规划领域定义语言(PDDL)学习笔记

一、PDDL是什么

PDDL全称Planning Domain Definition Language，规划领域定义语言，是人工智能自动规划领域的标准化描述语言，1998年由Drew McDermott等人提出，用来统一描述规划问题。

自动规划的核心任务：给定初始状态、目标状态、可执行动作，自动寻找一条动作序列，从初始状态一步步执行到达目标。

PDDL把规划拆成两大部分：

领域文件(domain.pddl)：描述通用知识、动作模型，和具体场景实例无关。
问题文件(problem.pddl)：描述这一次规划任务的具体对象、初始状态、目标条件。

类比理解：

domain.pddl = 游戏规则（有哪些动作，动作的前提、效果）

problem.pddl = 这一局游戏的地图、物品、开局情况、通关目标

PDDL有多个版本：PDDL1.2、PDDL2.1（增加时序、持续动作）、PDDL3.0（偏好约束），学习入门一般从PDDL1.2开始，只处理经典的确定性、离散、静态规划问题。

二、PDDL核心语法基础

PDDL是LISP风格的前缀表达式，全部用括号包裹，格式：(关键字参数...)

2.1 领域文件 domain.pddl

domain文件结构固定：

lisp 复制代码

(define (domain 领域名)
    (:requirements 需求项)
    (:predicates 谓词列表)
    (:action 动作名
        :parameters (?变量1 ?变量2 ...)
        :precondition (and 前提条件)
        :effect (and 效果)
    )
)

(:requirements) ：声明用到的语法特性
常用：

:strips：最基础STRIPS规划（经典入门必写）
:typing：支持类型定义，给对象分类型
:equality：支持判断相等 =

(:predicates 谓词)
谓词用来描述状态命题 ，描述对象之间的关系，返回真/假。
语法：(谓词名 ?参数1 ?参数2)

示例：(at ?x ?loc) 含义：对象x在位置loc

(clear ?block) 含义：积木?block上方是空的（积木世界经典谓词）
注意：谓词只定义格式，不定义真假；真假写在problem初始状态里。

(:action 动作)
动作是规划里唯一能改变世界状态的东西，4个部分：

:parameters：动作的形参，变量以?开头
:precondition：前提条件。只有全部为真，动作才能执行
:effect：动作执行之后带来的状态变化。
- 正向效果：增加谓词（变为true）
- 负向效果：(not xxx)，删除谓词（变为false）

经典STRIPS假设：闭世界假设。不在状态里写明的命题，默认是false。

2.2 问题文件 problem.pddl

problem描述单次任务实例：

lisp 复制代码

(define (problem 问题名)
    (:domain 对应的领域名)
    (:objects 对象列表 - 类型)
    (:init 初始状态谓词集合)
    (:goal (and 目标条件))
)

(:objects)：定义本次场景里所有实体对象，可以加类型
(:init)：初始世界状态，所有成立的谓词
(:goal)：目标，只要这些谓词全部成立，规划成功。不需要描述世界全部状态，只写需要满足的条件。

三、经典示例：积木世界（Block World）

积木世界是PDDL入门标配例子：桌面上有若干积木，可以堆叠。

动作只有两个：

pickup(?x)：拿起积木x，前提：x在桌面、x顶上为空、机械手空手；效果：机械手拿着x，x不在桌面。
putdown(?x)：放下积木x，前提：机械手拿着x；效果：机械手空手，x放在桌面，x顶上为空。
stack(?x ?y)：把x堆到y上面
unstack(?x ?y)：把x从y上面拿起来

domain.pddl 积木领域

lisp 复制代码

(define (domain block_world)
(:requirements :strips :typing)
(:types block - object)
(:predicates
    (on ?x ?y)        ; x在y上面
    (ontable ?x)      ; x放在桌子上
    (clear ?x)        ; x上方是空的
    (holding ?x)      ; 机械手拿着x
    (handempty)       ; 机械手空手
)

(:action unstack
    :parameters (?x ?y - block)
    :precondition (and (on ?x ?y) (clear ?x) (handempty))
    :effect (and (not (on ?x ?y)) (not (handempty)) (holding ?x) (clear ?y))
)

(:action stack
    :parameters (?x ?y - block)
    :precondition (and (holding ?x) (clear ?y))
    :effect (and (on ?x ?y) (not (holding ?x)) (handempty) (not (clear ?y)))
)

(:action pickup
    :parameters (?x - block)
    :precondition (and (ontable ?x) (clear ?x) (handempty))
    :effect (and (not (ontable ?x)) (not (handempty)) (holding ?x))
)

(:action putdown
    :parameters (?x - block)
    :precondition (and (holding ?x))
    :effect (and (ontable ?x) (not (holding ?x)) (handempty) (clear ?x))
)
)

problem.pddl 积木问题实例

场景：2块积木A、B。初始：A在桌面，B在A上面。目标：B放到桌面，A上面空。

lisp 复制代码

(define (problem block_2problem)
(:domain block_world)
(:objects A B - block)
(:init
    (ontable A)
    (on B A)
    (clear B)
    (handempty)
)
(:goal (and
    (ontable A)
    (ontable B)
    (clear A)
))
)

规划器求解结果示例（动作序列）

复制代码

unstack B A
putdown B

执行过程：

unstack B A：把B从A拿起。状态变化：机械手拿着B，A变为clear。
putdown B：放下B到桌面。机械手空手，B在桌上，B上方clear。
达到目标。

规划器：PDDL只是描述语言，本身不能求解。需要外部规划器解析PDDL文件搜索动作序列。常用规划器：FastDownward、Planner4、LAMA。

四、PDDL重要概念

4.1 闭世界假设（Closed World Assumption）

STRIPS/PDDL经典规划默认规则：

在当前状态里没有写出来的谓词，就认为是假 。

例：init里面没有写(holding A)，代表机械手没有拿A。

4.2 框架问题（Frame Problem）

框架问题：动作只改变一部分状态，没有在effect里写的谓词，保持不变 。

PDDL自动处理：动作effect只写变化的状态，其余状态默认保留，不用手动写大量不变条件。

这是PDDL很关键的一点，不用描述"不受影响的东西"。

4.3 谓词 vs 函数

谓词：返回布尔true/false，描述关系，(on A B)
PDDL2.1引入函数：可以表示数值，例如(fuel truck)，做数值规划。入门PDDL1.2一般不碰函数。

4.4 条件效果（扩展）

:effect里可以写(when 条件效果)，条件满足才触发效果，属于PDDL扩展特性，入门可以先跳过。

五、PDDL常见踩坑点（学习经常出错）

括号匹配错误：LISP语法，括号多一个少一个直接解析失败。写代码一定要成对检查括号。
变量必须加?，对象实体不能加?。?x是变量，A、B是实例。
precondition写错逻辑：动作前提写错，规划器找不到可行路径。
忘记写负效果：只写增加谓词，忘记(not xxx)删除旧状态，状态会矛盾。

举例：拿起积木后，还保留handempty，状态同时为handempty和holding A，冲突。

domain和problem的领域名字不一致，规划器加载失败。
谓词名称大小写敏感：有的规划器区分大小写，建议全部小写。

六、PDDL适用场景与局限

✅ 适用场景

机器人任务规划、物流调度、仓库搬运、游戏AI任务规划、应急救援任务编排。

例如：机器人在房间移动，抓取物品，规划任务序列。

❌ 局限性（经典PDDL）

经典STRIPS是确定性规划：动作执行一定成功，没有概率、不确定性。现实机器人有失败，要用PPDDL（概率PDDL）扩展。
不原生支持连续时间，PDDL2.1的durative-action才支持持续动作。
状态空间爆炸，积木数量多、对象多的时候，规划搜索开销急剧上升。
只描述符号层面的逻辑，不处理底层运动学、传感器噪声。

七、PDDL实操工具推荐

FastDownward：高性能经典规划器，学术最常用。
PDDL Editor：网页在线PDDL编辑器，支持语法高亮+简单规划求解，新手推荐，不用本地编译。
Planning.Domains：PDDL标准问题库，大量积木世界、物流、导航公开domain案例。

八、小结

PDDL本质是AI规划领域的建模语言 ，把世界拆成对象、谓词、动作，分离领域知识和具体问题。

domain：通用规则，一次编写，多个problem复用。

problem：单次任务实例，定义对象、初始、目标。

学习路线：掌握STRIPS基础PDDL1.2 → 积木世界练习 → 学习PDDL2.1时序/数值扩展 → 尝试使用FastDownward跑规划任务。