3.3. Логическое программирование

Основные трудности, с которыми постоянно сталкиваются разработчики программного обеспечения, связаны с построением систем, осуществляющих простую и быструю работу с данными. Это прежде всего задачи из области искусственного интеллекта: синтаксический и семантический анализ текста, организация баз данных и знаний, распознавание образов, диагностика неисправностей в технике и заболеваний в медицине, управление роботами и т.д.

В общем случае везде, где требуется анализ данных и возможны различные варианты решения, а сам ход решения не очень ясен для программиста или же желательно избежать детального описания своих действий, которые и так всем интуитивно понятны, во всех этих случаях целесообразно использовать логическое программирование. Логическое программирование позволяет обойтись без традиционной алгоритмизации решаемой задачи и сконцентрировать усилия на формализации знаний о предметной области решаемой задачи.

Наибольшее распространение получила система логического программирования, основанная на представлении знаний в виде так называемыхклауз Хорна. Это система и язык Prolog (PROgramming in LOGic), предложенная в начале 70-х годов Аланом Колмероем. Общая идея логического программирования представлена схемой на рис. 3.1. База знаний содержит описание правил вывода и известных фактов в форме клауз Хорна. Задание на работу с системой логического программирования имеет вид клаузы или набора клауз, в которых фигурируют предметные переменные, значения которых необходимо определить.

Машина вывода предназначена для процедурной интерпретации логической программы, т.е. всей совокупности клауз Хорна (запроса и базы знаний). Машина вывода реализует заложенный в нее алгоритм обработки клауз (утверждений) логической программы, называемый методом резолюций, для поиска возможных решений.

Клаузы Хорна и метод резолюций

Клаузой Хорна называется частный случай клаузы B₁,...,B_mA₁,...,A_n, получающийся при m=1:

B  A₁,...,A_n.

Метод резолюций основан на использовании правил резолюции. Правило резолюции – это правило вывода, которое позволяет из двух предложений

B₁,...,B_m  A₁,...,A_i,...,A_n и

B'₁,...,B'_j,...,B'_r  A'₁,...,A'_k ,

для которых существует так называемая согласующая подстановка  такая, что A_i=B'_j, вывести третье

B₁,..., B_m, B'₁,..., B'_j-1, B'_j+1,..., B'_r 

A₁,..., A_j-1, A_j+1,..., A_n, A'₁,..., A'_k.

Понятие согласующей подстановки  определяется как множество пар {(x_q,t_q)}, означающих, что переменная x_q всюду в A_i и B'_j заменяется термом t_q так, что A_i=B'_j, причем любая другая унифицирующая подстановка  носит менее общий характер.

Для клауз Хорна правило резолюции можно записать в общем виде

B  A₁,A₂,...,A_n | B'  A'₁,...,A'_k

A₁=B'₁,

B  A'₁,...,A'_k, A₂,...,A_n

где  - согласующая подстановка, | - разделитель клауз.

Сущность метода резолюций – это процедурная интерпретация клауз Хорна, которая заключается в следующем. Множество клауз Хорна S, описывающих постановку задачи, дополняется отрицанием C целевого утверждения C, содержащего в общем случае некоторые предметные переменные, значения которых необходимо определить. С помощью правил резолюции находим решение задачи, а именно значения предметных переменных, для которых множество S  {C} невыполнимо. Это значения предметных переменных, при которых из множества предложений S  {C} удается вывести пустое предложение .

Пример 3.3. Дана формулировка задачи на естественном языке:

Робот находится там, где находится тележка. Определить, где находится робот, если известно, что тележка находится на складе.

Запись условий задачи в стандартной форме:

где(робот, x)  где(тележка, x).

где(тележка, склад) .

 где(робот, y).

В соответствии с методом резолюций запрос формируется как отрицание предложения "где(робот, y)". Последовательность резолюций:

 где(робот, y) | где(робот, x)  где(тележка, x)

y=x ;

 где(тележка, x)

 где(тележка, x) | где(тележка, склад) 

x=склад .



Таким образом, на втором шаге при использовании согласующей подстановки x=склад получено пустое предложение  и ответ где(робот, склад), что означает, что робот находится на складе.