人工智能基础07--自动规划系统

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1、合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室1/47目录o 第一章 绪论 o 第二章 知识表示 o 第三章 搜索技术 o 第四章 推理技术 o 第五章 机器学习 o 第六章 专家系统 o 第七章 自动规划系统 o 第八章 自然语言理解 o 第九章 智能控制 o 第十章 人工智能程序设计合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室2/47o 自动规划概述o 基于谓词逻辑的规划o STRIPS规划系统o 分层规划o 基于专家系统的机器人规划o 轨迹规划简介合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室3/477

2、.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。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。合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室4/477.1 自动规划概述 7.1.1 规划的概念

3、及作用 例： 救援仿真机器人系统 （RoboCup Rescue Simulation System，RCRSS） 消防智能体 医疗智能体 警察智能体 普通市民 中心智能体 路障 避难所 着火建筑物 普通建筑物） 合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室5/477.1 自动规划概述7.1.1 规划的概念及作用 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、企业发展规划合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘

4、研究室6/477.1 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）按规划实质分任务规划、路径规划、轨迹规划合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室7/477.1 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。

5、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。合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室8/477.1 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

6、记录每 一步必须要执行的理由。合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室9/477.2 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 得到操作序列合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室10/477.3 STRIPS规划系统7.3.1 积木世界的机器人规划求解机器人完成规定工作的动作序列 BAC CBA机械手机械手(a)(b)合肥工业大学合肥工业大学 人工

7、智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室11/477.3 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。合

8、肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室12/477.3 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。合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室13/477.3 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STRI

9、PS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。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。合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室14/477.3 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

10、(x, y), CLEAR(z)添加表：ON(x, z), CLEAR(y)合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室15/477.3 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。Shakey项目技术：规划语言STRIPS（ STanford Re

11、search Institute Problem SolverSTRIPS ）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。合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室16/477.3 STRIPS规划系统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。规划过程每个STRIPS问题的解答为某个实现目标的操作符序列， 即达到目标的规

12、划。 A Service Robot Copes with Changes Understanding, Learning, Planning, and Acting合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室17/477.4 分层规划探索规划时首先只考虑一层的细节，然后再注意规划中比 这一层低一层的细节，所以把它叫做长度优先搜索。NOAH规划系统 1. 应用最小约束策略一个寻找非线性规划而不必考虑操作符序列的所有排列的 方法是把最少约束策略应用来选择操作符执行次序的问题。问题求解系统NOAH采用一种网络结构来记录它所选取的 操作符之间所需要的排序。它也分层进行操

13、作运算，即首先建 立起规划的抽象轮廓，然后在后续的各步中，填入越来越多的 细节。合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室18/477.4 分层规划2. 检验准则准则法已被应用于各种规划生成系统。对于早期的系统， 如HACKER系统，准则只用于舍弃不满足的规划。在NOAH 系统中，准则被用来提出推定的方法以便修正所产生的规划。第一个涉及的准则是归结矛盾准则。第二个准则叫做消除多余先决条件准则，包括除去对子目 标的多余说明。可以把分层规划和最少约束策略十分直接地结合起来，以 求得非线性规划而不产生一个庞大的搜索树。 合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究

14、室人工智能与数据挖掘研究室19/477.5 基于专家系统的机器人规划1. 系统结构及规划机理（1）知识库：用于存储某些特定领域的专家知识和经验 ，包括机器人工作环境的世界模型、状态、物体描述等事实和 可行操作或规则等。（2） 控制策略：包含综合机理，确定系统应当应用什么 规则以及采取什么方式去寻找该规则。（3） 推理机：用于记忆所采用的规则和控制策略及推理 策略。（4）知识获取：首先获取某特定域的专家知识。然后用 程序设计语言把这些知识变换为计算机程序。最后把它们存入 知识库待用。合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室20/477.5 基于专家系统的机器人规

15、划(5) 解释与说明：通过用户接口，在专家系统与用户之间 进行对话，从而使用户能够输入数据、提出问题、知道推理结 果以及了解推理过程等。2. 任务级机器人规划三要素（1）建立模型：世界模型。（2）任务说明：定义状态及状态变换次序。（3）程序综合。3. ROPES机器人规划系统合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室21/477.6 轨迹规划简介 轨迹：机械手在运动过程中的位移、速度和加速度。轨迹规划：根据任务的要求，计算出预期的轨迹。在机械手运动学和动力学基础上，讨论在关节空间和笛卡尔空 间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法合肥工业大学合肥工业大学 人工智能

16、与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室22/477.6 轨迹规划简介 例：NAO机器人检球动作。合肥工业大学合肥工业大学 人工智能与数据挖掘研究室人工智能与数据挖掘研究室23/47地球上的生物物种在漫长的过程中形成了丰富的行为地球上的生物物种在漫长的过程中形成了丰富的行为特性，并且一直不断地完善和发展，以更好地适应其所生特性，并且一直不断地完善和发展，以更好地适应其所生存的环境。生物群体和自然生态系统可以通过自身的演化存的环境。生物群体和自然生态系统可以通过自身的演化就能使许多在人类看起来高度复杂的优化问题得到完美解就能使许多在人类看起来高度复杂的优化问题得到完美解决。因此，各种模仿生物群体的智能仿生算法被相继提出决。因此，各种模仿生物群体的智能仿生算法被相继提出，得到了深入研究和应用实践。，得到了深入研究和应用实践。群智能思想的产生主要源于复杂适应系统理论以及人群智能思想的产生主要源于复杂适应系统理论以