Общие сведения о CLIPS

CLIPS (С Language Integrated Production System) является одним из распространенных инструментальных средств разработки экспертных систем (ЭС). Представляя собой логически полную среду, содержащую встроенный редактор и средства отладки, CLIPS является оболочкой ЭС. Разработчиком CLIPS является Национальное Аэрокосмическое Агентство США. Первая версия системы вышла в 1984 году, текущая версия -6.1.

CLIPS использует продукционную модель представления знаний и поэтому содержит три основных элемента:

1. список фактов
2. базу знаний
3. блок вывода

Принципиальным отличием данной системы от аналогов является то, что она полностью реализована на языке С. Причем исходные тексты ее программ опубликованы в сети Интернет.

В CLIPS используется оригинальный LIPS-подобный язык программирования, ориентированный на разработку ЭС. Кроме того, CLIPS поддерживает еще две парадигмы программирования: объектно-ориентированную и процедурную. Аспекты объектно-ориентированного программирования в CLIPS нами рассматриваться не будут.

Программирование в CLIPS

Простые типы данных

Для представления информации в CLIPS предусмотрено восемь простых типов данных: float, integer, symbol, string, external-address, fact-address, instance-name и instance-address. Для представления числовой информации используются типы float и integer, символьной - symbol и string. Остановимся на рассмотрении этих четырех типов данных.

При записи числа могут использоваться только цифры (0-9), десятичная точка (.), знак (+) или (-) и (е) при экспоненциальном представлении. Число сохраняется либо как целое, либо как действительное. Любое число, состоящее только из цифр, перед которыми может стоять знак, сохраняется как целое (тип integer представляется внутри CLIPS как тип языка С long integer). Все остальные числа сохраняются как действительные (float - С double float).

Количество значащих цифр зависит от аппаратной реализации. В этой же связи могут возникать ошибки округления.

Как в любом языке программирования, особенную осторожность необходимо проявлять при сравнении чисел с плавающей точкой, а также при сравнении с ними целых чисел.

Примеры целых чисел:

237 15 +12 -32

Примеры чисел с плавающей точкой:

237е3 15.09 +12.0 -32.3е-7

Последовательность символов, которая не удовлетворяет числовым типам, обрабатывается как тип данных symbol.

Тип данных symbol в CLIPS - последовательность символов, состоящая из одного или нескольких любых печатных символов кода ASCII. Как только в последовательности символов встречается символ-разделитель, symbol заканчивается. Следующие символы служат разделителями: любой непечатный ASCII символ (включая пробел, символ табуляции, CR, LF), двойные кавычки,"(",")", "&", "|", "<","~",";". Символы-разделители не могут включаться в symbol за исключением символа "<", который может быть первым символом в symbol. Кроме того, symbol не может начинаться с символа "?" или последовательности символов "$?", поскольку эти символы зарезервированы для переменных. Заметим, что CLIPS различает регистр символов. Ниже приведены примеры выражений символьного типа:

foo Hello B76-HI bad_value

127А 742-42-42 @+=-% Search

Тип данных string - это последовательность символов, состоящая из нуля и более печатных символов и заключенная в двойные кавычки. Если внутри строки встречаются двойные кавычки, то перед ними необходимо поместить символ (\). То же справедливо и для самого (\). Несколько примеров:

"foo" "a and b" "I number" "a\"quote"

Отметим, что строка "abed" не тоже самое, что abcd. Они содержат одина-ковые наборы символов, но являются экземплярами различного типа.

Функции

Под функцией в CLIPS понимается фрагмент исполняемого кода, с которым связано уникальное имя и который возвращает полезное значение или имеет полезный побочный эффект (например, вывод информации на экран).

Существует несколько типов функций. Пользовательские и системные функции - это фрагменты кода, написанные на внешних языках (например, на С) и связанные со средой CLIPS. Системными называются те функции, которые были определены изначально внутри среды CLIPS. Пользовательскими называются функции, которые были определены вне CLIPS.

Хотя CLIPS и не ориентирована на численные вычисления, в ней предусмотрен ряд стандартных арифметических и математических функций. Среди них:

+ Сложение

- Вычитание

* Умножение

/ Деление

* * Возведение в степень

Abs Определение абсолютного значения

Sqrt Вычисление квадратного корня

Mod Взятие по модулю

Min Нахождение минимума

Мах Нахождение максимума

Конструкция deffunction позволяет пользователю определять новые функции непосредственно в среде CLIPS с использованием синтаксиса CLIPS. Функции, определенные таким образом, выглядят и работают подобно остальным функциям, однако они выполняются не напрямую, а интерпретируются средой CLIPS.

Вызовы функций в CLIPS имеют префиксную форму: аргументы функции могут стоять только после ее названия. Вызов функции начинается с открывающейся скобки, за которой следует имя функции, затем идут аргументы, каждый из которых отделен одним или несколькими пробелами. Аргументами функции могут быть данные простых типов, переменные или вызовы других функций. В конце вызова ставится закрывающаяся скобка. Ниже приведены примеры вызовов функций:

(+345)

(* 5 6.02)

(+ 3 (* 8 9) 4)

(* 8 (+ 3 (* 2 3 4) 9) (* 3 4) )

Конструкции

В CLIPS существует несколько описывающих конструкций:

defmodule, defrule, deffacts, deftemplate, defglobal, deffunction, defclass, definstances, defmessage-handler, defgeneric.

При записи все они заключаются в скобки. Определение конструкции отличается от вызова функции главным образом по производимому эффекту. Обычно вызов функции оставляет состояние среды CLIPS без изменений (за рядом исключений, когда речь идет о функциях сброса, очистки, открытия файла и т.п.). Определение конструкции, напротив, в точности направлено на изменение состояния среды путем внесения изменений в базу знаний CLIPS. В отличие от функций конструкции никогда не возвращают значений.

Все конструкции (за исключением defglobal) позволяют размещать комментарии сразу вслед за именем конструкции. Кроме того, комментарии могут вставляться в код CLIPS при помощи точки с запятой (;). Все, что следует за (;) до конца строки, будет игнорироваться CLIPS. Если (;) стоит первым символом в строке, то вся строка считается комментарием.

Факты

Факты являются одной из основных форм представления информации в системе CLIPS. Каждый факт представляет фрагмент информации, который был помещен в текущий список фактов, называемый fact-list. Факт представляет собой основную единицу данных, используемую правилами.

Количество фактов в списке и объем информации, который может быть сохранен в факте, ограничивается только размером памяти компьютера. Если при добавлении нового факта к списку обнаруживается, что он полностью совпадает с одним из уже включенных в список фактов, то эта операция игнорируется (хотя такое поведение можно изменить).

Факт может описываться индексом или адресом. Всякий раз, когда факт добавляется (изменяется), ему присваивается уникальный целочисленный индекс. Индексы фактов начинаются с нуля и для каждого нового или измененного факта увеличиваются на единицу. Каждый раз после выполнения команд reset и clear выделение индексов начинается с нуля. Факт также может задаваться при помощи адреса. Адрес факта может быть получен путем сохранения возвращаемого значения команд, которые возвращают в качестве результата адрес факта (таких как assert, modify и duplicate), или путем связывания переменной с адресом факта в левой части правила (см. далее).

Идентификатор факта - это короткая запись для отображения факта на экране. Она состоит из символа f и записанного через тире индекса факта. Например, запись f-10 служит для обозначения факта с индексом 10. Существует два формата представления фактов: позиционный и непозиционный.

Позиционные факты состоят из выражения символьного типа, за которым следует последовательность (возможно, пустая) из полей, разделенных пробелами. Вся запись заключается в скобки. Обычно первое поле определяет "отношение", которое применяется к оставшимся полям. Например: (the pump is on) (altitude is 10000 feet) (grocery_list bread milk eggs)

Поля в позиционных фактах могут быть любого простого типа (за исключением первого поля, которое всегда должно быть типа symbol), на порядок полей также не накладывается никаких ограничений. Следующие символьные выражения зарезервированы и не должны использоваться как первое поле любого факта (позиционного или нет): test, and, or, not, declare, logical, object, exists u forall.

Для того чтобы обратиться к информации, содержащейся в позиционном факте, пользователь должен знать не только какие данные содержатся в факте, но и то, в каком поле они хранятся. Непозиционные (шаблонные) факты дают возможность пользователю абстрагироваться от структуры факта, задавая имена каждому из полей факта. Для задания шаблона, который затем может использоваться при доступе к полям по именам, используется конструкция deftemplate. Эта конструкция подобна структуре или записи в языках программирования С и Паскаль.

Конструкция deftemplate позволяет наряду с определением именованных полей, или слотов, вводить имя шаблона. В отличие от позиционных фактов слоты шаблонного факта могут быть ограничены по типу, значению, числовому диапазону. Кроме того, для любого слота можно определить значения по умолчанию. Слот состоит из открывающейся скобки, за которой следует имя слота, полей (могут отсутствовать) и закрывающейся скобки. Заметим, что слоты не могут использоваться в позиционных фактах, так же как позиционные поля не могут использоваться в шаблонных фактах. Общая структура конструкции deftemplate такова:

(deftemplate )

(slot-1)

(slot-2)

…

(slot-N)

Далее приведен пример шаблона с заданными для слотов значениями по умолчанию:

(deftemplate prospect)

(slot name

(default ?DERIVE)

(slot. assets

(default rich)

(slot age

(default 80 )))

Шаблонные факты отличаются от позиционных по первому полю в факте. Первое поле всех фактов должно быть типа symbol, но если это символьное выражение соответствует имени шаблона, то этот факт - шаблонный. За первым полем шаблонного факта следует список из нуля или более слотов. Как и позиционные, шаблонные факты заключаются в скобки. Далее приведено несколько примеров шаблонных фактов:

(client (name "Joe Brown") (id X9345A))

(point-mass (x-velocity 100) (y-velocity -200))

(class (teacher "Martha Jones") (#-students 30)

(room "37A"))

(grocery-list (#-of-items 3) (items bread milk eggs))

Заметим, что порядок следования слотов в шаблонном факте не важен.

Манипуляции над фактами

Факты могут добавляться к списку фактов (с помощью команды assert), удаляться из него (с помощью команды retract), изменяться (с помощью команды modify) и дублироваться (с помощью команды duplicate) самим пользователем или программой. Например:

(assert (light green))

Кроме того, конструкция deffacts позволяет определить множество исходных или априорных знаний в виде набора фактов. Например:

(deffacts walk "Some facts about walking"

(status walking)

(walk-sign walk) )

Когда производится сброс состояния среды CLIPS (с помощью команды reset) все факты, описанные в конструкции deffacts, добавляются к списку фактов. Кроме того, по этой команде в список фактов заносится исходный факт (initial-fact). Этот факт включается в список фактов всегда с идентификатором f-0. Его назначение будет рассмотрено в следующем пункте.

Правила

Одним из основных методов представления знаний в CLIPS являются правила. Правила используются для представления эвристик, определяющих ряд действий, которые необходимо выполнить в определенной ситуации. Разработчик экспертной системы определяет совокупность правил, которые используются совместно для решения проблемы. Правило состоит из двух частей: антицедента (условия), который является аналогом условия в if-then операторе и записывается слева, и консеквента (заключения), который является аналогом then части этого оператора и записывается справа.

Левая часть правила представляет собой ряд условий (условных элементов), которые должны выполняться, чтобы правило было применимо. В CLIPS принято считать, что условие выполняется, если соответствующий ему факт присутствует в списке фактов. Одним из типов условных элементов может быть образец. Образцы состоят из набора ограничений, которые используются для описания того, какие факты удовлетворяют условию, определяемому образцом. Процесс сопоставления фактов и образцов выполняется блоком вывода CLIPS, который автоматически сопоставляет образцы, исходя из текущего состояния списка фактов, и определяет, какие из правил являются применимыми. Если все условия правила выполняются, то оно активируется и помещается в список активированных правил.

Если левая часть правила пуста, то для его активации необходимо наличие в списке фактов исходного факта (initial-fact). Такие безусловные правила часто используются для того, чтобы инициировать работу программы. Поэтому перед запуском таких программ необходимо произвести сброс состояния среды CLIPS.

Правая часть правила представляет собой совокупность действий, которые должны быть выполнены, если правило применимо. Действия, описанные в применимых правилах, выполняются тогда, когда блок вывода CLIPS получает команду начать выполнение применимых правил. Если существует множество применимых правил, то для того, чтобы выбрать правило, действия которого должны быть выполнены, блок вывода использует стратегию разрешения конфликтов. Действия, описанные в выбранном правиле, выполняются (при этом список применимых правил может измениться), а затем блок вывода выбирает другое правило и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не остается ни одного применимого правила, т.е. пока список активированных правил не окажется пуст.

Во многом правила похожи на операторы типа if-then процедурных языков программирования. Однако условие if-then оператора в процедурном языке проверяется только тогда, когда программа передает ему управление. С правилами ситуация иная. Блок вывода постоянно отслеживает все правила, условия которых выполняются, и, таким образом, правило может быть выполнено в любой момент, как только оно становится применимым. В этом смысле правила подобны обработчикам исключительных ситуаций в процедурных языках (например, в языке Ада).

Для определения правил используется конструкция defrule:

(defrule rule_name "optional_comment"

(patten_1)

(patten 2)

……….

(patten_N)

=>

(action_1)

(action_2)

(action_M))

Например:

(defrule take-a-vacation

(work done)

(money plenty)

(reservations made) =>

(printout t "Let's go!" crlf))

Переменные

Как и в других языках программирования, в CLIPS для хранения значений используются переменные. В отличие от фактов, которые являются статическими, или неизменными, содержание переменной динамично и изменяется по мере того, как изменяется присвоенное ей значение. Идентификатор переменной всегда начинается с вопросительного знака, за которым следует ее имя. В общем случае формат переменной выглядит следующим образом:

?

Примеры переменных:

?х ?sensor ?noun ?color

Перед использованием переменной ей необходимо присвоить значение. Все переменные, кроме глобальных, считаются локальными и могут использоваться только в рамках описания конструкции. К этим локальным переменным можно обращаться внутри описания, но они не определены вне него.

Чаще всего переменные описываются и получают значения в левой части правила. Например:

(defrule make-quack

(duck-sound ?sound)

=>

(assert (sounds-is ?sound) )

Получив значение, переменная сохраняет его неизменным при использовании как в левой, так и в правой части правила, если только это значение не изменяется в правой части при помощи функции bind.

(defrule addition

(numbers ?x ?y)

=>

(assert (answer (+ ?x ?y)))

(bind ?answer (+ ?x ?y))

(printout t "answer is " ?answer crlf))

Кроме значения самого факта, переменной может быть присвоено значение адреса факта. Это может оказаться удобным при необходимости манипулировать фактами непосредственно из правила. Для такого присвоения используется комбинация "<-". Следующий пример иллюстрирует присвоение переменной значения адреса факта и ее последующее использование:

(defrule get-married

?duck <- (bachelor Dopey)

=>

(retract ?duck))

Для определения глобальных переменных, которые видны всюду в среде CLIPS, используется конструкция defglobal. К глобальной переменной можно обратиться в любом месте, и ее значение остается независимым от других конструкций. Глобальные переменные CLIPS подобны глобальным переменным в процедурных языках программирования, но они значительно слабее типизированы (на них не налагается ограничения хранения данных только одного типа).

На главную страницу

Порываев А.М., 2002 г.