Экспертные системы. Учебное пособие по специальности 080801 «Прикладная информатика (в информационной сфере)»

Представление списка (A B C) в графической нотации приведено на рисунке 7.

Рисунок 7 – Графическое представление списка (A B C)

На рисунке 8 приведено представление списка ((A) (A B (A B C))) в графической нотации.

Рисунок 8 – Графическое представление списка ((A) (A B (A B C)))

В функциональном программировании, как и в логическом, имеет место разделение списка на голову и хвост. Первый элемент списка – голова. Список без головы – хвост.

Логические константы

В логических выражениях NIL обозначает логическую константу «ложь» (false). Логическое «да» (true) задается символом «Т».

Атомы и списки – это символьные выражения, или S-выражения.

Функции в Лиспе

Функции в языке записываются в префиксной форме, т. е. сначала записывается операция, затем ее операнды, вся конструкция заключается в круглые скобки.

61

Достоинством такой записи является то, что появляется возможность записывать функции в виде списков.

Пример:

(+4 2)

Результатом вычисления этой функции будет число 6.

Новая функция в Лиспе может быть определена следующим образом:

(DEFUN имя_функции (параметры) выражение 1... выражение N)

С помощью встроенных функций обработки списков выполняются стандартные операции.

В таблице 3 приведены основные встроенные функции, применяемые в Лиспе для обработки списков.

Названия функций CAR и CDR имеют свою историю. Автор Лиспа реализовывал свою первую систему на машине IBM 605. Для хранения адреса головы списка использовался регистр CAR (content of address registr). Для хранения адреса хвоста списка использовался регистр CDR (contеnt of decrement registr).

Предикаты

Условная часть правила «ЕСЛИ – ТО» может иметь значение «истина» или «ложь». Если она имеет значение «истина», вызывается часть ТО правила, если «ложь» – часть ТО правила игнорируется. В языке Лисп есть ряд функций, выполняющих проверку условий и возвращающих значение «ложь» или «истина»; эти значения в языке обозначаются NIL и T соответственно.

Таблица 3 – Встроенные функции обработки списков

Функции, которые проверяют условие и возвращают NIL или T,

называются предикатами.

В таблице 4 приведены примеры наиболее часто используемых предикатов в Лиспе.

Таблица 4 – Предикаты в Лиспе

Поясним на примере действие предиката АТОМ, который используется для анализа списков, а именно для идентификации: является ли объект атомом или нет.

(ATOM ‘x) T.

(ATOM (CDR ‘(A B C))) Nil.

В данном случае анализируется, является ли атомом список (B C), результат – «ложь».

2.4. Объектно-ориентированное программирование в разработке экспертных систем

За последние 20 лет было разработано довольно много языков для представления знаний, причем большинство из них можно отнести к классу объектно-ориентированных. Как и в случае с использованием концепции фреймов, основная идея состоит в том, чтобы заключить данные и связанные с ними процедуры в некие структуры, объединенные механизмом наследования.

Одним из предшественников современных программных средств является система KRL (Knowledge Representation Language – язык пред-

ставления знаний).

Язык представления знаний – KRL

В языке KRL впервые была сделана попытка собрать воедино результаты выполненных ранее исследований о структурировании элементов знаний и реализовать их в виде единой системы. Создание системы преследовало не только теоретические цели, но и имело достаточно четкую практическую направленность. В качестве «строительных блоков» системы использованы так называемые «концептуальные объекты», которые сходны с фреймами, предложенными Минским, в том, что представляют прототипы и связанные с ними свойства.

Такая ориентация повлекла за собой создание декларативного языка, основанного на описаниях, в которых концептуальные объекты рассматриваются не изолированно, а в совокупности с другими объектамипрототипами. Фундаментальное предположение состояло в следующем: что какие свойства некоторого объекта знаний оказываются существен-

64

ными, представляющими интерес и т. д. – зависит от точки зрения на объект и цели решаемой задачи.

При этом описание новой сущности можно рассматривать как процесс сравнения ее с ранее описанными: нужно указать, на какие из известных объектов похож новый и чем именно, а в чем от них отличается.

В основе процедурных свойств языка KRL также лежат наиболее распространенные программные методы, предполагающие подключение процедур общего вида к классам объектов данных.

Разработчики языка предположили, что наследование процедур позволит программировать в терминах родовых операций, детали реализации которых конкретизируются по-разному для объектов разных классов. Так же, как абстрактные типы данных позволяют программисту забыть о деталях хранения конкретных данных в машине, родовые операции позволяют на определенной стадии не принимать во внимание детали реализации однотипных операций в каждом конкретном случае.

Таким образом, идея, которая стоит за объектно-центрической организацией процедур, состоит в том, чтобы попытаться программно воспроизвести тот естественный стиль выработки суждений, который реализуется в мозге человека. В частности, предполагается, что управление логическим выводом реализуется на локальном уровне, в отличие от глобальных задач, ассоциирующихся, например, с автоматическим доказательством теорем. Другими словами, зная, как реализовать родовые операции, классы объектов будут обладать знаниями и о том, когда активизировать те многочисленные процедуры, к которым они имеют доступ.

Языки LOOPS и FLAVORS

Объектно-ориентированный стиль программирования более всего подходит для решения проблем, требующих детального представления объектов реального мира и динамических отношений между ними.

Классическим примером применения данного подхода являются задачи моделирования. В таких программах компоненты сложной системы представляются структурами, инкапсулирующими и данные, и функции, моделирующие поведение соответствующих компонентов. Первым языком, в котором была реализована такая идея, стал SmallTalk.

Для задач искусственного интеллекта были разработаны языки LOOPS и FLAVORS, причем оба представляют собой объектно-

65

ориентированные расширения языка Лисп. Хотя в настоящее время эти языки практически не используются, реализованные в них базовые идеи унаследованы множеством языков представления знаний, появившихся позже. В частности, это можно сказать о языках CLOS (Common LISP Object System) и CLIPS.

Языки CLIPS и CLOS

Появление языка Common LISP было связано с попыткой стандартизировать многочисленные диалекты Лисп и создать устраивающую большинство пользователей версию этого языка. Развитие объектноориентированного подхода в программировании привело к разработке объектно-ориентированной версии Лисп – CLOS (Сommon LISP Object System). Разработчики CLOS включили в свою систему поддержку множественного наследования, объединение методов и структуру метаклассов, ранее хорошо себя зарекомендовавших в языках FLAVORS

и LOOPS.

Механизм множественного наследования в языках CLIPS и CLOS аналогичен реализованному в языке LOOPS. Порядок, в котором базовые классы перечислены в определении подкласса, задает и порядок приоритетов наследования данных и процедур.

Кроме того, существует правило, в соответствии с которым определение процедуры или свойства, сделанное в классе, всегда имеет приоритет перед унаследованными от суперклассов. Эти соглашения позволяют разрешить проблему неоднозначности при множественном наследовании путем формирования списка предшествования классов.

Вязыках FLAVORS и LOOPS реализованы разные механизмы комбинирования поведения, унаследованного от разных «родителей».

Вязыке FLAVORS используется механизм вставок, а в языке LOOPS производится дополнительное обращение к альтернативному коду.

Вязыке CLOS поддерживаются оба варианта. Обычно существует главный метод, который берет на себя основную часть работы по выполнению родовой операции. Как и в языке FLAVORS, предварительные методы используются в целях подготовки данных для тех вычислений, которые должны быть выполнены основным методом, а заключительные методы – для выполнения заключительных операций.

66

Кроме того, в CLOS имеется возможность применять так называемые методы оболочки, которые образуют своего рода оболочку вокруг ядра. Такая методика предназначена для ситуаций, в которых ядро не позволяет достичь требуемого результата. Например, желательно, чтобы предварительный метод установил локальные переменные, которые должны быть использованы основным методом, или когда нужно заключить предварительный метод в какую-либо управляющую структуру. В ядре предварительные и заключительные методы используются только для того, чтобы сформировать побочные эффекты; возвращается же значение, сформированное primary-методом, причем это значение не ограничивается никакими внешними управляющими структурами.

В языке CLOS классы и метаклассы интегрированы в среду Лисп. Фактически каждый объект Лисп является экземпляром класса.

C++

Так же, как язык CLOS представляет собой объектно-ориентиро- ванное расширение языка Лисп, так и язык C++ создан на основе широко известного языка С и сохранил все его возможности, добавив к ним средства объектно-ориентированного программирования. Основное отличие между CLOS и C++ заключается в реализации механизма наследования, в частности множественного наследования.

Вязыке C++ множественное наследование трактуется иначе. Родовые операции в нем реализуются в виде виртуальных функций. Виртуальная функция, объявленная в классе X, – это функция, которая может быть переопределена в классе, производном от X. При объявлении в классе X виртуальная функция вообще может не иметь тела, т. е. программного кода реализации. В таком случае функция называется чисто виртуальной, а класс, имеющий одну или более чисто виртуальных функций, является абстрактным базовым классом, экземпляры которого создать невозможно.

Методы, вызывающиеся на выполнение, являются невиртуальными членами-функциями, т. е. функциями, имеющими определенный программный код, который не переопределяется в производных классах.

Вэтом смысле C++ существенно отличается от языка CLOS, в ко-

тором практически все функции суперкласса в большей или меньшей степени модифицируются механизмом наложения методов. Поэтому

67

в C++ существует множество синтаксических тонкостей, в которых не нуждается CLOS.

В чисто иерархической структуре классов, когда каждый производный класс имеет единственного «родителя», передача методов по наследству выполняется совершенно очевидным способом. Единственная тонкость реализации этого механизма в C++ состоит в использовании квалификаторов наследования public и private. Если не вдаваться в подробности, то наследование вида public представляет собой отношение «is а» (является), которое используется при фреймовой структуре представления знаний. Наследование вида private ближе к отношению «реализовано в терминах», которое позволяет скрыть определенные детали реализации интерфейсов объектов. Такое полезное разделение отсутствует в языке CLOS, в котором каждое отношение «классподкласс» несет семантический смысл.

Язык C++, обладая такими преимуществами, как проверка статических типов, разделение между закрытым и общедоступным наследованием, множество средств защиты данных от случайных изменений может служить базовым программным инструментом для создания экспертных систем.

SmallTalk

SmallTalk – объектно-ориентированный язык программирования, разработанный сотрудниками исследовательской группы фирмы XEROX (США) в 1970 году. Язык был представлен как SmallTalk-80 и с тех пор широко используется при разработке экспертных систем.

Объект в SmallTalk содержит и процедурную, и понятийную части (объект = данные + процедуры), причем для представления понятийной части используется аппарат абстрактных типов данных.

При решении задач на объектно-ориентированном языке используется абстрактная модель обработки данных

«объект – класс – сообщение» Эта модель носит фундаментальный характер и легко может при-

меняться в любой предметной области.

SmallTalk продолжает активно развиваться. В настоящее время существует две реализации SmallTalk, являющихся прямыми потомками

SmallTalk: Squeak и VisualWorks.

68

Реализация идей объектно-ориентированного программирования в разработке экспертных систем

Представление знаний о реальном мире в терминах взаимодействия объектов и субъектов является достаточно удобной средой для решения большого класса проблем, предполагающих значительный объем моделирования (задачи планирования и составления расписаний).

Методика представления абстрактных данных и процедур позволяет программистам, занятым задачами искусственного интеллекта, на ранних этапах разработки сосредоточиться на выборе подходящих видов объектов и их поведении, не вдаваясь в подробности реализации функций и структур данных.

Сложности внедрения объектно-ориентированного подхода в область задач искусственного интеллекта:

1.Объекты, в основном, являются средствами реализации вычислений.

2.Идея наследования поведения влечет за собой появление множества проблем при ее реализации (некоторые из появившихся в последнее время объектно-ориентированных схем допускают наследование только интерфейсов).

3.Определенные сложности возникают с реализацией наследования при использовании новых технологий многокомпонентных объектов, таких как СОМ.

В идеальном случае желательно так организовать разработку экспертной системы, чтобы добавление новых возможностей сводилось к включению в систему новых модулей программного кода.

Однако это вряд ли возможно даже при использовании объектноориентированной среды. Добавление новых модулей знаний обусловливает необходимость включения правил разрешения конфликтов и неопределенностей.

Таким образом, совершенно очевидно, что реализация идей объектно-ориентированного программирования не позволяет решить все проблемы разработки экспертной системы. Но объектно-ориенти- рованная парадигма упрощает принятие определенных видов решений в процессе проектирования системы и облегчает реализацию уже принятых.

69

Контрольные вопросы

1.На какие категории можно разделить инструментальные программы, применяемые при разработке экспертных систем?

2.Какие факторы оказывают влияние на выбор инструментального средства разработки экспертных систем?

3.Какие языки программирования предназначены для решения задач искусственного интеллекта?

4.Что такое оболочки экспертных систем?

5.Приведите примеры оболочек экспертных систем.

6.Какими свойствами обладают оболочки ЭС?

7.Какими компонентами определяется состав средства автоматизации проектирования экспертных систем?

8.Что такое логическое программирование?

9.Выделите основные области применения Пролога.

10.Выделите типы предложений в Прологе.

11.Что такое процедура?

12.Что такое арность?

13.Дайте определение правила в Прологе.

14.Какой список в Прологе называется пустым?

15.Что такое голова списка?

16.Каким образом в Прологе реализовано графическое представление списка?

17.Приведите примеры S-выражений в языке функционального программирования Лисп.

18.Дайте определение атомов в Лиспе.

19.Какая операция применима к символьным атомам?

20.Что такое числовые атомы?

21.Опишите графическую нотацию представления списка в Лиспе.

22.Представьте следующие списки в соответствии с графической нотацией Лиспа:

(A (A B J) B C)

(H (F) (A B) (A B C)) ((D) (A Z (A B C)))

23.Каким образом записываются функции в Лиспе?

24.Каким образом в Лиспе может быть определена новая функция?

70