Теоретические сведения. 1) Запустить среду CLIPS.

 

1) Запустить среду CLIPS.

2) Загрузить в буфер обмена пример конструкции программы.

3) Запустить последовательное выполнение программы, находящейся в буфере обмена, ответить на вопросы системы.

4) Очистить буфер обмена и память CLIPS.

 

Теоретические сведения

 

Факты. Основными компонентами языка описания правил являются база фактов (fact base) и база правил (rule base). На них возлагаются следующие функции:

- база фактов представляет исходное состояние проблемы;

- база правил содержит операторы, которые преобразуют состояние проблемы, приводя его к решению.

Машина логического вывода CLIPS сопоставляет эти факты и правила и выясняет, какие из правил можно активизировать. Это выполняется циклически, причем каждый цикл состоит из трех шагов: сопоставление фактов и правил, выбор правила, подлежащего активизации, выполнение действий, предписанных правилом.

Сразу после запуска среды CLIPS на экране появится приглашение, извещающее пользователя, что он работает с интерпретатором:

CLIPS>

В режиме интерпретатора пользователь может использовать множество команд. Факты можно включить в базу фактов прямо из командной строки с помощью команды assert, например:

CLIPS> (assert (today is Sunday))

<Fact-0>

CLIPS> (assert (weather is warm))

<Fact-1>

Для вывода списка фактов, имеющихся в базе, используется команда facts:

CLIPS> (facts)

f-0 (today is Sunday)

f-1 (weather is warm)

В последних версиях CLIPS, в частности, в той, которая работает в операционной среде Windows, такие команды, как facts, можно вызывать с помощью меню. Для удаления фактов из базы используется команда retract:

CLIPS> (retract 1)

CLIPS> (facts)

f-0 (today is Sunday)

Эти же команды, assert и retract, используются в выполняемой части правила и с их помощью выполняется программное изменение базы фактов. Часто приходится пользоваться и другой командой интерпретатора ­­­­­clear, которая очищает базу фактов:

CLIPS> (clear) CLIPS> (facts)

В тексте программы факты можно включать в базу не по одному, а целым массивом. Для этого в CLIPS имеется команда deffacts:

(deffacts today

(today is Sunday)

(weather is warm))

Выражение начинается с команды deffacts, затем приводится имя списка фактов, который пользователь собирается определить, а за ним следуют элементы списка, причем их количество не ограничивается. Этот массив фактов можно затем удалить из базы командой undef facts:

CLIPS> (undeffacts today)

Выражение def facts можно вводить и в командную строку интерпретатора, но лучше записать его в текстовый файл с помощью редактора CLIPS или любого другого текстового редактора. Загрузить этот файл в дальнейшем можно с помощью команды в меню File либо из командной строки:

CLIPS> (load "file")

file – имя файла в директории с CLIPS.

Однако после загрузки файла факты не передаются сразу же в базу фактов CLIPS. Команда deffacts просто указывает интерпретатору, что существует массив today, который содержит множество фактов. Собственно загрузка выполняется командой reset:

CLIPS> (reset)

Команда reset сначала очищает базу фактов, а затем включает в нее факты из всех ранее загруженных массивов. Она также добавляет в базу единственный системно определенный факт:

f-0 (initial-fact)

Это делается по умолчанию, поскольку иногда имеет смысл включить в программу правило start rule, которое может быть сопоставлено с этим фактом и позволит выполнить какие-либо нестандартные инициализирующие операции.

Для определения фактов можно использовать не только списочные структуры, но и шаблоны, которые напоминают простые записи. Шаблон выглядит так:

(deftemplate student "a student record"

(slot name (type STRING)) (slot age (type NUMBER) (default 18)))

Каждое определение шаблона состоит из произвольного имени шаблона, необязательного комментария и некоторого количества определений слотов. Слот включает поле данных, например name, и тип данных, например STRING. CLIPS поддерживает следующие типы данных: integer, float, string, symbol, external-address, fact-address, instance-name, instance-address.

Если в программу включено приведенное выше определение шаблона, то выражение:

(deffacts students

(student (name “fred”))

(student (name “fred”) (age 19)))

приведет к тому, что в базу фактов после выполнения команды reset будет добавлено:

(student (name fred) (age 18)) (student (name fred) (age 19))

Правила. Чтобы лучше понять сущность правил в CLIPS, их можно представить в виде оператора IF-THEN (ЧТО-ЕСЛИ), используемого в процедурных языках программирования. Однако условия выражения IF-THEN в процедурных языках вычисляются тогда, когда поток управления программой непосредственно попадает на данное выражение путем последовательного перебора выражений и операторов, составляющих программу. В CLIPS, в отличие от этого, механизм логического вывода создает и постоянно модифицирует список правил, условия которых в данный момент удовлетворены. Эти правила запускаются на выполнение механизмом логического вывода. С этой стороны правила похожи на обработчики сообщений.

Для добавления новых правил в базу знаний CLIPS предоставляет специальный конструктор defrule. В общем виде синтаксис данного конструктора можно представить следующим образом:

(defrule

<имя-правила>

[<комментарии>]

[<определение-свойства-правила>]

<предпосылки>; левая часть правила

=>

<следствие>); правая часть правила

Имя правила должно быть значением типа symbol. В качестве имени правила нельзя использовать зарезервированные слова CLIPS, которые были перечислены ранее. Определение правила может содержать объявление свойств правила, которое следует непосредственно после имени правила и комментариев. В справочной системе и документации по CLIPS для обозначения предпосылок правила чаще всего используется термин "LHS of rule", а для обозначения следствия – "RHS of rule", поэтому в дальнейшем мы будем использовать аналогичную терминологию – левая и правая часть правила. Левая часть правила задается набором условных элементов, который обычно состоит из условий, примененных к некоторым образцам. Заданный набор образцов используется системой для сопоставления с имеющимися фактами и объектами. Все условия в левой части правила объединяются с помощью неявного логического оператора and. Правая часть правила содержит список действий, выполняемых при активизации правила механизмом логического вывода. Для разделения правой и левой части правил используется символ «=>». Правило не имеет ограничений на количество условных элементов или действий. Единственным ограничением является свободная память вашего компьютера. Действия правила выполняются последовательно, но тогда и только тогда, когда все условные элементы в левой части этого правила удовлетворены. Если в левой части правила не указан ни один условный элемент, CLIPS автоматически подставляет условие образец initial-fact или initial-object. После того как в систему добавлены все необходимые правила и приготовлены начальные списки фактов и объектов, CLIPS готов выполнять правила. Этот процесс называется основным циклом выполнения правил (basic cycle of rule execution). Рассмотрим последовательность действий, выполняемых CLIPS в этом цикле в момент выполнения программы:

1. Если был достигнут предел выполнения правил или не был установлен текущий фокус, выполнение прерывается. В противном случае для выполнения выбирается первое правила модуля, на котором был установлен фокус. Если в текущем плане выполнения нет удовлетворенных правил, то фокус перемещается по стеку фокусов и устанавливается на следующий модуль в списке. Если стек фокусов пуст, выполнение прекращается. Иначе шаг 1 выполняется еще один раз.

2. Выполнение действий, описанных в правой части выбранного правила. Использование функции return может менять положение фокуса в стеке фокусов. Число запусков данного правила увеличивается на единицу для определения предела выполнения правила.

3. В результате выполнения шага 2 некоторые правила могут быть активированы или дезактивированы. Активированные правила (т.е. правила, условия которых удовлетворяются в данный момент) помещаются в план решения задачи модуля, в котором они определены. Размещение в плане определяется приоритетом правила (salience) и текущей стратегией разрешения конфликтов (эти понятия будут описаны ниже). Дезактивированные правила удаляются из текущего плана решения задачи. Если для правила установлен режим просмотра активаций, то пользователь получит соответствующее информационное сообщение при каждой активации или дезактивации правила (режим просмотра активаций можно установить с помощью диалогового окна Watch options).

4. Если установлен режим динамического приоритета (dynamic salience), то для всех правил из текущего плана решения задачи вычисляются новые значения приоритета. После этого цикл повторяется с шага 1.

Свойства правил позволяют задавать характеристики правил до описания левой части правила. Для задания свойства правила используется ключевое слово declare. Однако правило может иметь только одно определение свойства, заданное с помощью declare:

<определение-свойства-правила>:: = (declare <свойство-правила>)

<свойство-правила>:: = (salience <целочисленное выражение>) | (auto-focus TRUE | FALSE)

Свойство правила salience позволяет пользователю назначать приоритет для своих правил. Объявляемый приоритет должен быть выражением, имеющим целочисленное значение из диапазона от –10000 до +10000. Выражение, представляющее приоритет правила, может использовать глобальные переменные и функции. Однако нельзя указывать в этом выражении функций, имеющих побочное действие. В случае если приоритет правила явно не задан, ему присваивается значение по умолчанию, т. е. 0.

Значение приоритета может быть вычислено в одном из трех случаев: при добавлении нового правила, при активации правила и на каждом шаге основного цикла выполнения правил. Два последних варианта называются динамическим приоритетом (dynamic salience). По умолчанию значение приоритета вычисляется только во время добавления правила. Для изменения этой установки можно использовать команду set-salience-evaluation. Каждый метод вычисления приоритета содержит в себе предыдущий (т.е. если приоритет вычисляется на каждом шаге основного цикла выполнения правил, то он вычисляется и при активации правила, а также при его добавлении в систему). Свойство auto-focus позволяет автоматически выполняться команде focus при каждой активации правила. План решения задачи – это список всех правил, имеющих удовлетворенные условия при некотором, текущем состоянии списка фактов и объектов (которые еще не были выполнены). Каждый модуль имеет свой собственный план решения задачи. Выполнение плана подобно стеку (верхнее правило плана всегда будет выполнено первым). Когда активируется новое правило, оно размещается в плане решения задачи, руководствуясь следующими факторами:

1. Только активированное правило помещается выше всех правил с меньшим приоритетом и ниже всех правил с большим приоритетом.

2. Среди правил с одинаковым приоритетом используется текущая стратегия разрешения конфликтов для определения размещения среди других правил с одинаковым приоритетом.

3. Если правило активировано вместе с несколькими другими правилами, добавлением или исключением некоторого факта и с помощью шагов 1 и 2 нельзя определить порядок правила в плане решения задачи, то правило произвольным образом упорядочивается вместе с другими правилами, которые были активированы. Заметьте, что в этом случае порядок, в котором правила были добавлены в систему, оказывает произвольный эффект на разрешение конфликта (который в высшей степени зависит от текущей реализации правил). CLIPS поддерживает семь различных стратегий разрешения конфликтов: стратегия глубины (depth strategy), стратегия ширины (breadth strategy), стратегия упрощения (simplicity strategy), стратегия усложнения (complexity strategy), LEX (LEX strategy), MEA (MEA strategy) и случайная стратегия (random strategy). По умолчанию в CLIPS установлена стратегия глубины. Текущая стратегия может быть установлена командой set-strategy (которая переупорядочит текущий план решения задачи, базируясь на новой стратегии).

- Стратегия глубины. Только что активированное правило помещается выше всех правил с таким же приоритетом. Например, допустим, что факт – А активировал правила 1 и 2 и факт Б активировал правило 3 и правило 4, тогда, если факт А добавлен перед фактом Б, в плане решения задачи правила 3 и 4 будут располагаться выше, чем правила 1 и 2. Однако позиция правила 1 относительно правила 2 и правила 3 относительно правила 4 будет произвольной.

- Стратегия ширины. Только что активированное правило помещается ниже всех правил с таким же приоритетом. Например, допустим, что факт А активировал правила 1 и 2 и факт Б активировал правила 3 и 4, тогда, если факт А добавлен перед фактом В, в плане решения задачи правила 1 и 2 будут располагаться выше, чем правила 3 и 4. Однако позиция правила 1 относительно правила 2 и правила 3 относительно правила 4 будет произвольной.

­- Стратегия упрощения. Между всеми правилами с одинаковым приоритетом только что активированные правила размещаются выше всех активированных правил с равной или большей определенностью (specificity). Определенность правила вычисляется по числу сопоставлений, которые нужно сделать в левой части правила. Каждое сопоставление с константой или заранее связанной с фактом переменной добавляет к определенности единицу. Каждый вызов функции в левой части правила, являющийся частью условных элементов. Логические функции and, or и not не увеличивают определенность правила, но их аргументы могут это сделать. Вызовы функций, сделанные внутри функций, не увеличивают определенность правила. Например, следующее правило имеет определенность, равную 5.

(defrule example

(item?x?y?x)

(test (and (numberp?x) (>?x (+ 10?y)) (<?x 100)))

=>)

Сравнение заранее связанной переменной >x с константой и вызовы функций numberp, < и > добавляют единицу к определенности правила. В итоге получается определенность, равная 5. Вызовы функций and и + не увеличивают определенность правила.

- Стратегия усложнения. Между правилами с одинаковым приоритетом только что активированные правила размещаются выше всех активированных правил с равной или меньшей определенностью.

- Стратегия LEX. Для определения места активированного правила в плане решения задачи используется "новизна" образца, который активировал правило. CLIPS маркирует каждый факт или объект временным тегом для отображения относительной новизны каждого факта или объекта в системе. Образцы, ассоциированные с каждой активацией правила, сортируются по убыванию тегов для определения местоположения правила.

Активация правила, выполненная более новыми образцами, располагается перед активацией, осуществленной более поздними образцами. Для определения порядка размещения двух активаций правил, поодиночке сравниваются отсортированные временные теги для этих двух активаций, начиная с наибольшего временного тега. Сравнение продолжается до тех пор, пока не остается одна активация с наибольшим временным тегом. Эта активация размещается выше всех остальных в плане решения задачи.

Если активация некоторого правила выполнена большим числом образцов, чем активация другого правила, и все сравниваемые временные теги одинаковы, то активация другого с большим числом временных тегов помещается перед активацией с меньшим. Если две активации имеют одинаковое количество временных тегов и их значения равны, то правило с большей определенностью помещается перед активацией с меньшей. В отличие от системы OPSS, условный элемент not в CLIPS имеет псевдовременной тег, который также используется в данной стратегии разрешения конфликтов. Временной тег условного элемента not всегда меньше, чем временной тег образца. В качестве примера рассмотрим следующие шесть активаций правил, приведенные в LEX-порядке (запятая в конце строки активации означает наличие логического элемента not). Учтите, что временные теги фактов не обязательно равны индексу, но если индекс факта больше, то больше и его временной тег. Для данного примера примем, что временные теги равны индексам:

rule-6: f-1, f-4

rule-5: f-1, f-2, f-3,

rule-1: f-1, f-2, f-3

rule-2: f-3, f-1

rule-4: f-1, f-2,

rule-3: f-2, f-1

Далее показаны те же активации с индексами фактов в том порядке, в котором они сравниваются стратегией LEX:

rule-6: f-4, f-1

rule-5: f-3, f-2, f-1,

rule-1: f-3, f-2, f-1

rule-2: f-3, f-1

rule-4: f-2, f-1,

rule-3: f-2, f-1

- Стратегия MEA. Основное отличие стратегии MEA от LEX в том, что в стратегии MEA не производится сортировка образцов, активировавших правило. Сравниваются только временные теги первых образцов двух активаций. Активация с большим тегом помещается в план решения задачи перед активацией с меньшим. Если обе активации имеют одинаковые временные теги, ассоциированные с первым образцом, то для определения размещения активации в плане решения задачи используется стратегия LEX. Как и в стратегии LEX, условный элемент not имеет псевдовременной тег. В качестве примера рассмотрим следующие шесть активаций, приведенные в MEA-порядке (запятая на конце активации означает наличие логического элемента not):

 

rule-2: f-3, f-1

rule-3: f-2, f-1

rule-6: f-1, f-4

rule-5: f-1, f-2, f-3,

rule-1: f-1, f-2, f-3

rule-4: f-1, f-2,

- Случайная стратегия. В этой стратегии каждой активации назначается случайное число, которое используется для определения местоположения среди активаций с одинаковым приоритетом. Это случайное число сохраняется при смене стратегий, таким образом, тот же порядок воспроизводится при следующей установке случайной стратегии (среди активаций в плане решения задачи, когда стратегия заменена на исходную).