5.3 Языки инженерии знаний.

• Характеристика системы OPS5      Возможности языков высокого уровня также не беспредельны — каждый из них имеет свои ограничения. Например, в языке OPS5 возможности динамической памяти ограничены размещением векторов в рабочей памяти, что не позволяет строить в ней рекурсивные структуры данных, такие как графы или деревья. При разработке системы MORE из-за этого возникли серьезные сложности. Некоторые типы структур управления ходом выполнения, например рекурсивные и итерационные циклы, также с трудом реализуются в этом языке. В общем, это та цена, которую приходится платить за относительную простоту программного кода на языке OPS5 и эффективность его выполнения.      В ранних моделях систем, основанных на порождающих правилах, до 90% времени работы уходило на выполнение операций сопоставления условий. Но позднее Форджи обратил внимание на возможные источники низкой эффективности такого упрощенного подхода. Алгоритм сопоставления RETE, предложенный Форджи и реализованный в языках описания порождающих правил семейства OPS, базируется на двух наблюдениях:

  • В левых частях порождающих правил, которые размещаются в рабочей памяти, часто встречаются повторяющиеся условия. Если одно и то же условие встречалось в N правилах, то при прежнем упрощенном подходе выполнялось N операций сопоставления. Это пример внутрицикловой итерации (within-cycle iteration).

  • Простейший подход (в OPS5) при сопоставлении условий предполагает просмотр в каждом цикле всех элементов рабочей памяти, хотя содержимое рабочей памяти от цикла к циклу изменяется очень мало. Форджи назвал это межцикловой итерацией (between-cycle iteration).

    Предложенный Форджи алгоритм значительно снижает количество внутрицикловых итераций за счет использования сети сортировки, имеющей древовидную структуру. Выражения в левой части порождающих правил компилируются и включаются в эту сеть, а алгоритм сопоставления довольно просто определяет конфликтующее множество, просматривая состояние сети в текущем цикле. Количество межцикловых итераций сокращается за счет обработки множества лексем, которые являются индикаторами удовлетворения условий, размещенных в рабочей памяти. Это множество лексем отображает изменения, происходящие в рабочей памяти от цикла к циклу, и таким образом позволяет выявить те условия, которые подлежат проверке. Поскольку никаких других процессов управления, кроме цикла распознавание-действие, в системе не существует, то обработать полученное в результате конфликтующее множество не представляет особого труда. Механизм разрешения конфликтов выполняет это, не обращая внимания на другие аспекты текущего контекста вычислений.      Совершенно очевидно, что попытка использовать рекурсивные структуры данных потребует серьезного усложнения описанного процесса обработки правил. Точно так же и изменение режима управления приведет к тому, что механизм разрешения конфликтов вынужден будет анализировать дополнительную информацию. Разработчики языков, подобных OPS, всегда вынуждены искать компромисс между мощностью выразительных средств языка и эффективностью выполнения программного кода. До сих пор в среде исследователей предметом оживленных дискуссий является вопрос о том, удалось ли разработчикам OPS5 найти такой компромисс. Разработанные позже языки КЕЕ, КАРРА и CLIPS унаследовали от OPS5 синтаксис и механизм активизации правил. Все эти языки используют различные версии алгоритма RETE при формировании множества конфликтующих правил.      Преодоление недостатков программирования порождающих правил лежит не на пути усложнения существующих языков программирования, а скорее на пути объединения их с другими парадигмами программирования, позволяющими использовать рекурсивные структуры данных и управления. Примером такого объединения может служить комбинирование порождающих правил и фреймов, что позволяет сопоставлять условия, специфицированные в правилах, с содержимым слотов фреймов. Для решения проблем управления в последнее время все чаще используется включение наборов правил в более мощную.вычислительную среду, которая позволяет работать со списками заявок и с множеством источников знаний .

• Язык логического программирования PROLOG

Пролог (Prolog) — язык логического программирования, основанный на логике дизьюнктов Хорна, представляющей собой подмножество логики предикатов первого порядка.      Начало истории языка относится к 70-м годам XX века. Будучи декларативным языком программирования, Пролог воспринимает в качестве программы некоторое описание задачи, и сам производит поиск решения, пользуясь механизмом бэктрекинга и унификацией.      Встроенный в PROLOG режим управления использует стратегию обратного логического вывода, которая используется в системах, подобных MYCIN. Таблицы знаний и другие данные можно представить с помощью утверждений.Такие структуры данных, как графы и деревья , можно организовать с помощью фраз языка PROLOG, которые содержат комплексные термы. Языковые средства PROLOG позволят программисту разработать собственный механизм обработки неопределенности, причем не исключается и использование коэффициентов уверенности.      С практической точки зрения, пользуясь языком PROLOG, программист в качестве "бесплатного приложения" получает в свое распоряжение следующие возможности:

• индексированную базу данных фраз, которые можно использовать для представления правил, процедур или данных;

• универсальный механизм сопоставления, который позволяет выполнять сопоставление данных и шаблонов, включающих переменные, и возвращать подстановку, которая может обеспечить их совпадение;

• стратегию управления (поиск в глубину — depth-first search), основанную на правилах нисходящего поиска (фразы, которые размещены в базе данных ближе к "голове", обрабатываются первыми) и вычислении слева направо (подцели обрабатываются в том порядке, в котором они перечислены в списке).

    Действительно, дедуктивную порождающую систему довольно ПРОСТО эмулировать на языке PROLOG.(как используется эмуляция) Можно без особого труда разработать и простой интерпретатор, реализующий стратегию построения прямой цепочки вывода. Модификация рабочей памяти выполняется операторами assert и retract, которые добавляют или удаляют формулы из базы данных. Вы уже знаете как можно организовать локальное управление ходом процесса в системе, основанной на фреймах, как организовать обработку значений по умолчанию и исключений, хотя эти методы и не вписываются в стандартную логику.      Успешный опыт применения идей логического программирования, в частности создание программы МЕСНО, продемонстрировал ряд явных отклонений от синтаксиса исчисления предикатов первого порядка и его процедурной интерпретации в стандартной версии PROLOG. Некоторые семантические и синтаксические ограничения в программах МЕСНО и PLANNER до сих пор не преодолены в системах, базирующихся на языках логического программирования.

• Язык функционального программирования LISP

    Лисп (LISP, от англ. LISt Processing — «обработка списков») — семейство языков программирования, основанных на представлении программы системой линейных списков, которые притом являются основной структурой данных языка. Лисп считается вторым после Фортрана старейшим высокоуровневым языком программирования.      Традиционный Лисп имеет строгую динамическую систему типов, содержит императивные свойства, но в общем поощряет функциональную парадигму программирования. Существует объектно-ориентированное расширение языка — CLOS      Основная особенность Лиспа — представление программы в виде списков — определяет однородность и простоту синтаксиса. Внешне исходный код программы на Лиспе отличается обилием круглых скобок; редактирование программ значительно упрощается использованием текстового редактора, поддерживающего автоматическое выравнивание кода, подсветку соответствующих пар скобок и команды рода «перейти через список вправо». Хорошо приспособлен к кодированию на Лиспе редактор Emacs (большая часть которого написана на Лиспе), кроме того в коммерческих реализациях (например в LispWorks) IDE содержит удобные редакторы, сохраняющие все достоинства Emacs.      Одним из самых распространённых диалектов Лиспа является Common Lisp. Его реализации существуют для большинства платформ. Есть реализации распространяемые свободно под лицензиями, позволяющими использовать Лисп без ограничений в коммерческих приложениях, кроме этого существуют коммерческие реализации, предлагающие дополнительные возможности (IDE, дополнительные библиотеки и т. п.), в том числе техническую поддержку. С полным списком реализаций можно ознакомиться здесь: Common Lisp Implementation.  Синтаксис      Любая программа на Лиспе состоит из последовательности выражений (форм). Результат работы программы состоит в вычислении этих выражений. Все выражения записываются в виде списков — одной из основных структур Лиспа, поэтому они могут легко быть созданы посредством самого языка. Это позволяет создавать программы, изменяющие другие программы или макросы, позволяющие существенно расширить возможности языка.      Список является последовательностью элементов любого рода, в том числе других списков. Например, (1 3/7 'foo #'+) состоит из целого числа, рациональной дроби, символа foo и указателя на функцию сложения. Выражения представляются списками в префиксной записи: первый элемент должен быть формой, то есть функцией, оператором, макросом или специальным оператором; прочие элементы суть аргументы, передаваемые форме для обработки. Функция list возвращает список состоящий из ее аргументов: например, (list 1 3/7 'foo #'+) возвращает список, упомянутый ранее. Если некоторые элементы являются выражениями, то сначала вычисляется их значение: (list 1 2 (list 1 2)) возвращает (1 2 (1 2)). Арифметические операторы действуют так же, например (+ 4 (* 2 3)) выдаёт 10.      Специальные операторы позволяют управлять последовательностью вычислений. С их помощью реализуются ветвление и циклы. Оператор if позволяет вычислить одно из двух выражений в зависимости от выполнения условия, которое тоже является выражением. Если его результат не nil, то вычисляется первый аргумент, иначе вычисляется второй. Например, (if nil (list 1 2 "foo") (list 3 4 "bar")) всегда возвращает (3 4 "bar").  Примеры      Пример куина (программы, выводящей свой исходный код) на Лиспе:  ((lambda (x) (list x (list 'quote x))) '(lambda (x) (list x (list 'quote x))))      Данная программа должна работать на большинстве диалектов Лиспа, в том числе и на Scheme.      Итеративная версия функции определения N-го числа Фибоначчи:  (defun fibonacci (x)  (if (= x 0)  1  (loop with result = 1  with prev = 1  for i from 0 below (1- x)  do (psetq result (+ result prev) prev result))))

Многофункциональные программные среды

    Многофункциональные программные среды позволяют опытному программисту экспериментировать при решении новых классов проблем, выбирая подходящие сочетания различных методов, представленных в имеющемся модульном наборе. Поскольку не существует единственного универсального языка представления знаний для произвольной экспертной системы, у разработчиков возникает желание объединить несколько различных схем представления, особенно на этапе создания прототипа. Хотя исчерпывающей теории таких гибридных систем и не существует, эксперименты с разными схемами представления и логического вывода показали, что каждая из них имеет свои слабые стороны. Поэтому понятно желание объединить разные методики таким образом, чтобы достоинства одних компенсировали слабости других.      Мы уже не раз обращали ваше внимание на то, что порождающие правила позволяют представить в программе эмпирически выявленные связи между условиями и действиями, между наблюдениями и гипотезами, но они значительно хуже подходят для представления отношений между объектами предметной области, включая и такие важнейшие, как отношения множество/элемент или множество/подмножество. Структурированные объекты, например фреймы, оказываются более удобным средством для хранения и манипулирования описаниями объектов предметной области, но применение таких знаний требует включения в программу фрагментов программного кода (например, на языке LISP), которые затем трудно анализировать. Рациональное зерно в первых попытках свести вместе стили, основанные на правилах и фреймах, состояло в том, чтобы объединить способность представлять объекты, характерные для фреймов, с возможностями связывать условия и действия с помощью порождающих правил.      Одной из первых многофункциональных сред искусственного интеллекта является LOOPS. в которой в рамках единой архитектуры обмена сообщениями были объединены четыре парадигмы программирования, перечисленные ниже[18]:

• Процедурно-ориентированное программирование. Эта парадигма была представлена языком LISP, в котором активным компонентом являются процедуры, а пассивным — данные, несмотря на то, что в LISP процедуры сами по себе также являются данными, поскольку имеют вид списков. В рамках единой среды процедуры могут быть использованы для обработки внешних данных, в частности изменения значений общедоступных переменных.

• Программирование, ориентированное на правила. Эта парадигма аналогична предыдущей, но роль процедур играют правила "условие-действие". В среде LOOPS наборы правил сами по себе являются объектами, которые можно рекурсивно вкладывать один в другой. Таким образом, часть "действие" одного правила, в свою очередь, может активизировать подчиненный набор правил. С множествами правил связываются управляющие компоненты, с помощью которых в простейшей форме выполняется разрешение конфликтов.

• Объектно-ориентированное программирование. Структурированные объекты обладают свойствами и процедур, и данных, причем побочные эффекты обычно локализуются в пределах объекта. Обработка поступающих сообщений приводит к передаче данных или изменению их значений, но все манипуляции данными выполняются под управлением того компонента, который обратился к объекту. При этом вызывающий объект совершенно не интересует, как хранятся данные и как они модифицируются внутри объекта.

• Программирование, ориентированное на данные. Доступ к данным и обновление данных запускает определенные процедуры, причем не имеет значения, почему изменен компонент данных, — то ли это результат побочного эффекта, то ли результат действия других процедур. С переменными, в которых хранятся значения данных, связываются определенные процедуры, подобно тому, как это делается в слотах фрейма, причем такие переменные часто называют активными величинами. В таких приложениях, как моделирование, этот стиль программирования оказывается довольно продуктивным, поскольку позволяет распространить эффект изменения какого-либо компонента на прочие, с ним связанные.

    В рамках основной объектно-ориентированной парадигмы модули среды, поддерживающие разные стили программирования, можно комбинировать. Обычно условия в порождающих правилах и логические фразы связываются со значениями слотов структурированных объектов, а правила модифицируют значения этих слотов. Именно такой стиль объединения парадигм в настоящее время реализован в языке CLIPS.      В системах КЕЕ и LOOPS поведение объектов описывается в терминах множества порождающих правил, как это сделала Эйкинс (Aikins) в системе CENTAUR. В средах КЕЕ и Knowledge Craft к перечисленным выше парадигмам добавлено и логическое программирование в стиле языка PROLOG. Новая версия КЕЕ, известная под названием КАРРА-РС, предоставляет в распоряжение программиста еще более широкий набор стилей для комбинирования правил, объектов и процедур.

CLIPS как многофункциональная среда программирования(инженерии знаний)

    Кроме поддержки интерпретатора порождающих правил CLIPS обладает следующими функциональными возможностями:

• для определения стандартных функций используется синтаксис, подобный LISP;

• предоставляет в распоряжение разработчика родовые функции, аналогичные мультиметодам CLOS;

• располагает встроенным объектно-ориентированным языком COOL, который, в отличие от CLOS, включает и средства поддержки обмена сообщениями.

    Обращение к стандартным функциям допускается включать в правую часть правил и в этом случае они выполняются так, как если бы являлись компонентом действий, специфицированных в правиле. Функции вызываются либо с целью получить побочный эффект, либо для использования явно возвращаемого функцией результата, который может быть сохранен с помощью оператора присваивания. Для работы с переменными в этом случае используется тот же синтаксис, что и в языке описания правил. Например, можно определить функцию between (X, Y, 2), оперирующую с целыми переменными. Эта функция будет проверять выполнение неравенств X|Y|Z:  (deffunction between (?lb ?value ?ub)  (and (<= ?lb ?value) (<=?value ?ub))),      Родовые функций (generic function) в CLIPS играют ту же роль, что и перегружаемые операторы в языке C++. Они обеспечивают возможность выполнять обработку разными методами последовательностей данных различного типа. Например, для конкатенации двух строковых значений оператором “+” можно следующим образом перегрузить этот оператор:  (defmethod + ((?a STRING) (?b STRING)) (art-cat ?a ?b)}  Тогда результатом вычисления выражения  (+ "dog" "fish") будет "dogfish".      В такой функции можно смешивать ограниченные и неограниченные параметры, причем ограничение может касаться типов данных на произвольном уровне обобщения, например числовых данных, целых, положительных целых чисел и т.д.      Вычисление родовых функций выполняется под "надзором" родового алгоритма диспетчирования (generic dispatch algorithm), который формирует индексированный список подходящих методов. Методы из этого списка затем вызываются соответственно уровню ограничений, указанному для параметров при обращении к функции. Алгоритм также принимает во внимание любые управляющие программные конструкции, представленные явно в тексте программы метода, например call-next-method или override-next-method.      Механизм передачи сообщений реализован по тому же способу, что и в языках SmallTalk и LOOPS, и требует, чтобы программист разработал свой обработчик сообщений для каждого отдельного класса. Диспетчер сообщений работает так же, как в исполняющей системе языка CLOS, и различает обработчики типов primary, around, before и after.      В программе на языке CLIPS можно вызывать и функции, написанные на языке С, хотя это и выполняется несколько необычно. Исполняющая система CLIPS может выступать в качестве внедренного приложения, т.е. программа на CLIPS может быть скомпилирована и скомпонована с программой на языке С, которая будет вызывать CLIPS-фрагменты как подпрограммы. Это позволяет внедрять функции искусственного интеллекта в компоненты больших программных комплексов.