游戏AI行为决策——HTN前言

Hierarchical Task Network（分层任务网络），简称HTN，与行为树、GOAP一样，也是一种行为决策方法。在《地平线：零之曙光》、《变形金刚：塞伯坦的陨落》中都有用它来制作游戏敌人的AI （我一个都没玩过捏。比起其它行为决策方法，HTN有个十分鲜明的特点：推演。

HTN允许我们把要做的事以高度复杂的「复合任务」来表示，而不是单单一个行为。什么意思呢？无论是有限状态机状态的转换，还是行为树节点的切换，大多时候只是从一个执行动作变为执行另一个动作。而HTN的一次规划，可以一口气规划出包含好几个动作的「复合任务」，你看到它做出的新动作，也不过是之前就计划好的一部分。

这么看来，好像还有点预知未来的味道呢，说得越来越玄乎了，直接来看看它的运行逻辑吧！

运行逻辑

HTN的整体结构框架如下：

别怕，看着复杂而已，相信你能够理解的：

1. 任务

首先，和其它行为决策方法一样，角色内部有存储一系列要做的事。在有限状态机中是「状态」，行为树中是「动作节点」，而HTN中是 「任务（Task）」。但要注意，HTN的「任务」十分特殊，它不只是单一的动作，可能包含多个动作，总的可以分为三种：「复合任务」、「方法」以及「原子任务」。

  • 原子任务，是最简单的任务，只是单一的动作，像「奔跑」、「跳跃」等就算是原子任务。通常也不建议把一个原子任务设计得太复杂。
  • 复合任务，是……“哦，我知道，一定是多个原子任务组合成的，对不对？”( ⓛ ω ⓛ *)，很可惜，并不完全正确。复合任务是由多个「方法」组合而成的，而每次执行复合任务，只会选择组成它的众多「方法」之一来执行，就像行为树的选择节点一样。
  • 方法，方法是HTN让角色行动丰富的关键，一个方法可以由多个「原子任务」或「复合任务」组合而成。在「方法」的帮助下，我们可以自然且清晰地构建丰富的行为。以「砍树」为例，可以构造成这个样子：

方法的执行，会逐一判断组成的「复合任务」和「原子任务」是否满足条件，只要有一个不满足，这个方法便会被放弃，它有点像行为树中的顺序节点。

这里要多说一嘴，「复合任务」和「方法」只会在HTN的规划阶段被执行。所谓「规划阶段」，就是根据「世界状态」来决定该做什么事，规划时会把要做的「复合任务」和「方法」统统分解成一个个「原子任务」。也就是说，最终角色实际执行的都是「原子任务」。

2. 世界状态

在游戏常用的决策行为算法中，只有GOAP和HTN有用到「世界状态」。其实这是更接近传统人工智能的设计方式（GOAP和HTN也确实是由传统人工智能转变来的），还是以「砍树」为例，想要让一个角色去砍树，他就得知道：哪里有树、哪里有电锯、电锯有多少油……这些 做事的前提 都可以归为「世界状态」的一员，反过来说，世界状态就是这类「前提条件」的集合，它们共同构成了HTN任务规划的基础。

在规划阶段，角色会复制一份「世界状态」的副本用于个人判断并选出可执行的任务，就好像是侦探拿着照片进行脑补推断一样。这个过程不会影响真正的「世界状态」。而在选出了可执行的任务后，就会将它分解成一系列「原子任务」挨个执行。有些（或者说大多数）「原子任务」执行完成后会对「世界状态」造成一定影响，比如开枪会减少弹药数，锯完树会减少树木数量等等。但要注意，这里的影响就不再是“脑补”的啦，而是真正改变「世界状态」的某些值。就像是部队制定完计划后，就开始正式行动了。

3. 总结

通过上述两大点，我想已经能大概弄清楚HTN的运行逻辑了吧（如果还是很懵，可以看看这个视频相关部分的介绍）：根据世界状态来选择要执行的任务，再将选好的任务分解为一个个原子任务来执行，而原子任务执行完后又会影响世界状态。一旦分解出的原子任务都执行完了，又或者某个原子任务的执行条件突然不能满足了，就重新选择，重复这个步骤。这就是HTN大体的运行逻辑了。

代码实现

这次代码实现同样参考了Steve Rabin的《Game AI Pro》，相比之前我们实现的行为树，这次所要写的类不会太多（除去注释的话就更少了）。

1. 世界状态

世界状态实现的难点在于：

  1. 状态数据的类型是多种多样的，该用什么来统一保存？
  2. 状态数据会时时变化，如何保证存储的数据也会同步更新？

对于问题1，我们可以用 的字典来解决。毕竟C#中，object类是所有数据类型的老祖宗。那问题2呢，假设用这种字典存储了某个角色的血量，那这个角色就算血量变成0了，字典里存储的也只是刚存进去时的那个值而不是0。而且反过来，我们修改字典里的这个血量值，也不会影响实际角色的血量……除非，这些值能像属性一样……

这是可以做到的！但要用到两个字典，一个用来模仿属性的get，一个用来模仿属性的set。分别用值类型为System.Action 和 System.Func的字典就可以了。

到这里我得再说一下，如果对于上面这几段话中的一些名词你有些许疑惑的话，就该再学习一下C#啦(￣、￣)，否则你可能不能理解世界状态类的实现：

//世界状态只有一个即可，我们将其设为静态类public static class HTNWorld{    //读 世界状态的字典    private static readonly Dictionary<string, Func> get_WorldState;    //写 世界状态的字典    private static readonly Dictionary<string, Action> set_WorldState;        static HTNWorld()    {        get_WorldState = new Dictionary<string, Func>();        set_WorldState = new Dictionary<string, Action>();    }    //添加一个状态，需要传入状态名、读取函数和写入函数    public static void AddState(string key, Func getter, Action setter)    {        get_WorldState[key] = getter;        set_WorldState[key] = setter;    }    //根据状态名移除某个世界状态    public static void RemoveState(string key)    {        get_WorldState.Remove(key);        set_WorldState.Remove(key);    }    //修改某个状态的值    public static void UpdateState(string key, object value)    {        //就是通过写入字典修改的        set_WorldState[key].Invoke(value);    }    //读取某个状态的值，利用泛型，可以将获取的object转为指定的类型    public static T GetWorldState(string key)     {        return (T)get_WorldState[key].Invoke();    }    //复制一份当前世界状态的值（这个主要是用在规划中）    public static Dictionary CopyWorldState()    {        var copy = new Dictionary();        foreach(var state in get_WorldState)        {            copy.Add(state.Key, state.Value.Invoke());        }        return copy;    }}
2. 任务类接口
「复合任务」、「方法」和「原子任务」它们有共通之处，我们把这些共通之处以接口的形式提炼出来，可以简化我们在规划环节的代码逻辑。
//用于描述运行结果的枚举（如果有看上一篇行为树的话，也可以直接用行为树的EStatus）public enum EStatus{    Failure, Success, Running, }public interface IBaseTask{    //是否满足条件    bool MetCondition();    //添加子任务    void AddNextTask(IBaseTask nextTask);}
3. 原子任务
原子任务是一个抽象类，相当于行为树中的动作节点，用于开发者自定义的最小单元任务。一般就是像「开火」、「奔跑」之类的简单动作。值得注意的是，这里的条件判断和执行影响都要分两种情况，一种是规划时，一种是实际执行时，因为规划时我们使用的并不是真正的世界状态，而是一份模拟的世界状态副本。
public abstract class PrimitiveTask : IBaseTask{    //原子任务不可以再分解为子任务，所以AddNextTask方法不必实现    void IBaseTask.AddNextTask(IBaseTask nextTask)    {        throw new System.NotImplementedException();    }    ///     /// 执行前判断条件是否满足，传入null时直接修改HTNWorld    ///     /// 用于plan的世界状态副本    public bool MetCondition(Dictionary worldState = null)    {        if(worldState == null)//实际运行时        {            return MetCondition_OnRun();        }        else//模拟规划时        {            return MetCondition_OnPlan(worldState);        }    }    protected virtual bool MetCondition_OnPlan(Dictionary worldState)    {        return true;    }    protected virtual bool MetCondition_OnRun()    {        return true;    }        //任务的具体运行逻辑，交给具体类实现    public abstract EStatus Operator();    ///     /// 执行成功后的影响，传入null时直接修改HTNWorld    ///     /// 用于plan的世界状态副本    public void Effect(Dictionary worldState = null)    {        if(worldState == null)//实际运行时        {            Effect_OnRun();        }        else //模拟运行时        {            Effect_OnPlan(worldState);        }    }    protected virtual void Effect_OnPlan(Dictionary worldState)    {        ;    }    protected virtual void Effect_OnRun()    {        ;    }}
4. 方法
方法既可以添加「复合任务」又可以添加「原子任务」作组成的子任务，所以我们用IBaseTask列表来存储；而方法的满足与否，要看两个条件，具体看代码注释吧：
public class Method : IBaseTask{    //子任务列表，可以是复合任务，也可以是原点任务    public List SubTask { get; private set; }    //方法的前提条件    private readonly Func condition;    public Method(Func condition)    {        SubTask = new List();        this.condition = condition;    }    //方法条件满足的判断=方法本身前提条件满足+所有子任务条件满足    public bool MetCondition(Dictionary worldState)    {        if (condition())//方法自身的前提条件是否满足        {            for (int i = 0; i < SubTask.Count; ++i)            {                //一旦有一个子任务的条件不满足，这个方法就不满足了                if (!SubTask[i].MetCondition(worldState))                {                    return false;                }            }            return true;//如果子任务全都满足了，那就成了！        }        return false;    }    //添加子任务    public void AddNextTask(IBaseTask nextTask)    {        SubTask.Add(nextTask);    }}
5. 复合任务
复合任务和「方法」类似，只不过只能添加「方法」作为子任务。
public class CompoundTask : IBaseTask{    //选中的方法    public Method ValidMethod { get; private set; }    //子任务（方法）列表    private readonly List methods;        public CompoundTask()    {        methods = new List();    }        public void AddNextTask(IBaseTask nextTask)    {        //要判断添加进来的是不是方法类，是的话才添加        if (nextTask is Method m)        {            methods.Add(m);        }    }        public bool MetCondition(Dictionary worldState)    {        for (int i = 0; i < methods.Count; ++i)        {            //只要有一个方法满足前提条件就可以            if(methods[i].MetCondition(worldState))            {                //记录下这个满足的方法                ValidMethod = methods[i];                return true;            }        }        return false;    }}
到这里，基本的组件类就全部完成了，对比行为树那章，代码量很少对吧？接下来就是有关构造的类了：
6. 规划器
规划器的要点在于对「复合任务」的分解，这里提一下，一个HTN会保证有一个复合任务做为根任务，就和行为树的根节点一样。分解也是由此开始：
public class HTNPlanner{    //最终分解完成的所有原子任务存放的列表    public Stack FinalTasks { get; private set; }    //分解过程中，用来缓存被分解出的任务的栈，因为类型各异，故用IBaseTask类型    private readonly Stack taskOfProcess;    private readonly CompoundTask rootTask;//根任务        public HTNPlanner(CompoundTask rootTask)    {        this.rootTask = rootTask;        taskOfProcess = new Stack();        FinalTasks = new Stack();    }    //规划（核心）    public void Plan()    {        //先复制一份世界状态        var worldState = HTNWorld.CopyWorldState();        //将存储列表清空，避免上次计划结果的影响        FinalTasks.Clear();        //将根任务压进栈中，准备分解        taskOfProcess.Push(rootTask);        //只要栈还没空，就继续分解        while(taskOfProcess.Count > 0)        {            //拿出栈顶的元素            var task = taskOfProcess.Pop();            //如果这个元素是复合任务            if(task is CompoundTask cTask)            {                //判断是否可以执行                if(cTask.MetCondition(worldState))                {                    /*如果可以执行，就肯定有可用的方法，                    就将该方法的子任务都压入栈中，以便继续分解*/                    var subTask = cTask.ValidMethod.SubTask;                    foreach(var t in subTask)                    {                        taskOfProcess.Push(t);                    }                    /*通过上面的步骤我们知道，能被压进栈中的只有                    复合任务和原子任务，方法本身并不会入栈*/                }            }            else //否则，这个元素就是原子任务            {                //将该元素转为原子任务，因为原本是IBaseTask类型                var pTask = task as PrimitiveTask;                //判断是否满足执行条件                if(pTask.MetCondition(worldState))                {                    //如果满足，就让它对复制的世界状态产生影响（模拟其真实发生）                    pTask.Effect(worldState);                    //再将该原子任务加入存放分解完成的任务列表                    FinalTasks.Push(pTask);                }            }        }    }}
7. 执行器
执行器的关键在于如何确认一个原子任务是否执行完成，并且要在执行完成后产生影响并切换到下一个原子任务。
public class HTNPlanRunner{    //当前运行状态    private EStatus curState;    //直接将规划器包含进来，方便重新规划    private readonly HTNPlanner planner;    //当前执行的原子任务    private PrimitiveTask curTask;    //标记「原子任务列表是否还有元素、能够继续」    private bool canContinue;    public HTNPlanRunner(HTNPlanner planner)    {        this.planner = planner;        curState = EStatus.Failure;    }        public void RunPlan()    {        //如果当前运行状态是失败（一开始默认失败）        if(curState == EStatus.Failure)        {            //就规划一次            planner.Plan();        }        //如果当前运行状态是成功，就表示当前任务完成了        if(curState == EStatus.Success)        {            //让当前原子任务造成影响            curTask.Effect();        }        /*如果当前状态不是「正在执行」，就取出新一个原子任务作为当前任务        无论失败还是成功，都要这么做。因为如果是失败，肯定在代码运行到这        之前，已经进行了一次规划，理应获取新规划出的任务来运行；如果是因        为成功，那也要取出新任务来运行*/        if(curState != EStatus.Running)        {            //用TryPop的返回结果判断规划器的FinalTasks是否为空            canContinue = planner.FinalTasks.TryPop(out curTask);        }        /*如果canContinue为false，那curTask会为null也视作失败（其实应该是「全部        完成」，但全部完成和失败是一样的，都要重新规划）。所以只有当canContinue && curTask.MetCondition()都满足时，才读取当前原子任务的运行状态，否则就失败。*/        curState = canContinue && curTask.MetCondition() ? curTask.Operator() : EStatus.Failure;    }}
差不多所有东西都完成了，为了方便使用，我们和上篇写行为树时一样，也做一个构造器：
8. 构造器
构造器会自带规划器和执行器，并将任务的创建打包成函数。也和上篇行为树一样，用栈的方式描述构建过程，提供一定可视化。
public partial class HTNPlanBuilder{    private HTNPlanner planner;     private HTNPlanRunner runner;    private readonly Stack taskStack;        public HTNPlanBuilder()    {        taskStack = new Stack();    }        private void AddTask(IBaseTask task)    {        if (planner != null)//当前计划器不为空        {            //将新任务作为构造栈顶元素的子任务            taskStack.Peek().AddNextTask(task);        }        else //如果计划器为空，意味着新任务是根任务，进行初始化        {            planner = new HTNPlanner(task as CompoundTask);            runner = new HTNPlanRunner(planner);        }        //如果新任务是原子任务，就不需要进栈了，因为原子任务不会有子任务        if (task is not PrimitiveTask)        {            taskStack.Push(task);        }    }    //剩下的代码都很简单，我相信能直接看得懂    public void RunPlan()    {        runner.RunPlan();    }    public HTNPlanBuilder Back()    {        taskStack.Pop();        return this;    }    public HTNPlanner End()    {        taskStack.Clear();        return planner;    }    public HTNPlanBuilder CompoundTask()    {        var task = new CompoundTask();        AddTask(task);        return this;    }    public HTNPlanBuilder Method(System.Func condition)    {        var task = new Method(condition);        AddTask(task);        return this;    }}
我还是来简单画图，示意一下构建栈得运作过程吧：
  • 加入一个复合节点0后：
  • 往这个复0加一个方法作为一个子任务：
 
  • 如果要向复0再加一个方法，就要调用Back函数，再添加：
总之，用Back调整栈顶的元素，我们可以自由地控制新任务作为谁的子任务。而且通过缩进可以较直观的看到HTN的整个结构，例如下面这样：
//节选自我某个小游戏里的一个小怪的行动protected override void Start(){    base.Start();    trigger = Para.HeathValue * 0.5f;    hTN.CompoundTask()            .Method(() => isHurt)                .Enemy_Hurt(this)                .Enemy_Die(this)                .Back()            .Method(() => curHp  HTNWorld.GetWorldState("PlayerHp") > 0)                .Enemy_Check(this)                .Enemy_Track(this, PlayerTrans)                .Enemy_Atk(this)                .Back()            .Method(() => true)                .Enemy_Idle(this, 3f)            .End();}
上述中的Enemy_Check、Enemy_Atk都是实际开发实现的具体原子行为。现在再来看，发现还是有问题的，HTN擅长规划，其实并不擅长时时决策，所以在实际开发时，建议与有限状态机结合。将受伤、死亡这类需要时时反馈的事交给状态机，HTN本身也可以放进一个状态，来进行复杂行为。而不是像我这样，将受伤、死亡也当成原子任务，因为这样做就要你为各个行为设计受伤中断，代码就会比较繁冗。
“状态机+其它”的复合决策模型并不罕见，GOAP也经常以这种形式出现。
最后分享一些设计原子任务的心得：
  1. 如果一个原子任务有一定的运行过程，可以用一个bool值在Operator函数内部判断是否完成了动作。
  2. 因为我们的世界状态是用字符串来读取的，如果我们想获取某个士兵的血量该怎么办？有很多士兵在，该如何区分？可以用Unity的GetInstanceID()获取唯一的ID+“血量”，组合成字符串来区分，其它类似情况同理。
能说的都说的差不多了，真正要了解HTN还是应当自己上手使用，鄙人也只是结合个人的学习和使用心得写出了这篇文章。有不足或不清楚的可以评论哈 （只是我不常看账号，可能不会回复
完毕！\ (￣︶￣*\ )
相关文章
Copyright ©  maxssl.com 版权所有 浙ICP备2022011180号