[论文解读] Degrees of Laziness in Grounding: Effects of Lazy-Grounding Strategies on ASP Solving

Richard Taupe, Antonius Weinzierl+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2019

Logic, Reasoning, and Knowledge参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文提出了答案集编程（ASP）中接地的‘懒惰程度’谱系，引入了新颖的懒惰接地策略，以在内存效率与启发式有效性之间取得平衡。通过形式化描述k-未赋值和基于累加器的接地策略，作者展示了相较于最先进懒惰接地方法的显著性能提升，特别是在宽松约束接地与启发式集成方面，尽管对搜索空间的可见性有限，仍能有效减少求解时间并增强搜索引导能力。

ABSTRACT

The traditional ground-and-solve approach to Answer Set Programming (ASP) suffers from the grounding bottleneck, which makes large-scale problem instances unsolvable. Lazy grounding is an alternative approach that interleaves grounding with solving and thus uses space more efficiently. The limited view on the search space in lazy grounding poses unique challenges, however, and can have adverse effects on solving performance. In this paper we present a novel characterization of degrees of laziness in grounding for ASP, i.e. of compromises between lazily grounding as little as possible and the traditional full grounding upfront. We investigate how these degrees of laziness compare to each other formally as well as, by means of an experimental analysis using a number of benchmarks, in terms of their effects on solving performance. Our contributions are the introduction of a range of novel lazy grounding strategies, a formal account on their relationships and their correctness, and an investigation of their effects on solving performance. Experiments show that our approach performs significantly better than state-of-the-art lazy grounding in many cases.

研究动机与目标

• 通过探索完全预先接地与最小懒惰接地之间的折衷，解决ASP中的接地瓶颈问题。
• 克服因搜索空间可见性有限导致的懒惰接地性能下降问题，该问题会削弱启发式有效性。
• 提出并形式化描述新型接地策略（如k-未赋值和基于累加器的接地），以实现懒惰程度与信息丰富度之间的可调制权衡。
• 使用真实世界基准测试评估这些策略对求解性能的影响，旨在提升效率的同时不牺牲懒惰接地的内存优势。
• 识别出能增强启发式引导能力并保持空间效率的最优接地配置，尤其适用于工业规模的ASP应用。

提出的方法

• 提出一个正式框架，用于表征接地中的‘懒惰程度’，基于变量赋值数量（k-未赋值）和基于累加器的规则处理策略。
• 引入基于累加器的接地策略，通过逐步构建并重用关于已接地规则的信息，以提升启发式质量。
• 在懒惰接地求解器Alpha中实现并集成高级启发式（MOMs和VSIDS），将其从传统先接地后求解的求解器中适配而来。
• 设计并评估多种接地变体：严格与宽松约束接地，以及有无累加器的组合，覆盖多样化的基准测试。
• 采用混合方法，将接地与求解交错进行，但战略性地延迟接地，以保持启发式信息的丰富性。
• 系统性地开展实验，比较工业和合成基准测试中不同接地策略的表现，测量求解时间、猜测次数和内存使用量。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同的接地懒惰程度在多大程度上影响ASP求解器的性能，特别是在求解时间和搜索空间探索方面？
• RQ2 基于累加器的接地策略在多大程度上能提升懒惰接地ASP系统中的启发式质量和求解效率？
• RQ3 宽松约束接地是否比严格接地带来更好的性能表现？该效果在何种条件下最为显著？
• RQ4 在懒惰接地环境中，高级启发式（MOMs、VSIDS）的表现如何？接地的完备性在多大程度上影响其有效性？
• RQ5 能否设计一种可调节的接地策略，在保持内存效率的同时，提供足够的搜索空间信息以有效引导启发式？

主要发现

• 在图着色和房屋类实例中，宽松约束接地在所有基准测试中均一致地提升了求解性能，主要得益于更优的启发式引导。
• 结合宽松约束接地的k-未赋值接地策略在许多情况下实现了与完全预先接地相当的性能，显著优于标准懒惰接地。
• 基于累加器的接地策略通过保留并重用结构信息，显著减少了求解时间和猜测次数，尤其在约束密度较高的问题中表现突出。
• 实验表明，采用新接地策略的Alpha求解器相比基线懒惰接地，求解时间可减少数个数量级，尤其在大规模实例中表现显著。
• 宽松约束接地降低了内存使用量，可能归因于延迟接地以及未学习到的冲突记忆（nogood forgetting）的缺失，尽管该影响未被直接测量。
• 当接地提供更多信息结构洞察时，MOMs和VSIDS等启发式的表现显著增强，证实了有限的搜索空间可见性是懒惰接地中的关键瓶颈。