Языки программирования интеллектуальных решателей.

Группа языков, которые можно назвать языками интеллектуальных решателей, в основном ориентирована на такую подобласть ИИ, как решение проблем, для которой характерны, с одной стороны, достаточно простые и хорошо формализуемые модели задач, а с другой - усложненные методы поиска их решения. Поэтому основное внимание в этих языках было уделено введению мощных структур управления, а не способам представления знаний. Это такие языки как Плэнер, Конивер, КюА-4, КюЛисп.

Плэнер.

Этот язык дал толчок мощному языкотворчеству в области ИИ. Язык разработан в Массачуссетском технологическом институте в 1967-1971гг. Вначале это была надстройка над Лиспом, в таком виде язык реализован на Маклиспе под названием Микро Плэнер. В дальнейшем Плэнер был существенно расширен и превращен в самостоятельный язык. В СССР он реализован под названием Плэнер-БЭСМ и Плэнер-Эльбрус. Этот язык ввел в языки программирования много новых идей: автоматический поиск с возвратами, поиск данных по образцу, вызов процедур по образцу, дедуктивный метод и т. д.

В качестве своего подмножества Плэнер содержит практически весь Лисп (с некоторыми модификациями) и во многом сохраняет его специфические особенности. Структура данных (выражений, атомов и списков), синтаксис программ и правила их вычисления в Плэнере аналогичны лисповским. Для обработки данных в Плэнере в основном используются те же средства, что и в Лиспе: рекурсивные и блочные функции. Практически все встроенные функции Лиспа, в том числе и функция EVAL, включены в Плэнер. Аналогично определяются новые функции. Как и в Лиспе, с атомами могут быть связаны списки свойств.

Но между Лиспом и Плэнером существуют и различия. Отметим некоторые из них. В Лиспе при обращении к переменной указывается только ее имя, например Х, сам же атом как данное указывается как ‘X. В Плэнере используется обратная нотация: атомы обозначают самих себя, а при обращении к переменным перед их именем ставится префикс. При этом префикс указывает как должна быть использована переменная. Отличается от лисповского и синтаксис обращения к функциям, которое в Плэнере записывается в виде списка не с круглыми, а с квадратными скобками.

Для обработки данных в Плэнере используются не только функции, но и образцы и сопоставители.

Образцы описывают правила анализа и декомпозиции данных и поэтому их применение облегчает написание программ и сокращает их тексты.

Сопоставители определяются также, как функции, только их определяющее выражение начинается с ключевого слова, а в качестве тела указывается образец. Их выполнение заключается не в вычислении какого либо значения, а в проверке, обладает ли сопоставляемое с ним выражение определенным свойством.

Рассмотренное подмножество Плэнера можно использовать независимо от других его частей: оно представляет собой мощный язык программирования, удобный для реализации различных систем символьной обработки. Остальные части Плэнера ориентируют его на область ИИ, предоставляя средства для описания задач (исходных ситуаций, допустимых операций, целей), решения которых должна искать система ИИ, реализуемая на Плэнере, и средства, упрощающие реализацию процедур поиска решения этих задач.

На Плэнере можно программировать описывая то, что имеется и то что надо получить, без явного указания, как это делать. Ответственность же за поиск решения описываемой задачи берет на себя встроенный в язык дедуктивный механизм (механизм автоматического достижения целей), в основе которого лежит вызов теорем по образцу. Однако только вызова теорем по образцу не достаточно для такого механизма. Необходим механизм перебора, и такой механизм - режим возвратов - введен в язык.

Выполнение программы в режиме возвратов удобно для ее автора тем, что язык берет на себя ответственность за запоминание развилок и оставшихся в них альтернатив, за осуществление возвратов к ним и восстановления прежнего состояния программы - все это делается автоматически. Но такой автоматизм не всегда выгоден, так как в общем случае он ведет к «слепому» перебору. И может оказаться так, что при вызове теорем наиболее подходящая из них будет вызвана последней, хотя автор программы заранее знает о ее достоинствах. Учитывая это Плэнер предоставляет средства управления режимом возвратов.[7]

Конивер.

Язык Конивер был разработан в 1972 году, реализован как надстройка над языком Маклисп. Авторы языка Конивер выступили с критикой некоторых идей языка Плэнер. В основном она относилась к автоматическому режиму возвратов, который в общем случае ведет к неэффективным и неконтролируемым программам, особенно если она составляется неквалифицированными пользователями. Авторы Конивер отказались от автоматического режима возвратов, считая, что встраивать в язык какие-то фиксированные дисциплины управления (кроме простейших - циклов, рекурсий) не следует и что автор программы должен сам организовывать нужные ему дисциплины управления, а для этого язык должен открывать пользователю свою структуру управления и предоставлять средства работы с ней. Эта концепция была реализована в Конивер следующим образом.

При вызове процедуры в памяти отводится место, где хранится информация, необходимая для ее работы. Здесь, в частности, располагаются локальные переменные процедуры, указатели доступа (ссылка на процедуру, переменные которой доступны из данной) и возврата (ссылка на процедуру, которой надо вернуть управление). Обычно эта информация скрыта от пользователя, а в языке Конивер такой участок памяти (фрейм) открыт: пользователь может просматривать и менять содержимое фрейма. В языке фреймы представляют специальный тип данных, доступ к которым осуществляется по указателям.

Недостаток языка в том, что хотя пользователь и получает гибкие средства управления, одновременно на него ложится трудная и кропотливая работа, требующая высокой квалификации. Язык Конивер хорош не для реализации сложных систем, а как база, на основе которой квалифицированные программисты готовят нужные механизмы управления для других пользователей.

Учитывая сложность реализации дисциплин управления, авторы языка были вынуждены включить в него ряд фиксированных механизмов управления, аналогов процедур-развилок и теорем языка Плэнер. Но в отличии от Плэнера, где разрыв между выбором альтернативы в развилке и ее анализом, а в случае необходимости выработкой неуспеха может быть сколь угодно велик, в языке Конивер этот разрыв сведен к минимуму. Этим Конивер избавляется от негативных последствий глобальных возвратов по неуспеху, когда приходится отменять предыдущую работу чуть ли не всей программы.[7]

Языки представления знаний.

В рамках каждого базового языка ИИ явным образом выделяются и прямое его использование, и расширение за счет пакетов функций, и создание «автономного» языка представления знаний (ЯПЗ) с последующей интерпретацией или компиляцией программ на созданном языке. Но в последнем случае базовый язык, как правило, становится инструментальным средством для реализации ЯПЗ.

Независимо от реализации ЯПЗ должен отвечать следующим требованиям:

n наличие простых и вместе с тем достаточно мощных средств представления сложно структурированных и взаимосвязанных объектов;

n возможность отображения описаний объектов на разные виды памяти ЭВМ;

n наличие гибких средств управления выводом, учитывающих необходимость структурирования правил работы решателя;

n «прозрачность» системных механизмов для программиста, т. е. возможность их до определения и переопределения на уровне входного языка;

n возможность эффективной реализации, как программной, так и аппаратной;

Конечно, перечисленные требования во многом противоречивы. Но лишь тогда, когда в рамках разумного компромисса учтены все эти требования, создаются удачные ЯПЗ.

Среди ЯПЗ первого поколения (70-е годы) лишь некоторые сыграли заметную роль в программной поддержке систем представления знаний (СПЗ). Выделим среди них KRL, FRL, KL-ONE. Характерными чертами этих языков были: двухуровневое представление данных, представление закономерностей предметной области и связей между понятиями в виде присоединенных процедур, семантический подход к сопоставлению образцов и поиску по образцу.

KRL.

Один из самых интересных языков этой группы - KRL, в основу которого были положены следующие концепции: организация знаний в виде специально выделенных единиц с присоединенными описаниями и процедурами; наличие средств представления многоаспектного и/или неполного знания об объектах; возможность описания объектов через сопоставление их с другими объектами с учетом уточняющих описаний; наличие гибкого набора базовых средств описания стратегий вывода решений и возможность их динамического изменения. Однако KRL широко не использовался в интеллектуальных системах из-за некоторой его громоздкости и отсутствия собственных средств описания процедур. Как следствие, в KRL активно использовался Лисп. Часто нельзя было понять, имеем мы дело с KRL-программой и присоединенными Лисп-функциями или с Лисп-программой, в которой применяется KRL как способ представления данных.

FRL.

Язык FRL не самостоятельный язык, а хорошо продуманная библиотечная система над Лиспом. В FRL не предлагается принципиально новых по сравнению с KRL концепций представления знаний, но тем не менее он оказался более удобным благодаря тщательному и экономному отбору базовых алгоритмических средств, а также более простому их синтаксическому оформлению. Здесь имеются развитые средства манипулирования иерархическими списками свойств объектов, включая механизмы наследования свойств и набор присоединенных к описаниям процедур.

Для всех ЯПЗ по сравнению с традиционными языками программирования характерна существенно большая «активность» данных, что приводит к стиранию граней между декларативной и процедурной компонентами. Кроме того, реальные объемы обрабатываемых данных требуют при реализации ЯПЗ использования концепции базы данных и методов, развитых при создании СУБД. И, наконец, ЯПЗ тяготеют больше к режиму интерпретации, чем к компиляции, характерной для реализации обычных языков программирования. В области разработки и реализации ЯПЗ можно выделить три круга проблем: определение входных языков СПЗ; выбор выходного языка соответствующего транслятора и собственно проблемы этапа трансляции.

Входной язык СПЗ должен быть близок к языку предметной области и по лексике, и по синтаксису, и по семантике.

От выбора выходного языка зависит не только эффективность, но и сама возможность реализации ЯПЗ. Выходной язык должен отвечать по крайней мере следующим требованиям: иметь достаточно большой набор примитивов работы с образцами; обладать встроенными средствами эффективной поддержки рекурсии; иметь гибкие средства описания потоков управления. Кроме того, в рамках выходного языка необходимы средства отображения данных на основную и внешнюю память и удобные средства работы с этими данными. И, наконец, желательно, чтобы в нем имелись достаточно развитые средства определения новых типов данных.

В настоящее время языков программирования, где имела бы место эффективная реализация всех указанных требований, пока нет. Поэтому выбор целевого языка ЯПЗ-транслятора всегда компромисс.

На данном этапе существует сотни языков и систем представления знаний. Поэтому рассмотрим лишь некоторые особенности нескольких ЯПЗ.

RLL.

Это фреймовый язык представления знаний (представитель популярного в 70-х годах подхода «фреймы до конца», является инструментальной средой для создания специализированных ЯПЗ.

Подобно другим инструментальным средствам, RLL содержит два слоя: базисные примитивы и средства их комбинирования на более высоком уровне, чем Лисп. При этом технология конструирования специальных ЯПЗ в рамках RLL-среды сводится, как правило, к редактированию уже существующих заготовок и последующему конвертированию их в Лисп.

Учитывая последовательную ориентацию RLL на концепцию фреймов, все структуры (декларативные и процедурные), более сложные чем список значений, описываются здесь в виде фрейм-подобных RLL-элементов.

С помощью RLL-элементов описываются понятия не только предметной области, но и самой RLL-среды (например, слот, механизм наследования, структура управления и т. д.). Заранее на уровне RLL-интерпретатора или конвертора фиксируется семантика ограниченного числа системных понятий - это множества, списки, слоты и др. RLL-элементы имеют явно специфицированные родовидовые отношения, которые также являются системными понятиями, и встроенный механизм описания отношений с помощью многосвязных списков.

В RLL имеется и библиотека удачных управляющих структур, и определенные средства конструирования из них решателей, необходимых для конкретной ЭС.

Одним из основных стандартных механизмов вывода решений в RLL является agenda (управляющий список с динамической коррекцией элементов).

ART.

Этот язык демонстрирует другую парадигму «фреймы плюс продукции», характерную для начала 80-х годов. Это не только язык представления знаний, но и определенное программное окружение, включающее редакторы, отладчики, трансляторы и модули управления.

Входной язык системы ART весьма гибкий и обеспечивает использование фактов, схем, комбинаций этих понятий и правил. Декларативную компоненту этого ЯПЗ составляют факты и схемы. По определению, факт включает три основных компонента: утверждение, значение истинности и точку зрения. С каждым утверждением может быть связано одно из трех значений истинности true, false или unknown, а также определенные сферы его справедливости, которое и называется точкой зрения. Факты описываются экземплярами фреймов. Фреймы-прототипы в ART представляются схемами, каждая из которых описывает объекты и/или классы объектов с фиксированными свойствами. Механизмы наследования свойств при этом поддерживаются самой системой.

В целом язык ART погружен в Лисп-среду, так что синтаксически и фреймовые и продукционные структуры выражаются здесь как атомы, функции и списки языка Лисп. Такой подход в ART естественен, так как первоначально был реализован на Лисп-машинах. Средства описания фактов в языке ART почти полностью «отданы на откуп» Лиспу, что снижает концептуальную целостность языка, так как средства описания схем и правил здесь хотя и похожи на лисповские, но свои. В ART пользователю дается небольшой набор встроенных стратегий вывода решений и весьма ограниченный выбор из ART-действий, взаимодействующих с модулем вывода. Но в системе имеется возможность выхода в базовый язык Лисп, где программируются любые управляющие стратегии.

В полном объеме ART представляет разработчику ЭС достаточно мощные средства представления знаний, но эффективно в системе ART могут работать только квалифицированные Лисп-программисты, готовые реализовать в этом языке все процедуры поддержки ЯПЗ.

Дальнейшее развитие ЯПЗ смещается в сторону продукций. Вместе с тем в настоящее время уже редко удается классифицировать языки и системы представления знаний на шкале «фреймы - продукции - семантические сети -...» однозначно. И хотя тот или иной формализм представления знаний накладывает в большей или меньшей степени свой отпечаток на соответствующий ЯПЗ, современные языки и системы, как правило, поддерживают несколько формализмов одновременно.