Planning is the sub-area of artificial intelligence that studies the process of selecting actions to lead an agent, e.g. a robot or a softbot, to a goal state. In many realistic scenarios, any choice of actions can lead the robot into a dead-end state, that is, a state from which the goal cannot be reached. In such cases, the robot can, pro-actively, resort to human help in order to reach the goal, an approach called symbiotic autonomy. In this work, we propose two different approaches to tackle this problem: (I) contingent planning, where the initial state is partially observable, configuring a belief state, and the outcomes of the robot actions are non-deterministic; and (II) probabilistic planning, where the initial state may be partially or totally observable and the actions have probabilistic outcomes. In both approaches, the human help is considered a scarce resource that should be used only when necessary. In contingent planning, the problem is to find a policy (a function mapping belief states into actions) that: (i) guarantees the agent will always reach the goal (strong policy); (ii) guarantees that the agent will eventually reach the goal (strong cyclic policy), or (iii) does not guarantee achieving the goal (weak policy). In this scenario, we propose a contingent planning system that considers human help to transform weak policies into strong (cyclic) policies. To do so, two types of human help are included: (i) human actions that modify states and/or belief states; and (ii) human observations that modify belief states. In probabilistic planning, the problem is to find a policy (a function mapping between world states and actions) that can be one of these two types: a proper policy, where the agent has probability 1 of reaching the goal; or an improper policy, in the case of unavoidable dead-ends. In general, the goal of the agent is to find a policy that minimizes the expected accumulated cost of the actions while maximizes the probability of reaching the goal. In this scenario, this work proposes probabilistic planners that consider human help to transform improper policies into proper policies however, considering two new (alternative) criteria: either to minimize the probability of using human actions or to minimize the expected number of human actions. Furthermore, we show that optimal policies under these criteria can be efficiently computed either by increasing human action costs or given a penalty when a human help is used. Solutions proposed in both scenarios, contingent planning and probabilistic planning with human help, were evaluated over a collection of planning problems with dead-ends. The results show that: (i) all generated policies (strong (cyclic) or proper) include human help only when necessary; and (ii) we were able to find policies for contingent planning problems with up to 10^15000 belief states and for probabilistic planning problems with more than 3*10^18 physical states. / Planejamento é a subárea de Inteligência Artificial que estuda o processo de selecionar ações que levam um agente, por exemplo um robô, de um estado inicial a um estado meta. Em muitos cenários realistas, qualquer escolha de ações pode levar o robô para um estado que é um beco-sem-saída, isto é, um estado a partir do qual a meta não pode ser alcançada. Nestes casos, o robô pode, pró-ativamente, pedir ajuda humana para alcançar a meta, uma abordagem chamada autonomia simbiótica. Neste trabalho, propomos duas abordagens diferentes para tratar este problema: (I) planejamento contingente, em que o estado inicial é parcialmente observável, configurando um estado de crença, e existe não-determinismo nos resultados das ações; e (II) planejamento probabilístico, em que o estado inicial é totalmente observável e as ações tem efeitos probabilísticos. Em ambas abordagens a ajuda humana é considerada um recurso escasso e deve ser usada somente quando estritamente necessária. No planejamento contingente, o problema é encontrar uma política (mapeamento entre estados de crença e ações) com: (i) garantia de alcançar a meta (política forte); (ii) garantia de eventualmente alcançar a meta (política forte-cíclica), ou (iii) sem garantia de alcançar a meta (política fraca). Neste cenário, uma das contribuições deste trabalho é propor sistemas de planejamento contingente que considerem ajuda humana para transformar políticas fracas em políticas fortes (cíclicas). Para isso, incluímos ajuda humana de dois tipos: (i) ações que modificam estados do mundo e/ou estados de crença; e (ii) observações que modificam estados de crenças. Em planejamento probabilístico, o problema é encontrar uma política (mapeamento entre estados do mundo e ações) que pode ser de dois tipos: política própria, na qual o agente tem probabilidade 1 de alcançar a meta; ou política imprópria, caso exista um beco-sem-saída inevitável. O objetivo do agente é, em geral, encontrar uma política que minimize o custo esperado acumulado das ações enquanto maximize a probabilidade de alcançar a meta. Neste cenário, este trabalho propõe sistemas de planejamento probabilístico que considerem ajuda humana para transformar políticas impróprias em políticas próprias, porém considerando dois novos critérios: minimizar a probabilidade de usar ações do humano e minimizar o número esperado de ações do humano. Mostramos ainda que políticas ótimas sob esses novos critérios podem ser computadas de maneira eficiente considerando que ações humanas possuem um custo alto ou penalizando o agente ao pedir ajuda humana. Soluções propostas em ambos cenários, planejamento contingente e planejamento probabilístico com ajuda humana, foram empiricamente avaliadas sobre um conjunto de problemas de planejamento com becos-sem-saida. Os resultados mostram que: (i) todas as políticas geradas (fortes (cíclicas) ou próprias) incluem ajuda humana somente quando necessária; e (ii) foram encontradas políticas para problemas de planejamento contingente com até 10^15000 estados de crença e para problemas de planejamento probabilístico com até 3*10^18 estados do mundo.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-19122018-211701 |
| Date | 21 September 2018 |
| Creators | Franch, Ignasi Andrés |
| Contributors | Barros, Leliane Nunes de |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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