人工智能自動(dòng)規(guī)劃.ppt

1、目錄,第八章自動(dòng)規(guī)劃 課程：人工智能 專業(yè)：物流工程,8.1 自動(dòng)規(guī)劃概述,8.1.1 規(guī)劃的概念及作用 1. 規(guī)劃的概念 定義8.1 從某個(gè)特定的問(wèn)題狀態(tài)出發(fā)，尋求一系列行為動(dòng)作，并建立一個(gè)操作序列，直到求得目標(biāo)狀態(tài)為止。這個(gè)求解過(guò)程就稱為規(guī)劃。 定義8.2 規(guī)劃是對(duì)某個(gè)待求解問(wèn)題給出求解過(guò)程的步驟。規(guī)劃涉及如何將問(wèn)題分解為若干相應(yīng)的子問(wèn)題，以及如何記錄和處理問(wèn)題求解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的各子問(wèn)題間的關(guān)系。 定義8.3 規(guī)劃系統(tǒng)是一個(gè)涉及有關(guān)問(wèn)題求解過(guò)程步驟的系統(tǒng)。如計(jì)算機(jī)或飛機(jī)設(shè)計(jì)、火車或汽車運(yùn)輸路徑、財(cái)政和軍事規(guī)劃等問(wèn)題。,8.1 自動(dòng)規(guī)劃概述,8.1.1 規(guī)劃的概念及作用 例： 救援仿真機(jī)器人系

2、統(tǒng) （RoboCup Rescue Simulation System，RCRSS） 消防智能體 醫(yī)療智能體 警察智能體 普通市民 中心智能體 路障 避難所 著火建筑物 普通建筑物）,8.1 自動(dòng)規(guī)劃概述,8.1.1 規(guī)劃的概念及作用 2. 規(guī)劃的作用 規(guī)劃可用來(lái)監(jiān)控問(wèn)題求解過(guò)程，并能夠在造成較大的危害之前發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)。規(guī)劃的好處可歸納為簡(jiǎn)化搜索、解決目標(biāo)矛盾以及為差錯(cuò)補(bǔ)償提供基礎(chǔ)。 “十二五”規(guī)劃、城市規(guī)劃、企業(yè)發(fā)展規(guī)劃,8.1 自動(dòng)規(guī)劃概述,8.1.2 規(guī)劃的分類和問(wèn)題分解途徑 1. 規(guī)劃的分類 （1）按規(guī)劃內(nèi)容分 國(guó)家、地方、重大項(xiàng)目、企業(yè)、交通、城市、環(huán)境 （2）按規(guī)劃方法分 非遞階（非分

3、層）規(guī)劃與遞階（分層）規(guī)劃；線性規(guī)劃與非線性規(guī)劃；同步規(guī)劃與異步規(guī)劃；基于腳本、框架和本體的規(guī)劃；基于專家系統(tǒng)的規(guī)劃；基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的規(guī)劃； （3）按規(guī)劃實(shí)質(zhì)分 任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃、軌跡規(guī)劃,8.1 自動(dòng)規(guī)劃概述,8.1.2 規(guī)劃的分類和問(wèn)題分解途徑 2. 問(wèn)題分解途徑 把某些較復(fù)雜的問(wèn)題分解為一些較小的子問(wèn)題。有兩條實(shí)現(xiàn)這種分解的重要途徑。 第一條重要途徑是當(dāng)從一個(gè)問(wèn)題狀態(tài)移動(dòng)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)，無(wú)需計(jì)算整個(gè)新的狀態(tài)，而只要考慮狀態(tài)中可能變化了的那些部分。 第二條重要途徑是把單一的困難問(wèn)題分割為幾個(gè)有希望的較為容易解決的子問(wèn)題。,8.1 自動(dòng)規(guī)劃概述,8.1.2 規(guī)劃的分類和問(wèn)題分解途徑 3. 域

4、的預(yù)測(cè)和規(guī)劃的修正 （1）域的預(yù)測(cè) 問(wèn)題論域的預(yù)測(cè)。對(duì)于不可預(yù)測(cè)的論域，考慮可能的結(jié)果集合，按照它們出現(xiàn)的可能性以某個(gè)次序排列。然后，產(chǎn)生一個(gè)規(guī)劃、并試圖去執(zhí)行這個(gè)規(guī)劃。 （2）規(guī)劃的修正 規(guī)劃執(zhí)行失敗導(dǎo)致對(duì)規(guī)劃的修正。 在規(guī)劃過(guò)程中不僅要記錄規(guī)劃的執(zhí)行步驟，而且要記錄每一步必須要執(zhí)行的理由。,8.1 自動(dòng)規(guī)劃概述,8.1.3 執(zhí)行規(guī)劃系統(tǒng)任務(wù)的一般方法 （1）選擇和應(yīng)用原則 （2）檢驗(yàn)解答與空端 （3）修正殆正確解,8.2任務(wù)規(guī)劃,8.2.1 積木世界的機(jī)器人規(guī)劃,B,A,C,C,B,A,機(jī)械手,機(jī)械手,(a),(b),8.2任務(wù)規(guī)劃,8.2.1 積木世界的機(jī)器人規(guī)劃 1. 積木世界的機(jī)器人

5、問(wèn)題 機(jī)器人能夠執(zhí)行的動(dòng)作舉例如下： unstack(a,b)：把堆放在積木b上的積木a拾起。在進(jìn)行這個(gè)動(dòng)作之前，要求機(jī)器人的手為空手，且積木a的頂上是空的。 stack(a,b)： 把積木a堆放在積木b上。動(dòng)作之前要求機(jī)械手必須已抓住積木a，而且積木b頂上必須是空的。 pickup(a)： 從桌面上拾起積木a，并抓住它不放。在動(dòng)作之前要求機(jī)械手為空手，而且積木a頂上沒有任何東西。 putdown(a)： 把積木a放置到桌面上。要求動(dòng)作之前機(jī)械手已抓住積木a。,8.2任務(wù)規(guī)劃,8.2.1 積木世界的機(jī)器人規(guī)劃 1. 積木世界的機(jī)器人問(wèn)題 狀態(tài)描述謂詞： ON(a,b)： 積木a在積木b之上。

6、ONTABLE(a)： 積木a在桌面上。 CLEAR(a)： 積木a頂上沒有任何東西。 HOLDING(a)： 機(jī)械手正抓住積木a。 HANDEMPTY： 機(jī)械手為空手。,8.2任務(wù)規(guī)劃,8.2.1 積木世界的機(jī)器人規(guī)劃 2.用F規(guī)則求解規(guī)劃序列 采用F規(guī)則表示機(jī)器人的動(dòng)作，這是一個(gè)叫做STRIPS規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)則，它由3部分組成： 第一部分是先決條件。為了使F規(guī)則能夠應(yīng)用到狀態(tài)描述中去。 第二部分是一個(gè)叫做刪除表的謂詞。當(dāng)一條規(guī)則被應(yīng)用于某個(gè)狀態(tài)描述或數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，就從該數(shù)據(jù)庫(kù)刪去刪除表的內(nèi)容。 第三部分叫做添加表。當(dāng)把某條規(guī)則應(yīng)用于某數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，就把該添加表的內(nèi)容添進(jìn)該數(shù)據(jù)庫(kù)。,8.2任務(wù)規(guī)劃,8

7、.2.1 積木世界的機(jī)器人規(guī)劃 2.用F規(guī)則求解規(guī)劃序列 例： move(x, y, z): 把物體x從物體y上面移到物體z上面。 先決條件：CLEAR(x), CLEAR(z), ON(x,y) 刪除表：ON(x, y), CLEAR(z) 添加表：ON(x, z), CLEAR(y),8.2任務(wù)規(guī)劃,8.2.2 STRIPS規(guī)劃系統(tǒng) STanford Research Institute Problem SolverSTRIPS STRIPS系統(tǒng)的組成如下： (1) 世界模型。為一階謂詞演算公式。 (2) 操作符(F規(guī)則)。包括先決條件、刪除表和添加表。 (3) 操作方法。應(yīng)用狀態(tài)空間表示

8、和中間-結(jié)局分析。 規(guī)劃過(guò)程 每個(gè)STRIPS問(wèn)題的解答為某個(gè)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的操作符序列，即達(dá)到目標(biāo)的規(guī)劃。,8.2任務(wù)規(guī)劃,8.2.3 具有學(xué)習(xí)能力的規(guī)劃系統(tǒng) 1.PULP-I的結(jié)構(gòu)與操作方式 PULP-I 機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)是一種具有學(xué)習(xí)能力的系統(tǒng)，它采用管理式學(xué)習(xí)，其作用原理是建立在類比的基礎(chǔ)上的。 2.PULP-I的世界模型和規(guī)劃結(jié)果 PULP-I系統(tǒng)能夠完成一系列規(guī)劃任務(wù)。具有學(xué)習(xí)能力的機(jī)器人問(wèn)題求解與規(guī)劃系統(tǒng)PULP-I已經(jīng)成功地顯示出規(guī)劃性能的改善。,8.2任務(wù)規(guī)劃,8.2.4 分層規(guī)劃 1.長(zhǎng)度優(yōu)先搜索 探索規(guī)劃時(shí)首先只考慮一層的細(xì)節(jié)，然后再注意規(guī)劃中比這一層低一層的細(xì)節(jié)， 2.NOAH

9、規(guī)劃系統(tǒng) （1）. 應(yīng)用最小約束策略 一個(gè)尋找非線性規(guī)劃而不必考慮操作符序列的所有排列的方法是把最少約束策略應(yīng)用來(lái)選擇操作符執(zhí)行次序的問(wèn)題。 問(wèn)題求解系統(tǒng)NOAH采用一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)記錄它所選取的操作符之間所需要的排序。它也分層進(jìn)行操作運(yùn)算，即首先建立起規(guī)劃的抽象輪廓，然后在后續(xù)的各步中，填入越來(lái)越多的細(xì)節(jié)。,8.2任務(wù)規(guī)劃,（2）. 檢驗(yàn)準(zhǔn)則 準(zhǔn)則法已被應(yīng)用于各種規(guī)劃生成系統(tǒng)。對(duì)于早期的系統(tǒng)，如HACKER系統(tǒng)，準(zhǔn)則只用于舍棄不滿足的規(guī)劃。在NOAH系統(tǒng)中，準(zhǔn)則被用來(lái)提出推定的方法以便修正所產(chǎn)生的規(guī)劃。第一個(gè)涉及的準(zhǔn)則是歸結(jié)矛盾準(zhǔn)則。 第二個(gè)準(zhǔn)則叫做消除多余先決條件準(zhǔn)則，包括除去對(duì)子目標(biāo)的多余說(shuō)明。 可以把分層規(guī)劃和最少約定策略十分直接地結(jié)合起來(lái)，以求得非線性規(guī)劃而不產(chǎn)生一個(gè)龐大的搜索樹。,8.2任務(wù)規(guī)劃,8.2.5 基于專家系統(tǒng)的機(jī)器人規(guī)劃 1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及規(guī)劃?rùn)C(jī)理 （1）知識(shí)庫(kù)：用于存儲(chǔ)某些特定領(lǐng)域的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，包括機(jī)器人工作環(huán)境的世界模型、狀態(tài)、物體描述等事實(shí)和可行操作或規(guī)則等。 （2） 控制策略：包含綜合機(jī)理，確定系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)應(yīng)用什么規(guī)則以及采取什么方式去尋找該規(guī)則。 （3） 推理機(jī)：用于記憶所采用的規(guī)則和控制策略及推理策略。 （4）知識(shí)獲?。菏紫全@取某特定域的專家知識(shí)。然后用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言把這些知識(shí)變換為計(jì)算機(jī)程序。最后把它們存入知識(shí)庫(kù)待用。,8.2任務(wù)規(guī)劃,(5)解釋