[論文レビュー] An Overview of Hierarchical Task Network Planning

Ilce Georgievski, Marco Aiello|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2014

Service-Oriented Architecture and Web Services参考文献 122被引用数 39

ひとこと要約

本稿は、階層的タスクネットワーク（HTN）計画法の包括的なフレームワークを提示する。形式的モデルの統合、探索空間解釈のための主要概念の定義、およびドメイン作成、表現力、実行能力、性能、適用可能性の5次元にわたるHTNプランナの評価を含む。状態ベースのHTN計画法がWebサービス組み合わせ応用において支配的であることが示され、SHOP2とO-Plan2が最も広く使用されている。一方で、標準化、不確実性の取り扱い、実世界評価の分野に深刻なギャップが存在することが明らかになった。

ABSTRACT

Hierarchies are the most common structure used to understand the world better. In galaxies, for instance, multiple-star systems are organised in a hierarchical system. Then, governmental and company organisations are structured using a hierarchy, while the Internet, which is used on a daily basis, has a space of domain names arranged hierarchically. Since Artificial Intelligence (AI) planning portrays information about the world and reasons to solve some of world's problems, Hierarchical Task Network (HTN) planning has been introduced almost 40 years ago to represent and deal with hierarchies. Its requirement for rich domain knowledge to characterise the world enables HTN planning to be very useful, but also to perform well. However, the history of almost 40 years obfuscates the current understanding of HTN planning in terms of accomplishments, planning models, similarities and differences among hierarchical planners, and its current and objective image. On top of these issues, attention attracts the ability of hierarchical planning to truly cope with the requirements of applications from the real world. We propose a framework-based approach to remedy this situation. First, we provide a basis for defining different formal models of hierarchical planning, and define two models that comprise a large portion of HTN planners. Second, we provide a set of concepts that helps to interpret HTN planners from the aspect of their search space. Then, we analyse and compare the planners based on a variety of properties organised in five segments, namely domain authoring, expressiveness, competence, performance and applicability. Furthermore, we select Web service composition as a real-world and current application, and classify and compare the approaches that employ HTN planning to solve the problem of service composition. Finally, we conclude with our findings and present directions for future work.

研究の動機と目的

• 約40年にわたる研究においてHTN計画法の理解が曖昧で統合されていないという問題に対処すること。
• HTNプランナのモデリングとその探索空間特性の分析のための形式的かつ概念的なフレームワークを提供すること。
• ドメイン作成、表現力、実行能力、性能、適用可能性の5つの主要次元にわたるHTNプランナの評価を行うこと。
• 実世界応用、特にWebサービス組み合わせにおけるHTN計画法の使用を分析し、現在のアプローチを評価すること。
• 標準化、不確実性の取り扱い、HTN計画法における人間-コンピュータインタラクションの向上といった、未解決の研究課題を特定すること。

提案手法

• 計画ベースと状態ベースのHTN計画法に焦点を当て、階層的計画の形式的モデルを定義・比較する理論的フレームワークを提唱する。
• タスク分解、制約、明示的条件、探索空間構造に基づく概念的フレームワークを提示し、HTNプランナの解釈を可能にする。
• ドメイン作成、表現力、実行能力、性能、適用可能性の5次元分析フレームワークを用いて、HTNプランナを体系的に比較する。
• 事前処理と内部表現の役割に注目し、HTN計画法を用いたWebサービス組み合わせのアプローチを分類・評価する。
• 実世界環境における強みと限界を分析するため、既存のHTNプランナ（例：SHOP2、O-Plan2、SIPE-2）を検討する。
• 文献の厳密なレビューを通じて、共通の構文・意味論の欠如、不確実性の取り扱いの制限、実世界評価の不在といった主要な研究ギャップを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるHTN計画法の形式的体系とその背後にある探索空間をモデル化・比較するための統一フレームワークをどのように確立できるか？
• RQ2 ドメイン作成、表現力、実行能力、性能、適用可能性の観点から、主要なHTNプランナの主な相違点と類似点は何か？
• RQ3 現在のHTN計画法アプローチは、不確実性、障害処理、分散計画といった実世界要件をどの程度満たしているか？
• RQ4 HTNベースのWebサービス組み合わせアプローチは実際にはどの程度の性能を示し、表現力と評価の観点からどのような制限があるか？
• RQ5 標準化、意味論、人間-コンピュータインタラクションの分野において、今後さらに研究を要する主要な課題は何か？

主な発見

• Webサービス組み合わせ分野では、状態ベースのHTN計画法が支配的であり、多数の研究がこのアプローチを用いてサービス組み合わせ問題をモデル化・解決している。
• O-Plan2とSHOP2は実際の応用で最も広く採用されており、形式的比較が限られているにもかかわらず、強い実世界での採用事例を示している。
• Webサービス組み合わせの大多数のアプローチが、外部のサービス記述を内部のHTN互換表現に変換するための事前処理ステップを実施している。
• HTNドメインと問題を指定するための共通の構文や意味論が存在しないため、プランナの直接比較や標準的評価が困難である。
• 現在のアプローチは不確実性、非決定的要因、動的障害の処理をほとんど行わず、センシングや継続的計画の探求も少数にとどまっている。
• HTNベースのWebサービス組み合わせアプローチに対して、実世界での評価はまだ実施されていない。多数の研究が合成的または古典的計画問題でテストされているため、実世界の妥当性が制限されている。