人工智能基础之自动规划系统
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7.1.1 规划的概念及作用
例： 救援仿真机器人系统 （RoboCup Rescue Simulation System，RCRSS） ① 消防智能体 ② 医疗智能体 ③ 警察智能体 ④ 普通市民 ⑤ 中心智能体 ⑥ 路障 ⑦ 避难所 ⑧ 着火建筑物 ⑨ 普通建筑物）
7.1 自动规划概述
7.1.1 规划的概念及作用
7.3.2 STRIPS规划系统
STRIPS系统的组成如下： (1) 世界模型。为一阶谓词演算公式。 (2) 操作符(F规则)。包括先决条件、删除表和添加表。 (3) 操作方法。应用状态空间表示和中间-结局分析。
Shakey项目技术：规划语言STRIPS（ STanford Research Institute Problem Solver——STRIPS ）和A*算法等。
STRIPS语言用来描述外部世界模型并支持任务规划，它提 供了框架问题的一种简洁、高效的解法，但理论上并不完备。
7.3 STRIPS规划系统
7.3 STRIPS规划系统
7.3.1 积木世界的机器人规划
1. 积木世界的机器人问题
状态描述谓词： ON(a,b)： 积木a在积木b之上。 ONTABLE(a)： 积木a在桌面上。 CLEAR(a)： 积木a顶上没有任何东西。 HOLDING(a)： 机械手正抓住积木a。 HANDEMPTY： 机械手为空手。
机械手
C
B
A
(a)
求解机器人完成规定工作的动作序列
机械手
A B C
(b)
7.3 STRIPS规划系统
7.3.1 积木世界的机器人规划
1. 积木世界的机器人问题
机器人能够执行的动作举例如下： unstack(a,b)：把堆放在积木b上的积木a拾起。在进行这个 动作之前，要求机器人的手为空手，且积木a的顶上是空的。 stack(a,b)： 把积木a堆放在积木b上。动作之前要求机械 手必须已抓住积木a，而且积木b顶上必须是空的。 pickup(a)： 从桌面上拾起积木a，并抓住它不放。在动作 之前要求机械手为空手，而且积木a顶上没有任何东西。 putdown(a)： 把积木a放置到桌面上。要求动作之前机械 手已抓住积木a。
第三部分叫做添加表。当把某条规则应用于某数据库时， 就把该添加表的内容添进该数据库。
7.3 STRIPS规划系统
7.3.1 积木世界的机器人规划
2.用F规则求解规划序列
例： move(x, y, z): 把物体x从物体y上面移到物体z上面。 先决条件：CLEAR(x), CLEAR(z), ON(x,y) 删除表：ON(x, y), CLEAR(z) 添加表：ON(x, z), CLEAR(y)
ห้องสมุดไป่ตู้
7.3 STRIPS规划系统
7.3.2 STRIPS规划系统
斯坦福大学人工智能研究所于1966-72年研制的Shakey机器 人是第一台能够进行行动推理的多用移动机器人，该项目融合 了机器人视觉、机器人学和自动推理研究成果。机器人的任务 是在一些相连的房间里，将用户指定的箱子推到指定的位置。 对于用户输入的每一个任务，Shakey自主地规划完成该任务的 行动并依次执行。
7.1 自动规划概述
7.1.2 规划的分类和问题分解途径
3. 域的预测和规划的修正
（1）域的预测 问题论域的预测。对于不可预测的论域，考虑可能的结果 集合，按照它们出现的可能性以某个次序排列。然后，产生一 个规划、并试图去执行这个规划。 （2）规划的修正 规划执行失败导致对规划的修正。 在规划过程中不仅要记录规划的执行步骤，而且要记录每 一步必须要执行的理由。
❖ 自动规划概述 ❖ 基于谓词逻辑的规划 ❖ STRIPS规划系统 ❖ 分层规划 ❖ 基于专家系统的机器人规划 ❖ 轨迹规划简介
7.1 自动规划概述
7.1.1 规划的概念及作用
1. 规划的概念
定义7.1 从某个特定的问题状态出发，寻求一系列行为动 作，并建立一个操作序列，直到求得目标状态为止。这个求解 过程就称为规划。
任务规划、路径规划、轨迹规划…
7.1 自动规划概述
7.1.2 规划的分类和问题分解途径
2. 问题分解途径
把某些较复杂的问题分解为一些较小的子问题。有两条实 现这种分解的重要途径。
第一条重要途径是当从一个问题状态移动到下一个状态时 ，无需计算整个新的状态，而只要考虑状态中可能变化了的那 些部分。
第二条重要途径是把单一的困难问题分割为几个有希望的 较为容易解决的子问题。
7.2 基于谓词逻辑的规划
用谓词逻辑来描述世界模型及规划过程。 o 世界模型的谓词逻辑表示
n 定义谓词 n 确定问题初始状态 n 确定问题目标状态 n 确定基本操作
o 基于谓词逻辑规划的基本过程
n 问题分解 n 子问题规划 n 得到操作序列
7.3 STRIPS规划系统
7.3.1 积木世界的机器人规划
7.3 STRIPS规划系统
7.3.1 积木世界的机器人规划
2.用F规则求解规划序列
采用F规则表示机器人的动作，这是一个叫做STRIPS规划 系统的规则，它由3部分组成：
第一部分是先决条件。为了使F规则能够应用到状态描述 中去。
第二部分是一个叫做删除表的谓词。当一条规则被应用于 某个状态描述或数据库时，就从该数据库删去删除表的内容。
2. 规划的作用
规划可用来监控问题求解过程，并能够在造成较大的危害 之前发现差错。规划的好处可归纳为简化搜索、解决目标矛盾 以及为差错补偿提供基础。
“十二五”规划、城市规划、企业发展规划
7.1 自动规划概述
7.1.2 规划的分类和问题分解途径
1. 规划的分类
（1）按规划内容分 国家、地方、重大项目、企业、交通、城市、环境… （2）按规划方法分 非递阶（非分层）规划与递阶（分层）规划；线性规划与 非线性规划；同步规划与异步规划；基于脚本、框架和本体的 规划；基于专家系统的规划；基于竞争机制的规划；… （3）按规划实质分
定义7.2 规划是对某个待求解问题给出求解过程的步骤。 规划涉及如何将问题分解为若干相应的子问题，以及如何记录 和处理问题求解过程中发现的各子问题间的关系。
定义7.3 规划系统是一个涉及有关问题求解过程步骤的系 统。如计算机或飞机设计、火车或汽车运输路径、财政和军事 规划等问题。
7.1 自动规划概述
例： 救援仿真机器人系统 （RoboCup Rescue Simulation System，RCRSS） ① 消防智能体 ② 医疗智能体 ③ 警察智能体 ④ 普通市民 ⑤ 中心智能体 ⑥ 路障 ⑦ 避难所 ⑧ 着火建筑物 ⑨ 普通建筑物）
7.1 自动规划概述
7.1.1 规划的概念及作用
7.3.2 STRIPS规划系统
STRIPS系统的组成如下： (1) 世界模型。为一阶谓词演算公式。 (2) 操作符(F规则)。包括先决条件、删除表和添加表。 (3) 操作方法。应用状态空间表示和中间-结局分析。
Shakey项目技术：规划语言STRIPS（ STanford Research Institute Problem Solver——STRIPS ）和A*算法等。
STRIPS语言用来描述外部世界模型并支持任务规划，它提 供了框架问题的一种简洁、高效的解法，但理论上并不完备。
7.3 STRIPS规划系统
7.3 STRIPS规划系统
7.3.1 积木世界的机器人规划
1. 积木世界的机器人问题
状态描述谓词： ON(a,b)： 积木a在积木b之上。 ONTABLE(a)： 积木a在桌面上。 CLEAR(a)： 积木a顶上没有任何东西。 HOLDING(a)： 机械手正抓住积木a。 HANDEMPTY： 机械手为空手。
机械手
C
B
A
(a)
求解机器人完成规定工作的动作序列
机械手
A B C
(b)
7.3 STRIPS规划系统
7.3.1 积木世界的机器人规划
1. 积木世界的机器人问题
机器人能够执行的动作举例如下： unstack(a,b)：把堆放在积木b上的积木a拾起。在进行这个 动作之前，要求机器人的手为空手，且积木a的顶上是空的。 stack(a,b)： 把积木a堆放在积木b上。动作之前要求机械 手必须已抓住积木a，而且积木b顶上必须是空的。 pickup(a)： 从桌面上拾起积木a，并抓住它不放。在动作 之前要求机械手为空手，而且积木a顶上没有任何东西。 putdown(a)： 把积木a放置到桌面上。要求动作之前机械 手已抓住积木a。
第三部分叫做添加表。当把某条规则应用于某数据库时， 就把该添加表的内容添进该数据库。
7.3 STRIPS规划系统
7.3.1 积木世界的机器人规划
2.用F规则求解规划序列
例： move(x, y, z): 把物体x从物体y上面移到物体z上面。 先决条件：CLEAR(x), CLEAR(z), ON(x,y) 删除表：ON(x, y), CLEAR(z) 添加表：ON(x, z), CLEAR(y)
ห้องสมุดไป่ตู้
7.3 STRIPS规划系统
7.3.2 STRIPS规划系统
斯坦福大学人工智能研究所于1966-72年研制的Shakey机器 人是第一台能够进行行动推理的多用移动机器人，该项目融合 了机器人视觉、机器人学和自动推理研究成果。机器人的任务 是在一些相连的房间里，将用户指定的箱子推到指定的位置。 对于用户输入的每一个任务，Shakey自主地规划完成该任务的 行动并依次执行。
7.1 自动规划概述
7.1.2 规划的分类和问题分解途径
3. 域的预测和规划的修正
（1）域的预测 问题论域的预测。对于不可预测的论域，考虑可能的结果 集合，按照它们出现的可能性以某个次序排列。然后，产生一 个规划、并试图去执行这个规划。 （2）规划的修正 规划执行失败导致对规划的修正。 在规划过程中不仅要记录规划的执行步骤，而且要记录每 一步必须要执行的理由。
❖ 自动规划概述 ❖ 基于谓词逻辑的规划 ❖ STRIPS规划系统 ❖ 分层规划 ❖ 基于专家系统的机器人规划 ❖ 轨迹规划简介
7.1 自动规划概述
7.1.1 规划的概念及作用
1. 规划的概念
定义7.1 从某个特定的问题状态出发，寻求一系列行为动 作，并建立一个操作序列，直到求得目标状态为止。这个求解 过程就称为规划。
任务规划、路径规划、轨迹规划…
7.1 自动规划概述
7.1.2 规划的分类和问题分解途径
2. 问题分解途径
把某些较复杂的问题分解为一些较小的子问题。有两条实 现这种分解的重要途径。
第一条重要途径是当从一个问题状态移动到下一个状态时 ，无需计算整个新的状态，而只要考虑状态中可能变化了的那 些部分。
第二条重要途径是把单一的困难问题分割为几个有希望的 较为容易解决的子问题。
7.2 基于谓词逻辑的规划
用谓词逻辑来描述世界模型及规划过程。 o 世界模型的谓词逻辑表示
n 定义谓词 n 确定问题初始状态 n 确定问题目标状态 n 确定基本操作
o 基于谓词逻辑规划的基本过程
n 问题分解 n 子问题规划 n 得到操作序列
7.3 STRIPS规划系统
7.3.1 积木世界的机器人规划
7.3 STRIPS规划系统
7.3.1 积木世界的机器人规划
2.用F规则求解规划序列
采用F规则表示机器人的动作，这是一个叫做STRIPS规划 系统的规则，它由3部分组成：
第一部分是先决条件。为了使F规则能够应用到状态描述 中去。
第二部分是一个叫做删除表的谓词。当一条规则被应用于 某个状态描述或数据库时，就从该数据库删去删除表的内容。
2. 规划的作用
规划可用来监控问题求解过程，并能够在造成较大的危害 之前发现差错。规划的好处可归纳为简化搜索、解决目标矛盾 以及为差错补偿提供基础。
“十二五”规划、城市规划、企业发展规划
7.1 自动规划概述
7.1.2 规划的分类和问题分解途径
1. 规划的分类
（1）按规划内容分 国家、地方、重大项目、企业、交通、城市、环境… （2）按规划方法分 非递阶（非分层）规划与递阶（分层）规划；线性规划与 非线性规划；同步规划与异步规划；基于脚本、框架和本体的 规划；基于专家系统的规划；基于竞争机制的规划；… （3）按规划实质分
定义7.2 规划是对某个待求解问题给出求解过程的步骤。 规划涉及如何将问题分解为若干相应的子问题，以及如何记录 和处理问题求解过程中发现的各子问题间的关系。
定义7.3 规划系统是一个涉及有关问题求解过程步骤的系 统。如计算机或飞机设计、火车或汽车运输路径、财政和军事 规划等问题。
7.1 自动规划概述