 |
А. 3. Объектно-ориентированные средства в clips
|
|
|
|
Использование объектно-ориентированных средств в CLIPS позволяет значительно упростить программирование правил, поскольку для обновления данных можно применять механизм передачи и обработки сообщений методами классов. В этом разделе мы продемонстрируем, как это делается на примере, который моделирует правила обращения с полуавтоматическим пистолетом.
Первым делом определим класс pistol, в котором будут перечислены свойства, необходимые для моделирования.
(defclass pistol
(is-a USER)
(role concrete)
(pattern-match reactive)
(slot safety (type SYMBOL) (create-accessor read-write))
(slot slide (type SYMBOL) (create-accessor read-write))
(slot hammer (type SYMBOL) (create-accessor read-write))
(slot chamber (type INTEGER) (create-accessor read-write))
(slot magazine (type SYMBOL) (create-accessor read-write))
(slot rounds (type INTEGER) (create-accessor read-write))
)
Первые три слота – системные. Они нужны объектно-ориентированной надстройке CLIPS (COOL-CLIPS object-oriented language). Эти слоты COOL извещают о том, что
· pistol – это пользовательский класс;
· pistol является конкретным классом, т.е. возможно создание экземпляров этого класса (альтернативный тип – абстрактный класс, который играет ту же роль, что и виртуальный класс в C++);
· экземпляры класса pistol могут быть использованы в качестве объектов данных, которые можно сопоставлять с условиями в правилах и использовать в действиях, определенных правилами.
Следующие пять слотов представляют свойства и члены данных класса:
· слот safety (предохранитель) может содержать символ on или off;
· слот slide (затвор) может содержать значение forward или back, т.е. хранит информацию о положении затвора;
· слот hammer (курок) содержит информацию о состоянии курка, back или down;
· слот chamber (патронник) содержит значение 1 или 0, в зависимости от того, есть ли патрон в патроннике;
|
|
|
· слот magazine (обойма) может содержать значение in или out, в зависимости от того, вставлена ли обойма;
· слот rounds (патроны) содержит текущее количество патронов в обойме.
Для того чтобы иметь возможность записывать в слот новое значение или считывать текущее, нужно разрешить формирование соответствующих функций доступа через фацет create-accessor. Теперь сформируем экземпляр класса pistol с помощью следующего выражения:
(definstances pistols
(PPK of pistol
(safety on)
(slide forward)
(hammer down)
(chamber 0)
(magazine out)
(rounds 6)
)
)
Этот экземпляр, PPK, правильно уложен – обойма вынута из рукоятки, пистолет установлен на предохранитель, затвор в переднем положении, курок опущен, а патронник пуст. В обойме имеется 6 патронов.
Теперь, имея в программе определение класса и сформировав экземпляр класса, разработаем правила и обработчики сообщений, с помощью которых можно описать отдельные операции обращения с пистолетом и стрельбы из него. Для этого сначала разработаем шаблон задачи. Желательно отслеживать две вещи:
· есть ли патрон в патроннике;
· произведен ли выстрел.
Для этого можно использовать следующий шаблон:
(deftemplate range-test
(field check (type SYMBOL) (default no))
(field fired (type SYMBOL) (default no))
)
Первое правило будет устанавливать в рабочую память программы задачу range-test.
(defrule start
(initial-fact)
=>
(assert (range-test))
)
При активизации этого правила в рабочую память будет добавлено
(range-test (check no) (fired no))
Следующие три правила будут проверять правильно ли снаряжен пистолет.
(defrule check
(object (name [PPK]) (safety on) (magazine out)
?T<- (range-test (check no))
=>
(send [PPK] clear)
(modify?T (check yes)
)
Правило check заключается в том, что если пистолет стоит на предохранителе (safety on), обойма вынута (magazine out) и пистолет не был проверен, то нужно очистить патронник и проверить, нет ли в нем патрона. Обработчик сообщений clear для класса pistol будет выглядеть следующим образом:
|
|
|
(defmassage-handler pistol clear ()
(dynamic-put chamber 0)
(ppinstance)
)
В первой строке объявляется, что clear является обрабртчиком сообщения для класса pistol, причем этот обработчик не требует передачи аргументов. Оператор во второй строке «очищает» патронник. Присвоение выполняется независимо от того, какое текущее значение имеет слот chamber, - 0 или 1. Оператор в третьей строке требует, чтобы экземпляр распечатал информацию о текущем состоянии своих слотов.
В следующих двух правилах обрабатываются ситуации, когда пистолет снаряжен неправильно, - не установлен на предохранитель или в него вставлена обойма. Правило correct1 устанавливает пистолет на предохранитель, а правило correct2 извлекает из него обойму.
(defrule correct1
(object (name [PPK]) (safety off))
(range-test (check no))
=>
(send [PPK] safety on)
)
(defrule correct2
(object (name [PPK]) (safety on) (magazine in))
(range-test (check no))
=>
(send [PPK] drop)
)
Как при разработке предыдущего правила, нам понадобятся обработчики сообщений safety и drop.
(defmessage-handler pistol safety (?on-off)
(dynamic-put safety?on-off)
(if (eq?on-off on)
then (dynamic-put hammer down)
)
)
Обработчик сообщения safety принимает единственный аргумент, который может иметь только два символических значения on или off. В противном случае нам пришлось бы разработать два обработчика: один для сообщения safety-on, а другой – для сообщения safety-off. Учтите, что в некоторых моделях, например в Walther PPK, при установке пистолета на предохранитель патронник очищается автоматически.
Обработчик сообщения drop просто извлекает обойму из пистолета.
(defmessage-handler pistol drop ()
(dynamic-put magazine out)
)
Теперь, когда обеспечено правильное исходное снаряжение пистолета, можно приступить к стрельбе. Следующее правило обеспечивает вставку обоймы в пистолет перед стрельбой:
(defrule mag-in
(object (name [PPK]) (safety on) (magazine out))
(range-test (fired no) (check yes))
=>
(send [PPK] seat)
)
Обработчик сообщения seat выполняет действия, противоположные тем, которые выполняет обработчик drop.
(defmessage-handler pistol seat ()
(dynamic-put magazine in)
)
Можно было бы, конечно, включить в программу и следующее правило mag-in:
(defrule mag-in
?gun <- (object (name [PPK]) (safety on) (magazine out)) (range-test (fired no) (check yes))
=>
(modify?gun (magazine in)
)
но это противоречит одному из принципов объектно-ориентированного программирования, который гласит, что объект должен самостоятельно обрабатывать содержащиеся в нем данные. Следующее правило обеспечивает снаряжение обоймы патронами:
|
|
|
(defrule load
(object (name [PPK]) (magazine in) (chamber 0))
=>
(send [PPK] rack)
)
На примере обработчика сообщения rack вы можете убедиться в справедливости нашего замечания о том, что обработку данных внутри объекта нужно поручать методам этого объекта, а не включать прямо в правило.
(defmessage-handler pistol rack ()
(if (> (dynamic-get rounds) 0)
then (dynamic-put chamber 1)
(dynamic-put rounds (- (dynamic-get rounds) 1))
(dynamic-put slide forward)
else (dynamic-put chamber 0)
(dynamic-put slide back)
)
)
В этом обработчике обеспечивается досылка патрона в патронник в том случае, если в обойме имеются патроны. Следующее правило подготавливает пистолет к стрельбе, снимая его с предохранителя. Обратите внимание на то, что в нем повторно используется сообщение safety, но на этот раз с аргументом off.
(defrule ready
(object (name [PPK]) (chamber 1))
=>
(send [PPK] safety off)
)
Правило fire выполняет стрельбу.
(defrule fire
(object (name [PPK]) (safety off);
?T <- (range-test (fired no))
=>
(if (eq (send [PPK] fire) TRUE)
then (modify?T (fired yes)))
)
Обратите внимание, что в данном правиле используется обработчик сообщения, которое возвращает значение. Анализируя его, можно выяснить, произведен ли выстрел, т.е. выполнена ли в действительности та операция, которая «закреплена» за этим сообщением. Если в патроннике был патрон и пистолет был снят с предохранителя, то обработчик сообщения вернет значение TRUE (после того, как выведет на экран BANG!). В противном случае он вернет FALSE (после того, как выведет на экран click).
(defmessage-handler pistol fire ()
(if (and
(eq (dynamic-get chamber) 1)
(eq (dynamic-get safety) off)
)
then (printout t crlf “BANG!” t crlf)
TRUE
else (printout t crlf “click” t crlf)
FALSE
)
)
Пусть вас не смущает, что в обработчике сообщения анализируется условие, которое уже было проанализировано правилом, отославшим сообщение (в данном случае речь идет об условии safety off). Дело в том, что одно и тоже сообщение может отсылаться разными правилами и нет никакой гарантии, что в каждом из них будет проверяться это условие.
|
|
|
После завершения стрельбы пистолет нужно вновь вернуть в положение «по-походному». Начинается это с того, что пистолет устанавливается на предохранитель, для чего используется ранее разработанный обработчик сообщения safety.
(defrule unready
(object (name [PPK]) (safety off))
(range-test (fired yes))
=>
(send [PPK] safety on)
)
Следующая операция – вынуть обойму. Обратите внимание, что в нем мы вновь обращаемся к обработчику сообщения drop.
(defrule drop
(object (name [PPK]) (safety on))
(range-test (fired yes))
=>
(send [PPK] drop)
)
Последнее правило выбрасывает патрон из патронника, вызывая обработчик сообщения clear.
(defrule unload
(object (name [PPK]) (safety on) (magazine out))
range-test (fired yes))
=>
(send [PPK] clear)
)
В этом приемре было продемонстрировано, как в рамках единой CLIPS программы “уживаются” правила и объекты. Правила управляют ходом вычислений, но некоторые операции объекты выполняют и самостоятельно, получив “указание” (сообщение) от правил. Объекты не являютя резидентами рабочей памяти, но члены левой части правил (условий) могут быть сопоставлены с содержимым их слотов. Состояние объектов может измениться и вследствие побочных эффектов активизации правил, но я считаю, что лучше предоставить объектам возможность самостоятельно выполнять манипуляции с хранящимися в них данными в ответ на поступающие от правил сообщения. Объекты не могут самостоятельно активизировать правила, но их обработчики сообщения могут “возвращать” определенную информацию о результатах, которая используется для управления логикой выполнения действий в правой части правил.
А.4. ЗАДАЧА “ПРАВДОЛЮБЦЫ И ЛЖЕЦЫ”
Для того, чтобы продемонстрировать вам возможности языка CLIPS, я выбрал головоломку, а не задачу из практики применения экспертных систем. В головоломке решается одна из задач, возникающих на острове, населенном обитателями двух категорий: одни всегда говорят правду (назовем их правдолюбцами), а другие всегда лгут (их, естественно, назовем лжецами). Множество подобных головоломок вы можете встретить на страницах занимательной книги Раймонда Смуляна «What is the Name of this Book?». Ниже приведены разные задачи из этой серии.
Р1. Встречаются два человека, А и В, один из которых правдолюбец, а другой – лжец. А говорит: «Либо я лжец, либо В правдолюбец». Кто из этих двоих правдолюбец, а кто лжец?
Р2. Встречаются три человека, А, В и С. А и говорит: «Все мы лжецы», а В отвечает: «Только один из нас правдолюбец». Кто из этих троих правдолюбец, а кто лжец?
Р3. Встречаются три человека, А, В и С. Четвертый проходя мимо, спрашивает А: «Сколько правдолюбцев среди вас?» А отвечает неопределенно, а В отвечает: «А сказал, что среди нас есть один правдолюбец». Тут в разговор вступает С и добавляет: «В врет!» кем по-вашему являются В и С?
|
|
|
В программе, решающей проблемы подобного класса, будут использованы широкие возможности средств программирования правил в языке CLIPS и продемонстрированы некоторые интересные приемы, например использование контекстов и обратного прослеживания. Мы также покажем, как конструировать и тестировать прототипы, которые приблизительно воспроизводят поведение окончательной программы. Как отмечалось в основном материале книги, технология построения экспертных систем с использованием прототипов – одна из самых распространенных в настоящее время.
А.4.1. Анализ проблемы
Первым этапом любого программного проекта является анализ решаемой проблемы. Эксперт должен уметь решить проблему, а инженер по знаниям должен разобраться, как именно было получено решение. При решении нашей задачи вам придется выступить в обеих ипостасях.
Предложенные головоломки можно решить, систематически анализируя, что случится, если персонаж, произносящий реплику, является правдолюбцем, а что, если он – лжец. Обозначим через Т(А) факт, что А говорит правду, и следовательно, является правдолюбцем, а через F(А) – факт, что А лжет и, следовательно, является лжецом.
Рассмотрим сначала головоломку Р1. Предположим, что А говорит правду. Тогда из его реплики следует, что либо А лжец, либо В правдолюбец. Формально это можно представить в следующем виде:
Т(А) =>F(А) v Т(В)
Поскольку А не может одновременно быть и лжецом, и правдолюбцем, то отсюда следует
Т(А) =>Т(В)
Аналогично можно записать и другой вариант. Предположим, что А лжет:
F(A)=>-(F(A) v Т(В)).
Упростим это выражение:
F(A)=>-F(A) ^-Т(В) или F(A)=> Т(А)^F(B).
Сравнивая оба варианта, нетрудно прийти к выводу, что толко последний правильный, поскольку в первом варианте мы пришли к выводу, противоречащему условиям (не могут быть правдолюбцами одновременно А и В).
Таким образом, рассматриваемая проблема относится к типу таких, решение которых находится в результате анализа выводов, следующих из определенных предположений, и поиска в них противоречий (или отсутствия таковых). Мы предполагаем, что определенный персонаж говорит правду, а затем смотрим, можно ли в этом случае так распределить «роли» остальных персонажей, что не будут нарушены условия, сформулированные в репликах. На жаргоне, принятом в математическое логике, предположение о правдивости или лживости множества высказываний называется интерпретацией, а вариант непротиворечивого присвоения значений истинности элементам множества – моделью.
Однако наши головоломки включают и нечто, выходящее за рамки типовых проблем математической логики, поскольку реплики в них может произносить не один персонаж (как в головоломке Р2), а на реплику одного персонажа может последовать ответная реплика другого (как в головоломке Р3). В исходной версии программы, которую мы рассмотрим ниже, это усложнение отсутствует, но в окончательной оно должно быть учтено. Мы покажем, что постепенное усложнение программы довольно хорошо согласуется с использованием правил.
На практике оказывается, что в первой версии программы удобнее всего воспользоваться «вырожденным» вариантом проблемы, т.е. постараться решить ее в тривиальном виде, который, тем не менее, несет в себе многие особенности реального случая. Вот как это выглядит в отношении наших правдолюбцев и лжецов.
Р0. А заявляет: «Я лжец». Кто же в действительности А – лжец или правдолюбец?
Мы только что фактически процитировали хорошо известный Парадокс Лгуна. Если А лжец, то, значит, он врет, т.е. в действительности он правдолюбец. Но тогда мы приходим к противоречию. Если же А правдолюбец, т.е. говорит правду, то в действительности он лжец, а это опять противоречие. Таким образом, в этой головоломке не существует непротиворечивого варианта «распределения ролей», т.е. не существует модели в том смысле, который придается ей в математической логике.
Есть много достоинств в выборе для прототипа программы варианта головоломки Р0.
· В головоломке присутствует только один персонаж.
· Выражение не содержит логических связок, таких как И или ИЛИ, или кванторов, вроде квантора общности (все) и прочих.
· Отсутствует ответная реплика.
В то же время существенные черты проблемы в этом варианте присутствуют. Мы по-прежнему должны попытаться отыскать непротиворечивую интерпретацию высказывания А, т.е. должны реализовать две задачи, присутствующие в любых вариантах подобной головоломки:
· формировать альтернативные интерпретации высказываниям;
· анализировать наличие противоречий.
Вы увидите, что для выполнения этих двух задач потребуется использовать механизм, очень близкий к тем, которые мы рассматривали при описании систем обработки правдоподобия в главах 17 и 19.
|
|
|
