Projekt nr 1 - generator ewolucyjny Niniejsza treść została zaadaptowana na podstawie opisu oraz ilustracji przygotowanych przez Wojciecha Kosiora. Inspiracją dla niego była z kolei książka "Land of Lisp" Conrada Barskiego, który zaś zainspirował się artykułem w "Scientific American" :-)
Cel projektu: Stwórzmy grę! Nie będzie to jednak gra, w którą my gramy. Zamiast tego będzie to świat, który ewoluuje na naszych oczach! Stworzymy środowisko stepów i dżungli ze zwierzętami, które biegają, buszują w zaroślach, jedzą i rozmnażają się. A po kilka milionach lat zobaczymy, że wyewoluowały w różne gatunki!
Świat naszej gry jest niezmiernie prosty. Składa się ze zwykłej, prostokątnej połaci, której brzegi zawijają się na drugą stronę1. Większość świata pokrywają stepy, na których rośnie niewiele roślin stanowiących pożywienie zwierząt. Na środku świata znajduje się niewielka dżungla, gdzie rośliny rosną dużo szybciej.
Nasze zwierzęta, które są roślinożercami, będą przemierzały ten świat w poszukiwaniu pożywienia. Każde zwierzę ma określoną energię, która zmniejsza się co dnia. Znalezienie i zjedzenie rośliny zwiększa poziom energii o pewną wartość.
Rośliny będą wyrastały w losowych miejscach, ale ich koncentracja będzie większa w dżungli niż na stepie. Codziennie w naszym świecie pojawią się dwie nowe rośliny – jedna w każdej ze stref.
Anatomia zwierzęcia
Musimy śledzić kilka cech każdego zwierzęcia. Po pierwsze, zarówno w przypadku rośliny jak i tych, którzy je zjadają, musimy znać koordynaty x i y. Wskazują nam one, gdzie dane zwierzę lub roślina jest na mapie. Musimy także wiedzieć, ile energii ma dane zwierzę. To Darwinowska gra o przetrwanie, więc jeśli zwierzątko nie zdoła zdobyć odpowiedniej ilości pożywienia, będzie głodować i umrze. Atrybut "energia" mówi nam, ile dni zostało jeszcze danemu zwierzątku. Musi ono koniecznie znaleźć więcej jedzenia, zanim zapas energii się wyczerpie. Musimy także pamiętać, w którą stronę zwrócone jest zwierzę. Jest to ważne, ponieważ będzie ono przechodzić na sąsiedni kwadracik na mapie świata każdego dnia. Jest osiem różnych możliwych obrotów.
Obrót 0 oznacza, że zwierzę nie zmienia swojej orientacji, obrót 1 oznacza, że zwierzę obraca się o 45°, 2, o 90°, itd. Przykładowo, jeśli zwierzę było skierowane na północ i obrót wynosi 1, to zwierzę skierowane jest na północny wschód.
Na koniec musimy także przechowywać geny zwierzaka. Każde zwierzę ma 32 geny składające się z jednej liczby w zakresie od 0 do 7 (0 oznacza ruch w przód, 4 ruch w tył, a pozostałe geny reprezentują obrót: 1 - obrót o 45 stopni w prawo, itd.). Te geny reprezentują preferencje zwierzęcia względem określonego obrotu. Każdego dnia zwierzę zadecyduje czy dalej podążać w tym samym kierunku, czy skręcić i zwrócić się w inną stronę. Zrobi to na podstawie tych genów i losowo wybierze nowy kierunek. Szansa na wybranie odpowiedniego obrotu jest proporcjonalna do liczby genów reprezentujących go. Weźmy jako przykład zwierzę z genami:
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 4 4 4 4 4 4 5 5 6 6 7 7 7 7
To zwierzę najbardziej preferuje brak obrotu (p=0.25), na drugim miejscu jest obrót w prawo (2) oraz ruch w tył (4) (p=0.1875), następny w kolejności jest obrót o 315 stopni (p=0.125). Pozostałe obroty mają takie samo prawdopodobieństwo (p=0.0625).
Konsumpcja i rozmnażanie Jedzenie jest prostym procesem. Zakładamy, że zwierzę zjada roślinę, gdy stanie na jej polu, a jego energia wzrasta wtedy o zdefiniowaną wartość.
Rozmnażanie jest zwykle najciekawszą częścią każdej symulacji ze zwierzętami. Zdrowe młode może mieć tylko zdrowa para rodziców, dlatego nasze zwierzęta będą się rozmnażać tylko jeśli mają odpowiednią ilość energii. Przy reprodukcji rodzice tracą na rzecz młodego jedną czwartą swojej energii.
Urodzone zwierzę otrzymuje genotyp będący krzyżówką genotypów rodziców. Udział genów jest proporcjonalny do energii rodziców i wyznacza miejsce podziału genotypu. Przykładowo, jeśli jeden rodzic ma 50, a drugi 150 punktów energii, to dziecko otrzyma 25% genów pierwszego oraz 75% genów drugiego rodzica. Udział ten określa miejsce przecięcia genotypu, przyjmując, że geny są uporządkowane. W pierwszym kroku losowana jest strona genotypu, z której zostanie wzięta część osobnika silniejszego, np. prawa. W tym przypadku dziecko otrzymałoby odcinek obejmujący 25% lewych genów pierwszego rodzica oraz 75% prawych genów drugiego rodzica. Jeśli jednak wylosowana byłaby strona lewa, to dziecko otrzymałoby 75% lewych genów silniejszego osobnika oraz 25% prawych genów.
Symulacja Symulacja każdego dnia składa się z kilku kolejnych akcji:
usunięcie martwych zwierząt z mapy, skręt lub przemieszczenie każdego zwierzęcia (wykonanie ruchu odbywa się tylko, jeśli wylosowany kierunek to przód lub tył, w przeciwnych przypadkach zwierzę wyłącznie skręca), jedzenie (roślina jest zjadana przez zwierzę posiadające najwięcej energii lub kilka najsilniejszych zwierząt, jeśli więcej niż jedno posiada taką samą, największą energię; w takim przypadku energia rośliny jest dzielona), rozmnażanie zwierząt (rozmnażają się zawsze dwa zwierzęta o najwyższej energii na danym polu; jeśli występuje więcej zwierząt o tej samej energii, wybór jest losowy), dodanie nowych roślin do mapy. Oczywiście na początku symulacji na środku świata umieszczamy kilka zwierząt (Adam/Ewa). Liczba zwierząt na początku jest parametrem symulacji.
Szczegółowe wymagania:
Program ma wyświetlać animację pokazującą pozycje zwierząt, ich energię w dowolnej formie (np. koloru) oraz pozycje roślin. Animacja ma być realizowana z użyciem graficznego interfejsu użytkownika z wykorzystaniem biblioteki JavaFX. Program musi umożliwiać zatrzymywanie oraz wznawianie animacji w dowolnym momencie (niezależnie dla każdej mapy - patrz niżej). Program ma pozwalać na śledzenie następujących statystyk dla aktualnej sytuacji w symulacji - w przypadku wartości liczbowych, wizualizacja ma być przedstawiona jako wykres aktualizowany na bieżąco: liczby wszystkich zwierząt, liczby wszystkich roślin, dominujących genotypów (dominanta z genotypów, a nie genów), średniego poziomu energii dla żyjących zwierząt, średniej długości życia zwierząt dla martwych zwierząt (wartość uwzględnia wszystkie nieżyjące zwierzęta - od początku symulacji), średniej liczby dzieci dla żyjących zwierząt (wartość uwzględnia wszystkie powstałe zwierzęta, a nie tylko zwierzęta powstałe w danej epoce). Po zatrzymaniu programu można: wskazać pojedyncze zwierzę, co powoduje wyświetlenie jego genomu, wskazać pojedyncze zwierzę, w celu śledzenia jego historii (śledzenie rozpoczyna się w danym momencie, więc nie uwzględnia wcześniejszych dzieci, ani potomków; wartości mają być aktualizowane na bieżąco): określenia liczby wszystkich dzieci, określenia liczby wszystkich potomków, określenia epoki, w której zmarło, wskazać wszystkie zwierzęta z dominującym genomem, zapisanie statystyk do pliku (punkt 7). Program ma umożliwić wyświetlenie symulacji jednocześnie na dwóch mapach. Mapa lewa jest "zawinięta" - zwierzęta po dojściu do granicy, przechodzą na jej przeciwną stronę. Prawa mapa posiada "mur" - dojście do muru i wykonanie ruchu w jego kierunku powoduje, ze zwierzę się nie przemieszcza ("traci kolejkę"). Dla każdej mapy program umożliwia wybranie jednej z 2 zasad ewolucyjnych: zwykła oraz "magiczna". W strategii magicznej, jeśli liczba zwierząt na całej mapie wynosi 5, to 5 nowych zwierząt pojawia się na losowych, niezajętych pozycjach. Zwierzęta te są kopiami zwierząt już występujących na mapie (tzn. otrzymują ich genotyp), ale mają pełną energię początkową. Sytuacja ta może powtórzyć się 3 razy i jest sygnalizowana w interfejsie użytkownika odpowiednim komunikatem. Statystyki symulacji mają być zapisywane do pliku w formacie CSV. Zapisanie odbywa się niezależnie dla każdej mapy. Statystyki mają obejmować parametry z punktu 4 (z pominięciem dominującego genotypu). Każdy wiersz obejmuje pojedynczą epokę. Na końcu pliku mają pojawić się wartości uśrednione. Uruchomienie programu musi być możliwe za pomocą komendy Gradla. Implikuje to, że zależności aplikacji muszą być obsługiwane za pomocą Gradle'a.