[论文解读] Hierarchical Finite State Controllers for Generalized Planning

Javier Segovia‐Aguas, Sergi Jiménez‐Martín+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2019

AI-based Problem Solving and Planning参考文献 15被引用 12

一句话总结

本文提出了分层有限状态控制器（hFSCs），通过允许控制器相互调用（包括递归调用），实现了紧凑且可泛化的规划解决方案。该文提出了一种经典规划的编译方法，使现成的规划器能够生成hFSCs，显著提升了标准FSCs在复杂任务（如树遍历）中的紧凑性和模块化程度。

ABSTRACT

Finite State Controllers (FSCs) are an effective way to represent sequential plans compactly. By imposing appropriate conditions on transitions, FSCs can also represent generalized plans that solve a range of planning problems from a given domain. In this paper we introduce the concept of {\it hierarchical FSCs} for planning by allowing controllers to call other controllers. We show that hierarchical FSCs can represent generalized plans more compactly than individual FSCs. Moreover, our call mechanism makes it possible to generate hierarchical FSCs in a modular fashion, or even to apply recursion. We also introduce a compilation that enables a classical planner to generate hierarchical FSCs that solve challenging generalized planning problems. The compilation takes as input a set of planning problems from a given domain and outputs a single classical planning problem, whose solution corresponds to a hierarchical FSC.

研究动机与目标

• 解决标准有限状态控制器（FSCs）在表示递归和可扩展泛化计划方面的局限性。
• 为泛化规划问题提供紧凑、可重用且可组合的规划解决方案。
• 开发一种编译方法，将一组规划问题转换为一个经典规划问题，其解为分层FSC。
• 通过利用现有FSC作为先验知识，支持hFSCs的增量式和模块化生成。
• 证明分层FSCs能够比单体FSCs更紧凑地表示复杂泛化计划。

提出的方法

• 重新表述FSC转移函数，仅允许二叉分支，以减少控制器生成的搜索空间。
• 定义具有参数化调用的分层FSCs，支持递归执行和模块化设计。
• 提出一种编译方法，将来自某一领域的多个规划问题映射为单个经典规划问题。
• 使用PDDL表达编译后的问题，从而可利用现成的经典规划器生成hFSC解。
• 通过预先定义子-FSCs（例如，行遍历和列返回）实现增量合成，仅生成根控制器。
• 通过固定控制器结构的某些部分并让规划器完成其余部分，支持先验知识的整合。

实验结果

研究问题

• RQ1 分层FSCs是否能比标准FSCs更紧凑地表示泛化计划？
• RQ2 能否通过分层FSCs自动编码并生成递归规划策略？
• RQ3 通过合适的编译方法，能否有效利用经典规划器生成分层FSCs？
• RQ4 如何通过模块化子问题实现分层FSCs的增量式合成？
• RQ5 在何种程度上可以利用现有FSCs作为先验知识，完成分层FSC的定义？

主要发现

• 分层FSCs能够比标准FSCs更紧凑地表示泛化计划，尤其适用于需要递归的问题，如二叉树的深度优先遍历。
• 所提出的编译方法使现成的经典规划器能够通过PDDL编码问题，从而生成分层FSCs。
• 通过带参数的自调用控制器，原生支持递归行为，为树遍历等复杂问题提供优雅解法。
• 增量合成是可行的：先生成基本任务（如行遍历）的子-FSCs，再将其组合为根控制器，显著提升可扩展性。
• 该方法成功生成了Visitall等复杂问题的分层FSCs，而单体FSC生成在时间限制内失败。
• 终端状态转移中的动作（如visit(child)）通常冗余，但因规划器约束而被保留，表明存在轻微实现缺陷。