Symbolic search and abstraction heuristics for cost-optimal planning in automated planning

Mención Internacional en el título de doctorLa Planificación Automática puede ser definida como el problema de encontrar una secuencia de acciones (un plan) para conseguir una meta, desde un punto inicial, asumiendo que las acciones tienen efectos deterministas. La Planificación Automática es independiente de dominio porque los planificadores toman como información inicial una descripción del problema y deben resolverlo sin ninguna información adicional. Esta tesis trata en particular de planificación automática ´optima, en la cual las acciones tienen un coste asociado. Los planificadores óptimos deben encontrar un plan y probar que no existe ningún otro plan de menor coste. La mayoría de los planificadores óptimos están basados en la búsqueda de estados explícita. Sin lugar a dudas, esta aproximación ha sido la dominante en planificación automática óptima durante los últimos años. No obstante, la búsqueda simbólica se presenta como una alternativa interesante. En esta tesis, proponemos dos mejoras ortogonales para la planificación basada en búsqueda simbólica. En primer lugar, estudiamos diferentes métodos para mejorar la computación de la “imagen”, operación que calcula el conjunto de estados sucesores a partir de un conjunto de estados. Posteriormente, analizamos cómo explotar las invariantes de estado para mejorar el rendimiento de la búsqueda simbólica. Estas propuestas suponen una mejora significativa en el desempeño de los algoritmos simbólicos en la mayoría de los dominios analizados. Hemos analizado dos tipos de heurísticas de abstracción con el objetivo de extrapolar las mejoras que se han realizado en la búsqueda explícita durante los últimos años a la búsqueda simbólica. Las heurísticas analizadas son: las bases de datos de patrones (pattern databases, PDBs) y una generalización de estas, mergeand-shrink (M&S). Mientras que las PDBs se han utilizado con anterioridad en búsqueda simbólica, hemos estudiado el uso de M&S, que es más general. En esta tesis se muestra que determinados tipos de heurísticas de M&S (aquellas que son generadas mediante una estrategia de “merge” lineal) pueden ser representadas como BDDs, con un coste computacional polinomial en el tamaño de la abstracción y la descripción del problema; y por lo tanto, pueden ser utilizadas de forma eficiente en la búsqueda simbólica. También proponemos una nueva heurística”symbolic perimeter merge-andshrink” (SPM&S) que combina la fuerza de la búsqueda hacia atrás simbólica con la flexibilidad de M&S. Los resultados experimentales muestran que SPM&S es capaz de superar, no solo las dos técnicas que combina, sino también otras heurísticas del estado del arte. Finalmente, hemos integrado las abstracciones simbólicas de perímetro, SPM&S, en la búsqueda simbólica bidireccional. En resumen, esta tesis estudia diferentes propuestas para planificación óptima basada en Búsqueda simbólica. Hemos implementado diferentes planificadores simbólicos basados en la Búsqueda bidireccional y las abstracciones de perímetro. Los resultados experimentales muestran cómo los planificadores presentados como resultado de este trabajo son altamente competitivos y frecuentemente superan al resto de planificadores del estado del arte.Domain-independent planning is the problem of finding a sequence of actions for achieving a goal from an initial state assuming that actions have deterministic effects. It is domain-independent because planners take as input the description of a problem and must solve it without any additional information. In this thesis, we deal with cost-optimal planning problems, in which actions have an associated cost and the planner must find a plan and prove that no other plan of lower cost exists. Most cost-optimal planners are based on explicit-state search. While this has undoubtedly been the dominant approach to cost-optimal planning in the last years, symbolic search is an interesting alternative. In symbolic search, sets of states are succinctly represented as binary decision diagrams, BDDs. The BDD representation does not only reduce the memory needed to store sets of states, but also allows the planner to efficiently manipulate sets of states reducing the search time. We propose two orthogonal enhancements for symbolic search planning. On the one hand, we study different methods for image computation, which usually is the bottleneck of symbolic search planners. On the other hand, we analyze how to exploit state invariants to prune symbolic search. Our techniques significantly improve the performance of symbolic search algorithms in most benchmark domains. Moreover, the enhanced version of symbolic bidirectional search is one of the strongest approaches to domain-independent planning even though it does not use any heuristic. Explicit-state search planners are commonly guided with admissible heuristics, which optimistically estimate the cost from any state to the goal. Heuristics are automatically derived from the problem description and can be classified into different families according to their underlying ideas. In order to bring the improvements on heuristics that have been made in explicit-state search to symbolic search, we analyze two types of abstraction heuristics: pattern databases (PDBs) and a generalization of them, merge-and-shrink (M&S). While PDBs had already been used in symbolic search, we analyze the use of the more general M&S heuristics. We show that certain types of M&S heuristics (those generated with a linear merging strategy) can be represented as BDDs with at most a polynomial overhead and, thus, efficiently used in symbolic search. We also propose a new heuristic, symbolic perimeter merge-and-shrink (SPM&S) that combines the strength of symbolic regression search with the flexibility of M&S heuristics. Our experiments show that SPM&S is able to beat, not only the two techniques it combines, but also other state-of-the-art heuristics. Finally, we integrate our symbolic perimeter abstraction heuristics in symbolic bidirectional search. The heuristic used by the bidirectional search is computed by means of another symbolic bidirectional search in an abstract state space. We show how, even though the combination of symbolic bidirectional search and abstraction heuristics has an overall performance similar to the simpler symbolic bidirectional blind search, it can sometimes solve more problems in particular domains. In summary, this thesis studies different enhancements on symbolic search. We implement different symbolic search planners based on bidirectional search and perimeter abstraction heuristics. Experimental results show that the resulting planners are highly competitive and often outperform other state-of-the-art planners.Programa Oficial de Doctorado en Ciencia y Tecnología InformáticaPresidente: José Manuel Molina López..- Vocal: Malte Helmert .- Secretario: Andrés Jonsso

Using features for automated problem solving

We motivate and present an architecture for problem solving where an abstraction layer of "features" plays the key role in determining methods to apply. The system is presented in the context of theorem proving with Isabelle, and we demonstrate how this approach to encoding control knowledge is expressively different to other common techniques. We look closely at two areas where the feature layer may offer benefits to theorem proving — semi-automation and learning — and find strong evidence that in these particular domains, the approach shows compelling promise. The system includes a graphical theorem-proving user interface for Eclipse ProofGeneral and is available from the project web page, http://feasch.heneveld.org