PDDL4J项目教程：从零开始掌握PDDL规划语言

什么是PDDL？

PDDL（Planning Domain Description Language）是一种用于"经典"规划问题的标准编码语言。作为人工智能规划领域的重要工具，PDDL允许我们以结构化的方式描述规划问题，包括世界的状态、可能的动作以及规划目标。

PDDL文件主要由以下核心组件构成：

• 需求(Requirements)：定义语言的抽象级别，如"STRIPS"、时序、概率效应等
• 类型(Types)：世界中感兴趣的事物集合
• 对象(Objects)：类型的实例
• 谓词(Predicates)：关于对象的可判断真假的陈述
• 初始状态(Initial state)：规划过程开始前的世界状态
• 目标(Goal)：规划过程结束后需要达成的世界状态属性
• 动作/操作符(Actions/Operators)：改变世界状态的方法

PDDL文件结构

一个完整的PDDL规划任务需要两个文本文件：

1. 领域文件(Domain file)：包含需求、类型、谓词和动作的定义
2. 问题文件(Problem file)：包含对象、初始状态和目标规范的描述

领域文件基本结构

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

问题文件基本结构

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

物流领域示例

让我们通过一个物流领域的例子来具体说明如何在PDDL中表示规划任务。

场景描述

假设：

• 初始状态下，巴黎航空站有一辆卡车
• 伦敦航空站有一架飞机和两个包裹
• 巴黎有两个地点：南部和北部
• 目标是将一个包裹运送到北部地点，另一个运送到南部地点

定义领域文件

1. 领域名称

(define (domain logistics)

2. 需求声明

(:requirements :strips :typing)

这里我们使用了两个基本需求：

• strips：动作只使用确定性效果
• typing：使用类型系统来组织对象

3. 类型定义

(:types city place physobj - object
      package vehicle - physobj
      truck airplane - vehicle
      airfield location - place
)

这个类型系统建立了对象之间的层次关系，便于组织和管理。

4. 谓词定义

(:predicates (in-city ?loc - place ?city - city)
    (at ?obj - physobj ?loc - place)
    (in ?pkg - package ?veh - vehicle)
)

注意PDDL中使用问号(?)表示变量。

5. 操作符定义

物流领域包含6个基本操作符：

1. 装载卡车(load-truck)

(:action load-truck
    :parameters (?pkg - package ?truck - truck ?loc - place)
    :precondition (and (at ?truck ?loc) (at ?pkg ?loc))
    :effect (and (not (at ?pkg ?loc)) (in ?pkg ?truck))
)

2. 装载飞机(load-airplane)

(:action load-airplane
    :parameters (?pkg - package ?airplane - airplane ?loc - place)
    :precondition (and (at ?pkg ?loc) (at ?airplane ?loc))
    :effect (and (not (at ?pkg ?loc)) (in ?pkg ?airplane))
)

3. 卸载卡车(unload-truck)

(:action unload-truck
    :parameters (?pkg - package ?truck - truck ?loc - place)
    :precondition (and (at ?truck ?loc) (in ?pkg ?truck))
    :effect (and (not (in ?pkg ?truck)) (at ?pkg ?loc))
)

4. 卸载飞机(unload-airplane)

(:action unload-airplane
    :parameters (?pkg - package ?airplane - airplane ?loc - place)
    :precondition (and (in ?pkg ?airplane) (at ?airplane ?loc))
    :effect (and (not (in ?pkg ?airplane)) (at ?pkg ?loc))
)

5. 飞机飞行(fly-airplane)

(:action fly-airplane
    :parameters (?airplane - airplane ?loc-from - airfield ?loc-to - airfield)
    :precondition (at ?airplane ?loc-from)
    :effect (and (not (at ?airplane ?loc-from)) (at ?airplane ?loc-to))
)

6. 卡车驾驶(drive-truck)

(:action drive-truck
    :parameters (?truck - truck ?loc-from - place ?loc-to - place ?city - city)
    :precondition (and (at ?truck ?loc-from) (in-city ?loc-from ?city) (in-city ?loc-to ?city))
    :effect (and (not (at ?truck ?loc-from)) (at ?truck ?loc-to))
)

定义问题文件

1. 问题名称和关联领域

(define (problem p01)
        (:domain logistics)

2. 对象声明

(:objects plane - airplane
    truck - truck
    cdg lhr - airfield
    south north - location
    paris london - city
    p1 p2 - package
)

3. 初始状态

(:init (in-city cdg paris)
    (in-city lhr london)
    (in-city north paris)
    (in-city south paris)
    (at plane lhr)
    (at truck cdg)
    (at p1 lhr)
    (at p2 lhr)
)

4. 目标描述

(:goal (and (at p1 north)
    (at p2 south))
)

工业应用案例

问题描述

这是一个真实的制造业案例，公司需要为医疗设备零件设计供应链。供应链由独立的机器人单元组成，每个单元执行特定的操作（清洁、检查、标记、组装等）。零件被放在托盘上，移动机器人在不同单元间运输托盘。

领域建模

1. 需求声明

(define (domain robotic-manufactoring)
    (:requirements :strips :typing)

2. 类型定义

(:types
    robot - agent
    conveyor unit - location
    piece operation tray - object
)

3. 常量定义

(:constants
    stop - operation
)

4. 谓词定义

(:predicates
    ;;robot
    (robot_available ?robot - robot)
    (robot_at ?robot - robot ?l - location)

    ;;conveyor
    (conveyor_accepted_piece ?piece - piece ?conv - conveyor)
    (conveyor_available ?conv - conveyor)
    (conveyor_unit ?conv - conveyor ?unit - unit)
)

这个工业案例展示了PDDL在复杂实际问题中的应用能力。通过合理建模，我们可以将现实世界中的物流和制造问题转化为可计算的规划问题。

总结

本教程详细介绍了PDDL语言的基本概念和使用方法，通过物流领域的完整示例展示了如何定义领域和问题文件。PDDL作为规划问题的标准语言，在人工智能规划领域有着广泛的应用。掌握PDDL不仅有助于理解自动规划的基本原理，也能为解决现实世界中的复杂规划问题提供有力工具。