[PDDL人工智能] 01.PDDL规划器安装及入门详解（规划领域定义语言）

该系列文章主要介绍PDDL人工智能知识，由于自己也是初学者，所以欢迎大家批评指正，也希望文章对您有所帮助，一起加油喔~

一.PDDL简介

PDDL：Planning Domain Definition Language
规划领域定义语言，是一种解决人工智能规划问题的比较前沿的方法。PDDL常用于解决智能规划问题，例如机器人将一个屋子的球搬运到另一间屋子里，通过合理的组织流程建造一间房子等。PDDL的规划任务（planning task）由五部分组成。

• Objects（对象）
  Things in the world that interest us.
• Predicates（谓词）
  Properties of objects that we are interested in; can be true or false.
• Initial state（初始状态）
  The state of the world that we start in.
• Goal specification（目标规范）
  Things that we want to be true.
• Actions/Operators（操作/运算符）
  Ways of changing the state of the world.

PDDL指定的规划任务分为两个文件，domain 文件和 problem 文件。

1. A domain file（域文件） for predicates and actions.
2. A problem file（问题文件） for objects, initial state and goal specification.

Domain Files
域文件定义如下：

(define (domain <domain name>)
	<PDDL code for predicates>
	<PDDL code for first action>
	[...]
	<PDDL code for last action>
)

• <域名>：domain name，是标识规划域的字符串，例如gripper，后续gripper.pddl会详细介绍。

Problem Files
问题文件定义如下：

(define (problem <problem name>)
	(:domain <domain name>)
	<PDDL code for objects>
	<PDDL code for initial state>
	<PDDL code for goal specification>
)

• <问题名称>：problem name，是一个标识计划任务的字符串，例如gripper-four-balls。
• <域名>：domain name，必须与对应域名文件中的域名匹配，详见gripper-four.pddl文件。

推荐下列参考资料：

• Visual Studio Code 官方PDDL详情介绍
• http://www.cse.ust.hk/~qyang/221/introtopddl2.pdf
• http://www.cs.cmu.edu/~mmv/planning/readings/98aips-PDDL.pdf
• https://github.com/nergmada/planning-wiki/tree/master/docs/reference/PDDL
• https://planning.wiki/

---

二.VSCode安装教程

第一步，在VSCode中安装PDDL插件。

• 点击扩展按钮
• 搜索PDDL
• 点击安装“Install”按钮即可

安装成功后如下图所示：

第二步，在VSCode中安装VAL语法检查。

• VAL源码地址：https://github.com/KCL-Planning/VAL

在VS Code安装PDDL成功后，打开PDDL Overview进行安装VAL。

• View -> Command Palette -> PDDL: show overview page

安装过程如下图所示，对应“VAL tools”点击“Download”。

第三步，安装成功之后，可以看到详细的配置信息如下：

• planning engine（在线规划引擎）
  Planning service: http://solver.planning.domains/solve
• PDDL parser（PDDL解析器）
  c:\Users\xxx\AppData\Roaming\Code\User\globalStorage\jan-dolejsi.pddl\val\Val-20210215.2-win64\bin\Parser.exe
• Plan Validator（规划验证器）
  c:\Users\xxx\AppData\Roaming\Code\User\globalStorage\jan-dolejsi.pddl\val\Val-20210215.2-win64\bin\Validate.exe

此时，我们可以进入后续的PDDL代码编写过程。同时，存在部分在线访问的问题，后续尝试解决。

VSCode PDDL
VSCode是建模规划域的良好工具，其扩展将PDDL引入了一流的编程语言家族中，让其与C#、Python、JavaScript等处于同等级别。PDDL旨在通过以下功能帮助新手并为专家赋能。

• 规划领域建模
  planning domain modeling
• 通过回归或可扩展性测试用例的数量规划域验证
  planning domain validation by number of regression or scalability test cases
• 通过从模板生成问题文件来规划工业化解决方案
  planning solution industrializing by problem file generation from templates
• 计划验证
  plan validation

当扩展在 .pddl 文件（通常包含域或问题定义）或选定的PDDL命令被激活时，即可配置解释器（parser）或规划器（planner）。

---

三.PDDL基础案例快速入门

1.Getting started

创建PDDL文件并运行计划程序，下面是官方最简单的入门步骤：

• (1) 点击 File > Open Folder 打开VS Code中一个空白文件夹。
• (2) 点击 File > New File 创建两个名为 domain.pddl 和 question.pddl 的空白文件，这两个文件将显示在资源管理器窗格中，在编辑器中并排打开它们。
• (3) 打开 domain.pddl 文件并输入 domain。自动模板会插入域文件的整个结构，使用 Tab 和 Enter 键跳过占位符并进行选择。
• (4) 打开 problem.pddl 文件并输入 problem 。自动模板会插入问题文件的整个结构，确保此处的（域名）与域文件中选择的名称匹配。
• (5) 当提示安装 VAL（验证器 Validator）工具时，请按照说明进行操作。这将为您带来一个PDDL解析器和计划验证实用程序。
• (6) 当准备在域和问题文件上运行规划器时，可以通过文件内容或编辑器选项卡的上下文菜单，或通过Alt + P快捷方式调用规划器（planner）。这个 planning.domains 解析器也将被使用，因此不要发送任何敏感的PDDL代码。
• (7) 按照说明配置您自己的 PDDL 规划器。

同时补充一个在线编辑PDD的网站。

• http://planning.domains/

---

2.创建文件

第一步，点击 File > Open Folder 打开VS Code中一个空白文件夹。

第二步，点击 File > New File 创建两个名为 domain.pddl 和 question.pddl 的空白文件，这两个文件将显示在资源管理器窗格中，在编辑器中并排打开它们。

第三步，打开 domain.pddl 文件并输入 domain。自动模板会插入域文件的整个结构，使用 Tab 和 Enter 键跳过占位符并进行选择。

第四步，打开 problem.pddl 文件并输入 problem 。自动模板会插入问题文件的整个结构，确保此处的（域名）与域文件中选择的名称匹配。

此时的代码如下所示，仅仅是一个PDDL规划问题的框架基础代码。

domain.pddl

;Header and description

(define (domain domain_name)

;remove requirements that are not needed
(:requirements :strips :fluents :durative-actions :timed-initial-literals :typing :conditional-effects :negative-preconditions :duration-inequalities :equality)

(:types ;todo: enumerate types and their hierarchy here, e.g. car truck bus - vehicle
)

; un-comment following line if constants are needed
;(:constants )

(:predicates ;todo: define predicates here
)

(:functions ;todo: define numeric functions here
)

;define actions here
)

problem.pddl

(define (problem problem_name) (:domain domain_name)
(:objects 
)

(:init
    ;todo: put the initial state's facts and numeric values here
)

(:goal (and
    ;todo: put the goal condition here
))

;un-comment the following line if metric is needed
;(:metric minimize (???))
)

---

3.调用在线规划器

由于作者不太会安装VAL工具（学习中），所以先介绍在线运行的过程。

当准备在域和问题文件上运行规划器时，可以通过文件内容或编辑器选项卡的上下文菜单，或通过 Alt + P 快捷方式调用规划器（planner）。这个 planning.domains 解析器将将被使用，因此不要发送任何敏感的PDDL代码。

• 在线规划器地址：http://solver.planning.domains/solve

第一步，编写一个 domain 示例代码。

• predicates：谓词定义
• action：动作包括pick、move和drop

domain.pddl

(define (domain gripper-strips)
    (:predicates (room ?r)
                (ball ?b)
                (at ?b ?r)
                (at-robby ?r)
                (gripper ?g)
                (free ?g)
                (carry ?b ?g))
    (:action pick
        :parameters(?obj ?room ?gripper)
        :precondition 
            (and 
                (ball ?obj) 
                (room ?room) 
                (gripper ?gripper)
                (free ?gripper) 
                (at ?obj ?room) 
                (at-robby ?room)
            )
        :effect 
            (and 
                (not 
                    (free ?gripper)
                ) 
                (carry ?obj ?gripper) 
                (not (at ?obj ?room))
            )
        )
    (:action move
        :parameters (?from ?to)
        :precondition 
            (and 
                (room ?from) 
                (room ?to) 
                (at-robby ?from)
            )
        :effect 
            (and 
                (at-robby ?to)
                (not 
                    (at-robby ?from)
                )
            )
    )
    (:action drop
        :parameters (?room ?ball ?gripper)
        :precondition
            (and 
                (room ?room) 
                (ball ?ball) 
                (at-robby ?room) 
                (gripper ?gripper)
                (not 
                    (free ?gripper)
                ) 
                (carry ?ball ?gripper)
                (at-robby ?room))
        :effect 
            (and 
                (free ?gripper) 
                (at ?ball ?room) 
                (not
                    (carry ?ball ?gripper)
                )
            )
        )
)

第二步，编写一个 problem 示例代码。

• objects：两个房间，两个球，左右移动
• init：初始化

question.pddl

(define (problem solve)
    (:domain gripper-strips)
    (:objects 
        rooma roomb ball1 ball2 left right
    )
    (:init 
        (room rooma)
        (room roomb) 
        (ball ball1) 
        (ball ball2)
        (gripper left) 
        (gripper right) 
        (free left) 
        (free right)
        (at ball1 rooma) 
        (at ball2 rooma) 
        (at-robby rooma)
    )
    (:goal 
        (and
            (at ball1 roomb)
            (at ball2 roomb)
        )
    )
)

第三步，如果右键选中直接运行或按 alt+P 运行planner，它会提示错误。

第四步，点击如下图所示的“Test”按钮并创建。

生成如下图所示的测试树状图，并且准备调用远程的 planning.domains 服务器

• Planning service: http://solver.planning.domains/solve
• Domain: gripper-strips, Problem: solve

第五步，点击“domain”右边的三角运行按钮，生成如下图所示的测试报告。注意，右边的“Planner output”是一个规划路径的输出方案。

同时，我们可以双栏打开窗口。

注意，其实我们直接在Explorer中选中PDDL文件，右键“PDDL: Run the planner and display the plan”按钮可以生成运行的规划结果。不需要创建Test，如下图所示，但仍然会进行远程连接。

至此，我们线上运行PDDL规划器的方法介绍完毕。该代码具体的含义及基础语法我们将在第四部分详细介绍。

Finished executing tests from VSCode/PDDL-test01/domain.ptest.json.
Planning service: http://solver.planning.domains/solve
Domain: gripper-strips, Problem: solve
 --- OK.
 Match tree built with 18 nodes.

PDDL problem description loaded: 
	Domain: GRIPPER-STRIPS
	Problem: SOLVE
	#Actions: 18
	#Fluents: 14
Landmarks found: 2
Starting search with IW (time budget is 60 secs)...
rel_plan size: 5
#RP_fluents 7
Caption
{
     #goals, #UNnachieved,  #Achieved} -> IW(max_w)

{
     2/2/0}:IW(1) -> [2][3][4]rel_plan size: 4
#RP_fluents 6
{
     2/1/1}:IW(1) -> [2][3][4][5][6][7];; NOT I-REACHABLE ;;
Total time: -8.64267e-10
Nodes generated during search: 42
Nodes expanded during search: 35
IW search completed
Starting search with BFS(novel,land,h_add)...
--[4294967295 / 8]--
--[1 / 8]--
--[1 / 6]--
--[1 / 5]--
--[1 / 4]--
--[1 / 2]--
--[1 / 1]--
--[1 / 0]--
--[0 / 0]--
Total time: -1.51992e-09
Nodes generated during search: 22
Nodes expanded during search: 7
Plan found with cost: 7
BFS search completed
0.00100: (pick ball2 rooma left)
0.00200: (move rooma roomb)
0.00300: (drop roomb ball2 left)
0.00400: (move roomb rooma)
0.00500: (pick ball1 rooma left)
0.00600: (move rooma roomb)
0.00700: (drop roomb ball1 left)
☑ question.pddl (1.176 sec)
Planner found 1 plan(s) in 1.177secs.

补充知识点
在VS Code中，如果PDDL存在错误或警告，我们是可以动态修复的，比如上述代码存在 “Undeclared requirement :negative-preconditions” 问题。


点击则可以进行修复，“Add missing requirement: negative preconditions”。


修改后如下图所示。

---

4.本地规划器配置

上述方法非常依赖网络，因此官方不建议将私有代码上传运行。如果断网情况下，它会提示错误“Error: PDDL Planning Service returned code 400 Invalid header received from client”。

此时，我们需要尝试配置您自己的 PDDL 规划器，并在本地能运行代码。

作者尝试本地配置规划器一直失败，希望了解的读者能评论分享下，谢谢。

第一步，点击“Show configuration”，接着会显示PDDL Overview页面，显示“AI Planning and PDDL support in VS Code”。

该页面显示的配置信息如下：

• planning engine（在线规划引擎）
  Planning service: http://solver.planning.domains/solve
• PDDL parser（PDDL解析器）
  c:\Users\xxx\AppData\Roaming\Code\User\globalStorage\jan-dolejsi.pddl\val\Val-20210215.2-win64\bin\Parser.exe
• Plan Validator（规划验证器）
  c:\Users\xxx\AppData\Roaming\Code\User\globalStorage\jan-dolejsi.pddl\val\Val-20210215.2-win64\bin\Validate.exe

第二步，点击“Add a PDDL Planner”按钮，添加规划引擎。

选择POPF选项，选择对应的popf.exe程序（未找到）。

• https://nms.kcl.ac.uk/planning/software/popf.html

第三步，继续点击“Planning engine”后面的加号，添加本地请求的网址。

• http://localhost:8080/request

最后还是失败，o(╥﹏╥)o，知道的大佬救救孩子吧！

---

四.PDDL基础语法知识

四个球移动的任务（Gripper task with four balls）：假设有一个机器人可以在两个房间之间移动，并用两条手臂中的任何一条捡起或扔掉球。 最初，所有球和机器人都在第一个房间，我们希望移动球到第二个房间中。

• 对象： 两个房间、四个球和两个机械臂。
  Objects：The two rooms, four balls and two robot arms.
• 谓词：x是一个房间？ x是球？ 球x在房间y内？机械臂x是空的吗？
  Predicates：Is x a room? Is x a ball? Is ball x inside room y? Is robot arm x empty? […]
• 初始状态：所有球和机器人都在第一个房间， 所有机器人手臂都是空的。
  Initial state：All balls and the robot are in the first room. All robot arms are empty. […]
• 目标说明：所有球必须在第二个房间。
  Goal specification：All balls must be in the second room.
• 动作/操作：机器人可以在房间之间移动、捡球或丢球。
  Actions/Operators：The robot can move between rooms, pick up a ball or drop a ball.

接下来简单给出基本定义，由于其英语直译非常明确，这里仅给出描述，下一篇文章再进行详细的语法介绍。

Gripper task: Objects

Gripper task: Predicates

Gripper task: Initial state

• 初始状态四个球都在房间rooma中

Gripper task: Goal specification

• 目标：将四个球移动到roomb中

Gripper task: Movement operator

• 移动操作：机器人从x移动到y

Gripper task: Pick-up operator

• pick-up操作：机器人使用z从y中捡起x

Gripper task: Drop operator

• drop操作：机器人使用z从y中丢掉x

A Note on Action Effects

---

五.总结

写到这里，本文就介绍完毕，希望对您有所帮助。

• 一.PDDL简介
• 二.VSCode安装教程
• 三.PDDL基础案例快速入门
  1.Getting started
  2.创建文件
  3.调用在线规划器
  4.本地规划器配置
• 四.PDDL基础语法知识
• 五.总结

大学之道在明明德，
在亲民，在止于至善。
这周又回答了很多博友的问题，有大一学生的困惑，有论文的咨询，也有老乡和考博的疑问，还有无数博友奋斗路上的相互勉励。虽然自己早已忙成狗，但总忍不住去解答别人的问题。最后那一句感谢和祝福，永远是我最大的满足。虽然会花费我一些时间，但也挺好的，无所谓了，跟着心走。不负遇见，感恩同行。莫愁前路无知己，继续加油。晚安娜和珞。

---

参考文献：

• Dongbox PDDL - CSDN 谢小波老师
• pddl智能规划语言基础学习笔记 - 知乎 寻风者风寻老师
• https://github.com/KCL-Planning/VAL
• https://www.youtube.com/watch?v=XW0z8Oik6G8
• https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=jan-dolejsi.pddl
• PDDL Tooling - Episode 1: Planning.Domains session
• https://www.programmersought.com/article/47365369263/
• https://arxiv.org/pdf/2008.11069.pdf
• https://blog.csdn.net/HitmeowEcho/article/details/105982457