携带物品总量（一个棋子最多可以携带6个物品） 。
电脑角色在为棋子购买物品时，不可能把每一个物品都买一遍，因此需要评估所有类别的物品的各项数据，找出购 买哪一个物品后，棋子整体实力提升最明显。
对于一些棋子的部分物品，也存在一些常识性购买规则，这些规则是人类角色通过无数次试验，得到的常识。如果 一个棋子物品购买部分存在常识性购买规则，物品将优先按照该规则以固定的方式购买。
如果一个棋子没有或只有很少常识性学习规则，那么就需要使用一个通用物品购买神经网络，通过该网络求最优解 。
由于通用物品购买神经网络需要做到多选一，存在竞争关系，因此需要使用竞争网络。
构建一个只有输入层和竞争层的双层竞争网络。
由于物品的复杂性，这个竞争网络必须也由人工监督训练。
4）实时评估功能
发生遭遇战时，巡查系统会对每个电脑角色进行通告，并为其提供战况情报与数据。
对敌我双方临近战场棋子整体实力的评估，是通过一个神经元进行的。这个神经元构造与实现“探索活动区域”功 能的神经元相似，只不过目的地坐标被自动设定为战场。
这个评估是告诉一个电脑角色，加入战斗有多大风险，多大的胜算。电脑角色将评估结果于自身的性格值结合，最后决定是否加入战斗。
电脑角色谋略的使用，是靠一个竞争网络实现的。
总结
上述全部内容就是一个DOTA人工智能系统的构建理论和实现思路。
理论的核心内容是通过三大系统，即巡查系统、控制系统和命令中心，来实现一个人工智能的完整功 能。
1）巡查系统就像是个裁判，它为电脑角色提供知觉能力，同时每时每刻监督电脑角色的行为，如果发现电脑角色 违规，就会警告该角色并责令改正。
2）控制系统是一个带有反馈环节的控制手段，它为电脑角色提供对棋子的绝对控制权力，使电脑角色能够有效地将思维通过棋子的行为表现出来。
3）命令中心类似于人类的大脑，它为电脑角色提供思维能力，电脑角色通过这个系统产生意识，会对感知环境，并对对各种复杂状况做出反应。
整个人工智能实际制作起来的难点，一是理论的建立，二是算法的设计，而算法的设计又依赖于现有 数据的输入。
理论为实际算法和程序代码提供思路，反过来实际算法和程序代码会通过自身的设计、执行来支持理 论的正确性。
编写一个DOTA人工智能系统虽然是非常费时的工作，但它由于使用了人工神经网络系统，因此不论是功能方面 、排错维护方面，还是算法复杂度、实际代码所需量，都比完全工程学方法编写的人工智能系统强大 。
所有系统中，以第三大系统命令中心“实施评估”功能最为重要。可以说一切其他的智能，都建立在电脑角色正确 识别当前环境、当前棋子实力等数据的基础上。

参考文献

[1]Mat Buckland[美].《戏编程中的人工智能技术》 （AI Techniques for Game Programming).清华大学出版社. 2006.5
[2]《ASS使用教程》
[3]《神经网络的人机对抗人工智能系统》 Harreke（Dota AI作者）