PDF de programación - Planificación con STRIPS

Bibliografía

(cid:122) Nilsson, Artificial Intelligence: A New

Synthesis. Cap. 22.

(cid:122) Russell & Norvig, Artificial Intelligence:

A Modern Approach. Cap. 11.

Planificación con STRIPS

1

2

1

Introducción

Sintaxis

(cid:122) Objetivo: Desarrollar un proceso de

planificación
» La planificación es un proceso de búsqueda y

ejecución de una serie de acciones que permitan
alcanzar un objetivo

(cid:122) El lenguaje empleado en los problemas de

planificación es STRIPS
» STRIPS: STanford Research Institute Problem

Solver. [Fikes y Nilsson 1971]

» Los algoritmos que usan STRIPS aprovechan la
estructura de problema gracias a su capacidad
expresiva

(cid:122) Ejemplos de agentes planificadores ya vistos

» Agentes basados en búsquedas
» Agentes basados en lógica

(cid:122) La Planificación clásica se restringe a

entornos
» Observables
» Deterministas
» Finitos
» Estáticos

» Discretos

– los cambios sólo se producen al actuar los agentes

– En tiempo, acciones, objetos y efectos

(cid:122) Un método de planificación es un método de búsqueda
sobre una estructura de datos (estados del proceso de
planificación) que evoluciona con las acciones de un
agente de planificación.

(cid:122) ESTADOS

» Los estados en un proceso de planificación se denominan

DESCRIPCIONES DE ESTADO (DE)

– Compuestos de condiciones lógicas
– Sólo admiten literales simples, sin dependencias funcionales
(cid:122) En(x, y), En(padre(Pedro), Madrid) -> NO ADMITIDOS
(cid:122) En(Avión, Barcelona), En(Tren, Ávila) -> ADMITIDOS

» Las DE se restringen a conjuntos de literales aunque

pueden contener un número arbitrario de fórmulas
verdaderas como por ejemplo, en el mundo de bloques

On x y
( ,

)

⇒ =

y Fl

(

)

∨ ¬

Clear y
( )

(cid:122) OBJETIVOS

» Un objetivo es un estado parcialmente especificado
» Los objetivos se restringen a conjuntos de literales

cuantificados existencialmente

– Una DE s satisface un objetivo w si s contiene todos sus

elementos en w

– Ejemplo: La DE rico ^ famoso ^ miserable satisface el

objetivo rico ^ famoso

3

4

2

Sintaxis, II

(cid:122) OPERADORES

» Un operador o regla STRIPS es un patrón de

operador que posee variables libres

» se especifica en términos de

– Las precondiciones, PC, que deben cumplirse antes

de ser ejecutado

(cid:122) El conjunto PC está formado por literales.

» La acción correspondiente a un operador

sólo se puede ejecutar en un estado si todos
los literales en PC pertenecen también a la
DE previa a la acción

– Las consecuencias (efectos) que se derivan cuando

se ejecuta

(cid:122) Lista de borrado: Un conjunto, D, de literales
(cid:122) Lista de adición: Un conjunto, A, de literales
– Una forma alternativa de representación de los

efectos de una regla es mediante una conjunción de
literales positivos y negativos

» PC, D y A o, alternativamente, PC y EFECTOS

constituyen un esquema de acción.

» Obs.: en lo que sigue los efectos los

consideraremos como listas de borrado y adición

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Semántica

(cid:122) Trata sobre la descripción de cómo los

operadores afectan a los estados

(cid:122) Vamos a emplear diferentes métodos de

búsqueda en los procesos de planificación.
» Hacia delante: progression planning
» Hacia atrás: regression planning
» Ambas se fundamentan en los operadores STRIPS

(cid:122) Dada una FBF objetivo w, los métodos de

búsqueda tratan de encontrar una secuencia
de acciones que proporcionen un estado del
mundo descrito mediante alguna DE ∆ tal que
∆╞ w. Si esto sucede se dice que la DE
satisface el objetivo.

(cid:122) ∆╞ w si existe una sustitución σ tal que wσ es

una conjunción de literales todos los cuales
están en ∆

6

3

Semántica, II

Semántica, III (ejemplo)

(cid:122) Un operador es aplicable si lo es en

cualquier DE que satisfaga sus PC. En
caso contrario es no aplicable (sin
efecto)

(cid:122) Partiendo de una DE s (before-action),

el resultado de ejecutar un operador
aplicable a s nos lleva a otra DE s’
(after-action) en la que
» Comprobando que los literales de PC

están, a su vez, en la DE s (condición de
aplicación del operador STRIPS)

» Borrando de la DE s los literales de D
» Añadiendo a la DE s los literales en A
» Todos los literales no mencionados en D se

acarrean a la DE s’. Este acarreo se
denomina HIPÓTESIS STRIPS
– Hipótesis STRIPS: Cada literal no mencionado
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en los efectos permanece sin modificar

(cid:122) Mundo de Bloques

» Dominio:

– conjunto de bloques sobre un tablero
– Sólo es posible situar un bloque sobre otro
– Los bloques los mueve un brazo mecánico, uno cada

vez

» Objetivo:

– Construir uno o más montones de bloques

A
B

C
D

» Operadores:

– On(bloque, posición)

(cid:122) On ( C, Fl)

– Move(bloque, pos_x, pos_y)

A
B
C
D

(cid:122) Requieres PC. Para mover un bloque requiere

que no haya otro sobre él. Con el predicado
CLEAR garantizaremos esta restricción

(cid:122) Move(B, Fl, C)
(cid:122) Move (B, C, C) acción espuria o degenerada (se
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puede solventar añadiendo PC de igualdad)

4

Ejemplo (cont.)

(cid:122) Ej.: move(x,y,z)

» PC: On(x,y) ^ Clear(x) ^ Clear(z)
» D: Clear(z), On(x,y)
» A: On(x,z), Clear(y), Clear(Fl)

– Clear(posición)

(cid:122) Predicado que toma valor T si ningún bloque

está sobre posición

(cid:122) Se debe interpretar este operador como

» “existe un espacio vacío sobre posición

para trasladar un bloque”

» En tal caso Clear(Fl) = T siempre

(cid:122) Dificultad 1: si en el operador move y o z
corresponden al tablero (Fl), este no se
puede despejar. Para evitarlo se podría
incluir un operador adicional
moverSobreTablero

(cid:122) Ej.: moverSobreTablero(x, y)

» PC: On(x,y) ^ Clear(x)
» D: Clear (x)
» A: On(x, Fl), Clear(y)

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Ejemplo (cont.)

(cid:122) Dificultad 2:

» O bien se permite -> espacio de

búsqueda mayor

» Si no se permite hay que incluir un

nuevo predicado, bloque(x), e incluir,
como precondiciones de move,
bloque(x) ^ bloque(z)

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5

Forward Search Methods

(FSM)

FSM, II

(cid:122) Búsqueda en el espacio de estados desde el estado

inicial
» El estado inicial del problema de planificación está

descrito en términos de un conjunto de literales simples
positivos (los literales que no aparecen se consideran F)

» Los operadores STRIPS aplicables deben cumplir las

precondiciones. La DE resultante, a-a, se obtiene
aplicando los conjuntos D y A sobre la DE b-a

DE before-action

DE after-action

STRIPS
action-operator

» Se debe incluir un test objetivo
» El coste de aplicación de los operadores habitualmente es

unitario

(cid:122) Los FSM parten de una DE before-action y mediante un

operador STRIPS generan una DE after-action. Este
proceso lo realizan de forma iterativa (hacia delante),
generando una secuencia de DEs, la última de las
cuales se desea que sea el objetivo

DE1

DE1

...

DEn

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(cid:122) Al no existir funciones, el espacio de
estados es finito. Cualquier algoritmo
completo para búsqueda en grafos lo
es también para planificación. Por
ejemplo A*.

(cid:122) En la práctica suelen ser ineficaces en

problemas de tamaño medio. Por
ejemplo, para un problema de
planificación de carga aérea con
» 9 aeropuertos
» 50 aviones
» 200 piezas a transportar
» Objetivo: llevar la carga de aeropuerto A a

aeropuerto B

» El factor de ramificación es de

aproximadamente 1000 y el árbol de
búsqueda tiene aproximadamente 100041
nodos

12

6

FSM, III

(cid:122) Ejemplo de aplicación del patrón de

regla visto anteriormente en búsqueda
hacia adelante:
» move(x,y,z)

– PC: On(x,y) ^ Clear(x) ^ Clear(z)
– D: Clear(z), On(x,y)
– A: On(x,z), Clear(y), Clear(Fl)

[1]
[2]
[3]

» [1]: PC en una regla STRIPS está en forma

de objetivo: conjunción de literales. Se
asumen cuantificadas existencialmente las
variables de PC.
– Una instancia de regla STRIPS (instancia de

patrón) se puede aplicar a la DE ∆ si una
instancia de PC se satisface mediante la DE. Tal
instancia se obtiene mediante la unificación, por
etapas, de los literales en PC con un literal en la
DE.

– La instancia del operador aplicable se obtiene

aplicando la sustitución a todos los elementos de
la regla.

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FSM, IV (ejemplo)

Ejemplo de operador STRIPS (Nilsson, pp. 376)

[2]

[3]

DE after-action

=

)

∧
,

DE before-action
PC On x y Clear x Clear z
( )
( ,
( )
∧
}
{
DE
On B A Clear B Clear Fl
),
(
(
)
=
b a
−
}
{
}
On x y On B A D
x B
A
,
,
) ,
( ,
=
=
σ
1
1
1
{
}
A
On B y On B A
,
(
)
=
σ
1
1

(
),
,

),
(

,
(

{

),

L
=
σ

{

x B y
:
,
=

:
=

A z
,

:
=

Fl

}

=

{

}
x B
:
=

14

7

FSM, V (aplicación cont.)

Backward Search Methods

(BSM)

,

,

(cid:122) La instancia de la regla y la DE after-action
quedan, una vez aplicado el unificador σ:
move B A Fl
PC On B A Clear B Clear Fl
)
(
,
}
D On B A Clear Fl
)
,
A On B A Clear A Clear Fl
),
,
y

(
=
{
{

)
)
),
),

(
(
(

=
=

(
(

}
)

∧

∧

)

(

(

(cid:122) También denominados Regression Planning Methods
(cid:122) Poco eficiente en problemas grandes
(cid:122) Permiten considerar sólo operadores relevantes,

aquellos que alcanzan alguno de los objetivos que se
desea explorar

(cid:122) La regresión de una fórmula w mediante una regla

STRIPS a es una fórmula más débil w’ tal que, si w’ se
satisface por una DEb-a antes de aplicar una instancia
de a (w’ verifica PC de la instancia de a) entonces w
será satisfecha por la DEa-a después de aplicar la
instancia de a

Ejemplo de FSM
con STRIPS
(Nilsson, pp. 382)

(

(

(

DE

On A C On B Fl On C Fl
),

= 
Clear A Clear B Clear Fl
)





(cid:122) En la búsqueda puede usarse, por ejemplo,

),
),

),
),

,
(

,
(

,
(

a a
−

A*, donde
» h es una heurística que estime el coste al objetivo
» g función que refleje el coste de las acciones

(usualmente unitario)

(cid:122) Sin una heurística sobre qué acciones aplicar,

FSM no es apta en aplicaciones con gran
número de reglas y DE

15

16

8

BSM, II

BSM, III

(cid:122) Es importante que los operadores sean

consis