[PDDL人工智能] 02.PDDL规划领域定义语言之语法理解和示例详解

智能规划来源于人工智能对理性行为研究，针对一个具体行为的实施目的，开展动作规划以模拟或指导行为的实施，是AI开展研究的关键问题。本文主要介绍PDDL规划领域定义语言的基础语法知识和示例详解，希望文章对您有所帮助。

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，一起加油喔~

前文赏析：

• [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）

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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.

定义规划任务的三要素：

• 状态
• 动作：动作是规划问题的一个关键部分
• 目标

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/

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二.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

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三.入门示例详解

1.domain.pddl

规划域描述整个规划世界的基础构成信息，包括实体类型、实体实例化、谓词逻辑状态、实体状态等。

• 定义：谓词和动作

示例代码如下：

(define (domain gripper-strips)
    (:requirements :negative-preconditions)
    (: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)
                )
            )
        )
)

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2.question.pddl

问题域描述在这样的规划世界中一个具体问题的条件与目标。

• 目标：将ball1和ball2两个球从a房间移动到b房间
• 定义：对象、 初始状态和目标规范

示例代码如下：

(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)
        )
    )
)

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3.运行结果

运行结果如下图所示：

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: 4.47035e-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: 4.47035e-10
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)
Planner found 1 plan(s) in 0.689secs.

另一种运行结果如下图所示：

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4.逻辑解释

下面介绍该实例的智能规划逻辑。

前提：假设存在两个房间（Rooma和Roomb）、两个球（Ball1和Ball2）机器人拥有左手和右手，且机器人和球初始位置是Rooma房间。

• action pick
• action move
• action drop

问题：如何将两个球从房间Rooma移动到Roomb？

第一步：机器人左手提起Ball1。

第二步：机器人移动至Roomb。

第三步：机器人释放Ball1。

第四步：机器人移动至Rooma。

第五步：机器人右手拿起Ball2。

第六步：机器人移动至Roomb。

第七步：机器人右手释放Ball2。

至此，完成移动任务。PDDL显示的逻辑路线如下图所示：

另一种方法如下图所示：机器人捡起两个球移动再释放。

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四.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.PDDL基础语法知识
• 三.入门示例详解
  1.domain.pddl
  2.question.pddl
  3.运行结果
  4.逻辑解释
• 四.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。

(By:Eastmount 2023-01-12 夜于贵阳 http://blog.csdn.net/eastmount/ )

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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

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