Анализ традиционных языков программирования и представления знаний.

Анализ традиционных языков программирования и представления знаний.

Специализированный язык LISP.

Одним из самых популярных языков программирования в системах ИИ является язык LISP[71]. Этот язык был создан в 60-х годах американским ученым Дж. Маккарти и его учениками. На сегодняшний день существует около 20 диалектов этого языка. Наиболее известными являются INTERLISP, FRANZLISP, QLISP, COMMONLISP. В Советском Союзе разработаны также несколько версий языка LISP. На языке LISP написаны многие экспертные системы (MYCIN, INTERNIST, KEE и др.), системы естественно – языкового общения (MARGIE, SHRDLU, ДИЛОС и др.), интеллектуальные операционные системы (FLEX).

Популярность языка LISP в первую очередь объясняется тем, что он с помощью довольно простых конструкций позволяет писать сложные и изящные системы обработки символьной информации. К сожалению, почти все существующие LISP – системы имеют низкую вычислительную эффективность. Именно это не дает возможность языку LISP выйти за рамки «академических» экспериментальных систем. Однако бурное повышение производительности современных компьютеров, а также разработка LISP – машин типа С/330, SYMBOLICS и т.д. вселяет оптимизм в отношении будущего языка.

Язык LISP имеет очень простой синтаксис, поскольку возможны только две его конструкции: атом и список.

Атом – элементарная конструкция языка LISP, характеризуемая своим именем и значением. В некоторых LISP – системах с атомом связывается также определенный список свойств. Примерами атомов могут служить: А, В, А1, ВРЕМЯ ВЫЛЕТА, ВЫПУСК, АИ-93 и т.д.

Список – конструкция LISP, состоящая из множества атомов и подсписков. В LISP принята скобочная нотация описания списков. Примеры списков (А1, А2, …, АК), (А, В) (ВРЕМЯ ВЫЛЕТА, 15_40) (ВЫПУСК АИ-93).

Существенной особенностью языка LISP является то, что здесь «данные» и «программы» внешне ничем не отличаются друг от друга. Это дает возможность писать на LISP «программы», манипулирующие не только данными, но и «программами». Именно данное свойство позволяет LISP стать изящным средством программирования систем ИИ. Понятия «данные», и «программа» в LISP не используются, их заменяют такие понятия, как выражение и функция.

LISP – функциональный язык. Все процедуры обработки информации оформляются в виде функций. Благодаря стандартному набору системных функций, LISP может быть «расширен» за счет пользовательских функций. Системные функции делятся на арифметические, списковые функции, функции ввода – вывода, предикаты и др.

LISP – это рекурсивный язык, т.е. обеспечивает возможность определения функций с помощью самих себя.

Рекурсивность LISP удобна при решении очень популярной в искусственном интеллекте задачи «поиска по дереву», которая является довольно обобщенной и охватывает широкий класс конкретных задач, начиная шахматными и кончая задачами «принятия решений» или управления сложными объектами. В каждом конкретном случае вершины дуги будут иметь свою семантику. Например, при решении шахматной задачи вершинам могут соответствовать возможные позиции, а дугам те или иные ходы, приводящие к этим позициям. Последовательность ходов, обязательно приводящих к «выигранной» позиции, и будет решением данной задачи. Древовидная структура очень часто имеет также и сценарий диалога человека с ЭВМ. В этом случае с вершинами соотносятся состояния (шаги) диалога, а с дугами – возможные переходы из одного состояния в другое.

Фрейм – ориентированный язык FRL.

Одним из известных языков представления знаний является язык FRL (Frame Representation Language)[92], относящийся к классу фрейм - ориентированных. Основная единица знания в таких языках – фрейм, представляющий собой информационную модель (или описание) некоторой стереотипной ситуации. «Стереотипная ситуация», является обобщением таких понятий, как действия, процессы, события, объекты, свойства, модификаторы и т.д.

Фрейм в FRL – это совокупность поименованных, ассоциативных списков, содержащая до пяти уровней подструктур. Подструктурами фреймов могут быть слоты, аспекты, данные, комментарии и сообщения. Основной структурной единицей во фрейме являются слоты, отражающие взаимосвязи между понятиями предметной области. Слот характеризуется своим именем и значением. Имена слотов назначаются проектировщиками БЗ. Однако FRL имеет также и зарезервированные имена слотов: АКО, INSTANSE, CLAS SIFICATON. В качестве значения слотов могут выступать числа, символы, имена других фреймов, имена процедур.

Фреймы в FRL строятся с помощью процедуры FASSERT.

В FRL имеется семь зарезервированных аспектов: ¤VALUE, ¤DEFAULT, ¤IF-NEEDED, ¤IF-ADDED, ¤IF-REMOVED, ¤IF-INSTANTIAD, ¤REQUIRE. Данные из аспекта ¤VALUE интерпретируются как значение слота, а из аспекта ¤DEFAULT – как значение по умолчанию. Остальные пять аспектов связывают с фреймом процедуральные знания. Процедуры из аспекта ¤IF-ADDED активизируются в том случае, если в слот добавлено новое данные; из аспекта ¤IF-REMOVED – если из слота удаляется то или иное данные. Процедуры из аспекта ¤IF-NEEDED запускаются при создании экземпляров фрейма. Аспект ¤REQUIRE содержит процедуры, которые ограничивают значение слота.

Важным свойством FRL является наличие в нем встроенного механизма «наследования свойств». Суть этого механизма заключается в следующем. Все понятия предметной области в БЗ организовываются в виде иерархической классификационной системы, где каждое понятие связывается с помощью специальных отложений с более конкретными. Для реализации этих отложений существуют слоты АКО и INSTANSE. Слот АКО связывает понятие с более общим (родовым). Слот INSTANSE связывает понятие с более конкретным (видом). Свойства присущие всему классу, описывают только во фрейме класса, а остальные фреймы этого класса могут наследовать это свойство в случае надобности.

Процедуры обработки FRL подразделяются на независимые и присоединенные. Независимо от типа эти процедуры пишутся обычно на языке реализации самого FRL. На сегодняшний день большинство FRL – систем написаны на LISP.

Продукционный язык OPS.

Язык относится к числу продукционных. Являясь универсальным языком программирования, он в первую очередь предназначен для разработки систем ИИ, и, в частности экспертных систем. Идеология языка OPS нашла отражение в целом ряде практических реализаций, достаточно сильно отличающихся друг от друга. Одной из первых и наиболее известной является реализация OPS-5, выполненная на одной из версий Лиспа (Franz LISP). Поэтому синтаксис OPS –5 максимально приближен к синтаксису Лиспа. На языке OPS – 5 создан ряд промышленно эксплуатируемых экспертных систем для фирмы DEC с объемом баз знаний от 1000 до 5000 правил. Одной из последних, но уже достаточно широко известной реализацией является OPS-83[90]. Особенности этой реализации – наличие некоторых конструкций, характерных для процедурных языков программирования, а также сильная типизация данных.

Говоря об общих отличительных чертах семейства языков OPS, необходимо отметить наличие:

- программного управления стратегий вывода решений;

- развитой структуры данных и принципиальной эффективности реализации.

Язык OPS имеет типичную для продукционных систем архитектуру, включающую в себя базу правил, рабочую память и механизм вывода. База правил состоит из неупорядоченной совокупности правил, рабочая память – из дискретных объектов, называемых элементами рабочей памяти. Элемент рабочей памяти может быть добавлен в рабочую память, удален из нее или модифицирован. Механизм вывода является стандартным для системы продукций циклом управления. На первой фазе цикла выбираются все правила, левые части которых сопоставились с содержимым рабочей памяти. На второй фазе правило выполняется. Встроенный в OPS механизм вывода непосредственно поддерживает только прямой вывод, однако в языке имеются средства для организации обратного и смешанного выводов.

В языке OPS допускается использование внешних процедур, реализованных на других языках программирования. Эффективность в языке OPS достигается, во – первых, за счет использования специального алгоритма быстрого сопоставления, а во-вторых, за счет компилирующей схемы, применяемой взамен более традиционной для продукционных языков интерпретирующей. Применение алгоритма быстрого сопоставления накладывает ряд ограничений, однако опыт эксплуатации языка OPS показал достаточно высокую адекватность средств языка для разработки экспертных систем.

Программа на языке OPS состоит из декларативной и продукционной частей. Вообще говоря, язык OPS очень прост: в нем всего три вида операторов: оператор описания типов данных TYPE, оператор описания классов CLASS и оператор описания правил RULE. Декларативная часть программы содержит описание типов данных и классов элементов рабочей памяти. Элемент рабочей памяти (класс) является единственно возможным представлением данных в OPS программе. Он представляет собой фиксированную структуру, состоящую из совокупности пар «атрибут - значение» вида:

Класс

Атрибут – 1

значение

Атрибут –2

значение

Например, элемент памяти «Установка 1 предприятия» имеет вид:

ОБЪЕКТ

Имя

Установка 1

Входит в

Цех 1

Состоит из

(колонна 1, колонна 2, колонна 3)

Получает сырье от

Резервуар 5

Тип сырья

Нефть

Вырабатывает

Керосин

Поставляет продукцию

(установка 3, установка 4).

Элементарным объектом данных, имеющим значение является атрибут. Атрибуты локализованы в пределах одного класса, некоторые атрибуты могут не иметь значения. Каждый

Элемент рабочей памяти относится к определенному классу. Допустимые классы элементов рабочей памяти должны быть предварительно описаны в разделе определения классов. Определение класса задает его структуру, типы допустимых значений атрибутов, входящих в класс, и, если это необходимо, начальные значения атрибутов (значения по умолчанию).

Отметим, что все используемые типы данных (кроме встроенных) должны быть явно описаны в операторах TYPE или CLASS; особенно удобными при программировании экспертных систем являются произвольные типы данных, которые позволяют следить за правильностью вводимых пользователем данных и допустимых значений в процессе логического вывода.

Перейдем теперь к рассмотрению продукционной части OPS программы – раздела правил. Он записывается после декларативной части и представляет собой совокупность правил. Правило OPS состоит из заголовка и тела правила. Заголовок правила начинается со слова RULE, за которым следует имя правила и описание переменных (если они используются). Тело правила состоит из левой части, задающей условие применимости правила, и правой части, содержащей последовательность выполняемых действий. Левая часть начинается словами IF, разделителем между левой и правой частями служит слово THEN. Ниже приведен пример правила OPS:

RULE ОСТАНОВКА УСТАНОВКИ 1

ОБЪЕКТ

ИМЯ УСТАНОВКА_1

СОСТОЯНИЕ ОСТАНОВИЛАСЬ

AND

ОБЪЕКТ

ИМЯ УСТАНОВКА_2

СОСТОЯНИЕ РАБОТАЕТ

AND

ОБЪЕКТ

ИМЯ УСТАНОВКА_3

СОСТОЯНИЕ РАБОТАЕТ

THEN

WRITE Ñ Установка 1 остановиласьÑ

WRITE Ñ Распределить ее сырье между установкой 2 и установкой 3 Ñ

Левая часть правила состоит из одного или более условных элементов. Каждый условный элемент задает образец, который сопоставляется с содержащимися в рабочей памяти элементами. Левая часть считается сопоставленной, если одновременно сопоставились все входящие в нее условные элементы. Разделителем между условными элементами служит слово AND или ANDNUT. В левой части могут быть использованы следующие элементарные предикатное операторы: «не равно», «больше», «меньше», «не больше», «не меньше», «входит», «не входит в список», «имеет/не имеет значение» и др. Правая часть правила состоит из последовательности императивных утверждений, называемых действиями. Действия, имеющиеся в OPS, разделяются на две группы: элементарные, обеспечивающие вывод решения, и вспомогательные, обеспечивающие ввод и другие сервисные возможности. К элементарным действиям относятся:

MARE – создание нового элемента рабочей памяти;

REMOVE – удаление элемента из рабочей памяти;

MODIFY – изменение значений атрибутов, уже находящихся в рабочей памяти

К вспомогательным действиям относятся:

HALT – явное прекращение программы;

WRITE – выдача сообщения на терминал;

PRINT – печать сообщения на печатающем устройстве;

DISPLAY – вывод на экран терминала информации из библиотеки на магнитном диске;

BIND – вызов функций или модулей на других языках программирования;

SET – динамическое изменение стратегии вывода решений или подробности объяснений решений.

Рассмотрим современные разработки средств построения интеллектуальных систем.

Работа в Реальном времени

Работа в реальном времени, операционные решения и реакции зачастую должны быть выполнены мгновенно. Прикладные программы в G2 могут одновременно выполнять рассуждения относительно многократно выполняемых действий в реальном масштабе времени, перерабатывая тысячи правил, выполняя процедуры и модели согласно их приоритетов. Для хранения хронологий данных и событий и для рассужденияотносительно поведения через какое-то время используются переменные типа время.

G2 графика может моделировать знание, представляя объекты, связи и зависимости между объектами. Онаможет рассуждать в терминах связи, следуя сети связанных объектов для определения причин и результатов. Графическая связность объектов позволяет расширить прикладную программу используя графическое объединение аналогов. Графика включает встроенные диаграммы ( графики ), таблицы и рисунки и т.д.

G2 также работает с утилитами графического интерфейса Windows. Эти утилиты используют все преимущества объектно-ориентированных возможностей G2.

Динамическое моделирование и моделирование для анализа " что- если "

G2 позволяют динамически моделировать системы и процессы, используя объекты, правила, процедуры и формулы. Во время разработки модели используются вместо объектов реального мира, что позволяет непрерывно проверять прикладные программы в течение их разработки. Модели могут использоваться на этапе эксплуатации как часть прикладной программы G2 для сравнения фактических и модельных знаний.

Модели можно также использовать для проведения анализа и ответа на вопросы " что- если", определения, например, лучших рабочих условий или лучших проектов. Модели можно также использовать для предсказания важных параметров действий в реальном времени, например, качество изделия или затрат.

G2 объединяет в себе как универсальные технологии построения современных информационных систем (стандарты открытых систем, архитектура клиент/сервер, объектно-ориентированное программирование, использование ОС, обеспечивающих параллельное выполнение в реальном времени многих независимых процессов), так и специализированные методы (рассуждения, основанные на правилах, рассуждения, основанные на динамических моделях, или имитационное моделирование, процедурные рассуждения, активная объектная графика, структурированный естественный язык для представления базы знаний), а также интегрирует технологии систем, основанных на знаниях с технологией традиционного программирования (с пакетами программ, с СУБД, с контроллерами и концентраторами данных и т.д.).

Все это позволяет с помощью данной оболочки создавать практически любые большие приложения значительно быстрее, чем с использованием традиционных методов программирования, и снизить трудозатраты на сопровождение готовых приложений и их перенос на другие платформы.

Анализ традиционных языков программирования и представления знаний.

12 3 4 Следующая ⇒