Reworking day 16
[advent-of-code-22.git] / advent16 / MainEstSort.hs
diff --git a/advent16/MainEstSort.hs b/advent16/MainEstSort.hs
new file mode 100644 (file)
index 0000000..459a10b
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,352 @@
+-- Writeup at https://work.njae.me.uk/2022/12/17/advent-of-code-2022-day-16/
+
+-- import Debug.Trace
+
+import AoC
+import Data.Text (Text)
+import qualified Data.Text.IO as TIO
+import Data.Attoparsec.Text hiding (take, D)
+import Control.Applicative
+import qualified Data.PQueue.Prio.Max as P
+import qualified Data.Set as S
+import qualified Data.Sequence as Q
+import qualified Data.Map.Strict as M
+import Data.Map.Strict ((!))
+-- import Data.Sequence ((|>), Seq((:|>)), ViewR ((:>))) 
+import Data.Sequence ( (|>), Seq((:|>)) )
+import Data.List
+import Data.List.Split (chunksOf)
+import Data.Ord
+import Control.Monad.Reader
+import Control.Lens hiding ((<|), (|>), (:>), (:<), indices)
+
+
+type RoomID = String
+
+data Tunnel = Tunnel { _tunnelTo :: RoomID, _tunnelLength :: Int}
+    deriving (Eq, Show, Ord)
+makeLenses ''Tunnel
+
+data Room = Room 
+    { _flowRate :: Int
+    , _tunnels :: S.Set Tunnel
+    } deriving (Eq, Show, Ord)
+makeLenses ''Room
+
+type Cave = M.Map RoomID Room
+data TimedCave = TimedCave { getCave :: Cave, getTimeLimit :: Int }
+
+type CaveContext = Reader TimedCave
+
+data SingleSearchState = SingleSearchState
+    { _currentRoom :: RoomID
+    , _currentTime :: Int
+    , _sOpenValves :: S.Set RoomID
+    } deriving (Eq, Show, Ord)
+makeLenses ''SingleSearchState
+
+data DoubleSearchState = DoubleSearchState
+    { _personRoom :: RoomID
+    , _personTime :: Int
+    , _elephantRoom :: RoomID
+    , _elephantTime :: Int
+    , _dOpenValves :: S.Set RoomID
+    } deriving (Eq, Show, Ord)
+makeLenses ''DoubleSearchState
+
+data Agendum s = 
+    Agendum { _current :: s
+            , _trail :: Q.Seq s
+            , _trailBenefit :: Int
+            , _benefit :: Int
+            } deriving (Show, Eq, Ord)
+makeLenses ''Agendum   
+
+type Agenda s = P.MaxPQueue Int (Agendum s)
+
+-- state, total flowed so far
+type ExploredStates s = S.Set (s, Int)
+
+
+class (Eq s, Ord s, Show s) => SearchState s where
+  emptySearchState :: RoomID -> s
+  currentFlow :: s -> CaveContext Int
+  timeOf :: s -> Int
+  successors :: s -> CaveContext (Q.Seq s)
+  -- estimateBenefit :: s -> Int -> CaveContext Int
+  estimateBenefit :: s -> CaveContext Int
+
+instance SearchState SingleSearchState where
+  emptySearchState startID = SingleSearchState 
+        { _currentRoom = startID
+        , _currentTime = 0
+        , _sOpenValves = S.empty 
+        }
+
+  currentFlow state =
+    do cave <- asks getCave
+       let valves = state ^. sOpenValves
+       let presentRooms = cave `M.restrictKeys` valves
+       return $ sumOf (folded . flowRate) presentRooms
+
+  timeOf state = state ^. currentTime
+
+  successors state = 
+    do isFF <- isFullFlow state
+       -- cave <- asks getCave
+       timeLimit <- asks getTimeLimit
+       let here = state ^. currentRoom
+       let opened = state ^. sOpenValves
+       let now = state ^. currentTime
+       succs <- agentSuccessor now opened now here
+       let succStates = Q.fromList succs
+       if isFF || (Q.null succStates)
+       then return $ Q.singleton (state & currentTime .~ timeLimit)
+       else return succStates
+
+  estimateBenefit here =  
+    do cave <- asks getCave
+       timeLimit <- asks getTimeLimit
+       let timeRemaining = timeLimit - (timeOf here)
+       cf <- currentFlow here
+       let closedValves = (cave `M.withoutKeys` (here ^. sOpenValves)) ^.. folded . flowRate
+       let sortedClosedValves = sortOn Down closedValves
+       let otherValveFlows = sum $ zipWith (*) [timeRemaining, (timeRemaining - 2) .. 0] sortedClosedValves
+       return $ (cf * timeRemaining) + otherValveFlows
+
+
+instance SearchState DoubleSearchState where
+  emptySearchState startID = DoubleSearchState 
+      { _personRoom = startID
+      , _personTime = 0
+      , _elephantRoom = startID
+      , _elephantTime = 0
+      , _dOpenValves = S.empty 
+      }
+
+  currentFlow state =
+    do cave <- asks getCave
+       let valves = S.toList $ state ^. dOpenValves
+       return $ sum $ fmap (\v -> (cave ! v) ^. flowRate) valves
+       -- let presentRooms = cave `M.restrictKeys` valves
+       -- return $ sumOf (folded . flowRate) presentRooms
+
+  timeOf state = min (state ^. personTime) (state ^. elephantTime)
+
+  successors state = 
+    do isFF <- isFullFlow state
+       -- cave <- asks getCave
+       timeLimit <- asks getTimeLimit
+       let opened = state ^. dOpenValves
+       let pNow = state ^. personTime
+       let eNow = state ^. elephantTime
+       let now = min pNow eNow
+       let pHere = state ^. personRoom
+       let eHere = state ^. elephantRoom
+       pNexts <- agentSuccessor now opened pNow pHere
+       eNexts <- agentSuccessor now opened eNow eHere
+       let nexts =  [ state & personRoom .~ (p ^. currentRoom)
+                            & personTime .~ (p ^. currentTime)
+                            & elephantRoom .~ (e ^. currentRoom)
+                            & elephantTime .~ (e ^. currentTime)
+                            & dOpenValves %~ (S.union (p ^. sOpenValves) . S.union (e ^. sOpenValves))
+                    | p <- pNexts
+                    , e <- eNexts
+                    ]
+       let dedups = if pNow == eNow && pHere == eHere
+                    then filter (\s -> (s ^. personRoom) < (s ^. elephantRoom)) nexts
+                    else nexts
+       -- let succStates = trace ("Succs: in " ++ (show state) ++ " out " ++ (show dedups)) (Q.fromList dedups)
+       let succStates = Q.fromList dedups
+       if isFF || (Q.null succStates)
+       then return $ Q.singleton (state & personTime .~ timeLimit & elephantTime .~ timeLimit)
+       else return succStates
+
+  estimateBenefit here =  
+    do cave <- asks getCave
+       timeLimit <- asks getTimeLimit
+       let timeRemaining = timeLimit - (timeOf here)
+       cf <- currentFlow here
+       let closedValves = (cave `M.withoutKeys` (here ^. dOpenValves)) ^.. folded . flowRate
+       let sortedClosedValves = fmap sum $ chunksOf 2 $  {-# SCC estSort #-} sortOn Down closedValves
+       -- let sortedClosedValves = fmap sum $ chunksOf 2 $ reverse $ sort closedValves -- no significant improvement
+       let otherValveFlows = sum $ zipWith (*) [timeRemaining, (timeRemaining - 2) .. 0] sortedClosedValves
+       -- let otherValveFlows = timeRemaining * (sum closedValves) -- 8 minute runtime rather than 1:50
+       return $ (cf * timeRemaining) + otherValveFlows
+
+
+main :: IO ()
+main = 
+  do  dataFileName <- getDataFileName
+      text <- TIO.readFile dataFileName
+      let expandedCave = successfulParse text
+      -- print cave
+      -- print $ reachableFrom cave [Tunnel "AA" 0] S.empty []
+      -- print $ compress cave
+      let cave = compress expandedCave
+      print $ part1 cave
+      print $ part2 cave
+
+-- part1 :: Cave -> Maybe (Agendum SingleSearchState)
+-- part1 cave = runReader (searchCave "AA") (TimedCave cave 30)
+
+-- part2 :: Cave -> Maybe (Agendum DoubleSearchState)
+-- part2 cave = runReader (searchCave "AA") (TimedCave cave 26)
+
+part1, part2 :: Cave -> Int
+-- part1 :: Cave -> Int
+part1 cave = maybe 0 _benefit result
+    where result = runReader (searchCave "AA") (TimedCave cave 30) :: Maybe (Agendum SingleSearchState)
+part2 cave = maybe 0 _benefit result
+    where result = runReader (searchCave "AA") (TimedCave cave 26) :: Maybe (Agendum DoubleSearchState)
+
+searchCave :: SearchState s => String -> CaveContext (Maybe (Agendum s))
+searchCave startRoom = 
+    do agenda <- initAgenda startRoom
+       aStar agenda S.empty
+
+initAgenda :: SearchState s => String -> CaveContext (Agenda s)
+initAgenda startID = 
+    do let startState = emptySearchState startID
+       b <- estimateBenefit startState 
+       return $ P.singleton b Agendum { _current = startState, _trail = Q.empty, _trailBenefit = 0, _benefit = b}
+
+aStar ::  SearchState s => Agenda s -> ExploredStates s -> CaveContext (Maybe (Agendum s))
+aStar agenda closed 
+    -- | trace ("Peeping " ++ (show $ fst $ P.findMin agenda) ++ ": " ++ (show reached) ++ " <- " ++ (show $ toList $ Q.take 1 $ _trail $ currentAgendum) ++ " :: " ++ (show newAgenda)) False = undefined
+    -- | trace ("Peeping " ++ (show $ _current $ snd $ P.findMax agenda) ++ " : foundFlow " ++ (show $ _trailBenefit $ snd $ P.findMax agenda)) False = undefined
+    -- | trace ("Peeping " ++ (show $ P.findMax agenda)) False = undefined
+    | P.null agenda = return Nothing
+    | otherwise = 
+        do  let (_, currentAgendum) = P.findMax agenda
+            let reached = currentAgendum ^. current
+            nexts <- candidates currentAgendum closed
+            let newAgenda = foldl' (\q a -> P.insert (_benefit a) a q) (P.deleteMax agenda) nexts
+            -- let beamAgenda = P.fromDescList $ P.take 10000 newAgenda -- agenda beam width
+            -- let beamAgenda = P.fromDescList $ P.take 5000 newAgenda -- agenda beam width
+            -- let beamAgenda = P.fromDescList $ P.take 1000 newAgenda -- agenda beam width
+            reachedGoal <- isGoal currentAgendum
+            -- let cl = (reached, currentAgendum ^. trailBenefit, Q.length $ currentAgendum ^. trail)
+            let cl = (reached, currentAgendum ^. trailBenefit)
+            if reachedGoal
+            then return (Just currentAgendum)
+            else if (cl `S.member` closed)
+                 then aStar (P.deleteMax agenda) closed
+                 else aStar newAgenda (S.insert cl closed)
+                 -- else aStar beamAgenda (S.insert cl closed)
+
+
+candidates :: SearchState s => Agendum s -> ExploredStates s -> CaveContext (Q.Seq (Agendum s))
+candidates agendum closed = 
+    do  let candidate = agendum ^. current
+        let previous = agendum ^. trail
+        let prevBenefit = agendum ^. trailBenefit
+        succs <- successors candidate
+        succAgs <- mapM (makeAgendum previous prevBenefit) succs
+        -- let nonloops = Q.filter (\s -> (s ^. current, s ^. trailBenefit, Q.length $ s ^. trail) `S.notMember` closed) succAgs
+        let nonloops = Q.filter (\s -> (s ^. current, s ^. trailBenefit) `S.notMember` closed) succAgs
+        return nonloops
+
+
+agentSuccessor :: Int -> S.Set RoomID -> Int -> RoomID -> CaveContext [SingleSearchState]
+agentSuccessor now opened aTime here 
+  | aTime /= now = return [SingleSearchState { _currentRoom = here, _currentTime = aTime, _sOpenValves = opened }]
+  | otherwise = 
+      do  cave <- asks getCave 
+          timeLimit <- asks getTimeLimit
+          let remaining = S.toList $ S.filter (\t -> (t ^. tunnelTo) `S.notMember` opened) ((cave ! here) ^. tunnels)
+          let moves = [ SingleSearchState 
+                            { _currentRoom = (t ^. tunnelTo)
+                            , _currentTime = now + (t ^. tunnelLength)
+                            , _sOpenValves = opened
+                            }
+                      | t <- remaining
+                      , now + (t ^. tunnelLength) <= timeLimit
+                      ]
+          let opens = if here `S.notMember` opened && (cave ! here) ^. flowRate > 0
+                      then [SingleSearchState { _currentRoom = here, _currentTime = aTime + 1, _sOpenValves = S.insert here opened }]
+                      else []
+          -- let nexts = moves ++ opens
+          let nexts = if null opens then moves else opens
+          let nexts' =  if null nexts
+                        then [ SingleSearchState 
+                                { _currentRoom = here
+                                , _currentTime = timeLimit
+                                , _sOpenValves = opened
+                                } ]
+                        else nexts
+          return nexts'
+
+makeAgendum :: SearchState s => Q.Seq s -> Int -> s -> CaveContext (Agendum s)
+makeAgendum previous prevBenefit newState = 
+    do predicted <- estimateBenefit newState --  (Q.length previous)
+       -- cf <- currentFlow newState
+       oldFlow <- lastFlow previous (timeOf newState)
+       let newTrail = previous |> newState
+       let incurred = prevBenefit + oldFlow
+       return Agendum { _current = newState
+                      , _trail = newTrail
+                      , _trailBenefit = incurred
+                      , _benefit = incurred + predicted
+                      }
+
+lastFlow :: SearchState s => Q.Seq s -> Int -> CaveContext Int
+lastFlow Q.Empty _ = return 0
+lastFlow (_ :|> previous) newTime = 
+  do cf <- currentFlow previous
+     let dt = newTime - (timeOf previous)
+     return (cf * dt)
+
+isGoal :: SearchState s => Agendum s -> CaveContext Bool
+isGoal agendum = 
+  do timeLimit <- asks getTimeLimit
+     let s = agendum ^. current
+     return $ (timeOf s) == timeLimit
+
+isFullFlow :: SearchState s => s -> CaveContext Bool
+isFullFlow state = 
+  do cave <- asks getCave
+     cf <- currentFlow state
+     let ff = sumOf (folded . flowRate) cave
+     return (cf == ff)
+
+compress :: Cave -> Cave
+compress cave = M.mapWithKey (compressRoom cave) cave
+
+compressRoom :: Cave -> RoomID -> Room -> Room
+compressRoom cave here room = room & tunnels .~ t'
+  where t' = reachableFrom cave [Tunnel here 0] S.empty S.empty
+
+reachableFrom :: Cave -> [Tunnel] -> S.Set RoomID -> S.Set Tunnel -> S.Set Tunnel
+reachableFrom _ [] _ routes = routes
+reachableFrom cave (tunnel@(Tunnel here len):boundary) found routes
+  | here `S.member` found = reachableFrom cave boundary found routes
+  | otherwise = reachableFrom cave (boundary ++ (S.toList legs)) (S.insert here found) routes'
+  where exits = (cave ! here) ^. tunnels
+        exits' = S.filter (\t -> (t ^. tunnelTo) `S.notMember` found) exits
+        legs = S.map (\t -> t & tunnelLength .~ (len + 1)) exits'
+        routes' = if (len == 0) || ((cave ! here) ^. flowRate) == 0
+                  then routes
+                  else S.insert tunnel routes
+
+
+-- Parse the input file
+
+caveP :: Parser Cave
+valveP :: Parser (RoomID, Room)
+roomP :: Parser Room
+tunnelsP :: Parser (S.Set Tunnel)
+tunnelTextP :: Parser Text
+
+caveP = M.fromList <$> valveP `sepBy` endOfLine
+valveP = (,) <$> ("Valve " *> (many1 letter)) <*> roomP
+roomP = Room <$> (" has flow rate=" *> decimal) <*> (tunnelTextP *> tunnelsP)
+    -- where roomify v ts = Room {flowRate = v, tunnels = ts }
+tunnelsP = (S.fromList . (fmap (flip Tunnel 1))) <$> (many1 letter) `sepBy` ", "
+tunnelTextP = "; tunnels lead to valves " <|> "; tunnel leads to valve "
+
+successfulParse :: Text -> Cave
+successfulParse input = 
+  case parseOnly caveP input of
+    Left  _err -> M.empty -- TIO.putStr $ T.pack $ parseErrorPretty err
+    Right cave -> cave
\ No newline at end of file