Основы программирования в системе CLIPS.

CLIPS (C Language Integrated Production System) начала разрабатываться в космическом центре Джонсона NASA в 1984 году. Сейчас CLIPS и документация на этот инструмент свободно распространяется через интернет (http://www.ghg.net/clips/CLIPS.html). Язык CLIPS свободен от недостатков предыдущих инструментальных средств для создания ЭС, основанных на языке LISP. Язык CLIPSполучил большое распространение в государственных организациях и учебных заведениях благодаря низкой стоимости, мощности, эффективности и переносимости с платформы на платформу. Например, даже Web-ориентированный инструментарий JESS (JavaExpert System Shell), использующий язык представления знаний CLIPS, приобрел достаточную известность в настоящее время.

Следует отметить, что несмотря на многочисленные преимущества функционального программирования, некоторые задачи лучше решать в терминах объектно-ориентированного программирования (ООП), для которого характерны три основные возможности: ИНКАПСУЛЯЦИЯ (работа с классами), ПОЛИМОРФИЗМ (работа с родовыми функциями, поддерживающими различное поведение функции в зависимости от типа аргументов), НАСЛЕДОВАНИЕ (поддержка абстрактных классов). ООП поддерживает многие языки, в том числе Smalltalk, C++, Java, Common LISP Object System (CLOS). Язык CLIPS, в свою очередь, вобрал в себя основные преимущества С++ и CLOS.

Читатель может познакомиться с языком CLIPS, получив через Интернет полный комплект документации на английском языке, или прочитав изданную на русском языке книгу. В данном разделе лекции дается краткое неформальное введение в CLIPS, необходимое для программирования учебных задач.

Отличительной особенностью CLIPS являются конструкторы для создания баз знаний (БЗ):

defrule	определение правил;
deffacts	определение фактов;
deftemplate	определение шаблона факта;
defglobal	определение глобальных переменных;
deffunction	определение функций;
defmodule	определение модулей (совокупности правил);
defclass	определение классов;
defintances	определение объектов по шаблону, заданному defclass ;
defmessagehandler	определение сообщений для объектов;
defgeneric	создание заголовка родовой функции;
defmethod	определение метода родовой функции.

Конструкторы не возвращают никаких значений, в отличии от функций, например:

(deftemplate person

(slot name)

(slot age)

(multislot friends))

(deffacts people

(person (name Joe) (age 20))

(person (name Bob) (age 20))

(person (name Joe) (age 34))

(person (name Sue) (age 34))

(person (name Sue) (age 20)))

Пример функции:

(deffunction factorial (?a)

(if (or (not (integerp ? a)) (< ? a0)) then

(printout t "Factorial Error!" crlf)

else

(if (= ? a0) then

else

(*? a (factorial ($-$ ? a1))))))

Правила в CLIPS состоят из предпосылок и следствия. Предпосылки также называют ЕСЛИ-частью правила, левой частью правила или LHS правила (left-hand side of rule). Следствие называют ТО-частью правила, правой частью правила или RHS правила (right-handside of rule).

Пример правила представлен ниже:

(deftemplate data (slot x) (slot y))

(defrule twice

(data (x ? x) (y =(*2 ? x)))

=>)

(assert (data (x2) (y4)); f-0

(data (x3) (y9))); f-1

Здесь самая распространенная в CLIPS функция assert добавляет новые факты в список правил. В противоположность assertфункция retract удаляет факты из списка фактов, например:

(defrule vis11

?doors < — (fit ? wdfit)

(test (eq ? wdfit no))

(assert (EVIDENCE OF MAJOR ACCIDENT))

(retract ? doors))

В этом правиле проверяется наличие факта doors и в случае его отсутствия факт doors удаляется из списка фактов задачи.

Функция modify является также весьма распространенной. Она позволяет в определенном факте поменять значение слота, например,

(deftemplate age (slot value))

(assert (age (value young)))

(modify 0 (value old))

Следующий пример описывает представление данных в виде фактов, объектов и глобальных переменных. Примеры фактов:

(voltage is 220 volt)

(meeting (subject "AI") (chief "Kuzin") (Room "3240"))

В первой строке приведен упорядоченный факт, во второй - неупорядоченный, в котором порядок слотов не важен.

CLIPS поддерживает следующие типы данных: integer, float, string, symbol, external-address, fact-address, instance-name, instance-address.

Пример integer:			+51	-17
Пример float:	594e²	23.45	+51.0	-17.5e^-5

String — это строка символов, заключенная в двойные кавычки.

Пример string: "expert", "Phil Blake", "состояние $-0$", "quote=\"

CLIPS поддерживает следующие процедурные функции , реализующие возможности ветвления, организации циклов в программах и т.,п.:

If	оператор ветвления;
While	цикл с предусловием;
loop-for-count	итеративный цикл;
prong	объединение действий в одной логической команде;
prong$	выполнение набора действий над каждым элементом поля;
return	прерывание функции, цикла, правила и т.д.;
break	то же, что и return, но без возвращения параметров;
switch	оператор множественного ветвления;
bind	создание и связывание переменных.

Функции CLIPS описываются в книгах. Среди логических функций (возвращающих значения true или false ) следует выделить следующие группы:

· функции булевой логики: and, or, not

· функции сравнения чисел: =, >, <,

· предикативные функции для проверки принадлежности проверяемому типу: integerp, floatp, stringp, symbolp, pointerp(относится ли аргумент к xternal-address ), numberp (относится ли аргумент к integer или float ), lexemerp (относится ли аргумент к string или symbol ), evenp (проверка целого на четность), oddp (проверка целого на нечетность), multifildp (является ли аргумент составным полем).

· Функции сравнения по типу и по значению: eq, neq

Среди математических функций следует выделить следующие группы:

· Стандартные: +, -, *, /, max, min, div (целочисленное деление), abs (абсолютное значение), float (преобразование в тип float ), integer (преобразование в тип integer )

· Расширенные: sqrt (извлечение корня), round (округление числа), mod (вычисление остатка от деления)

· Тригонометрические: sin, sinh, cos, cosh, tan, tanh, acos, acosh, acot, acoth, acsc, acsch, asec, asech, asin, asinh, atan, atanh, cot, coth, csc, csch, sec, sech, deg-grad (преобразование из градусов в секторы), deg-rad (преобразование из градусов в радианы), grad-deg (преобразование из секторов в градусы), rad-deg(преобразование из радиан в градусы)

· Логарифмические: log, log10, exp, pi

Среди функций работы со строками следует назвать функции:

str-cat	объединение строк,
sym-cat	объединение строк в значение типа symbol,
sub-string	выделение подстроки,
str-index	поиск подстроки,
eval	выполнение строки в качестве команды CLIPS,
build	выполнение строки в качестве конструктора CLIPS,
upcase	преобразование символов в символы верхнего регистра,
lowcase	преобразование символов в символы нижнего регистра,
str-compare	сравнение строк,
str-length	определение длины строки,
check-syntax	проверка синтаксиса строки,
string-to-field	возвращение первого поля строки.

Функции работы с составными величинами являются одной из отличительных особенностей языка CLIPS. В их число входят:

create$	создание составной величины,
nth$	получение элемента составной величины,
members	поиск элемента составной величины,
subset$	проверка одной величины на подмножество другой,
delete$	удаление элемента составной величины,
explode$	создание составной величины из строки,
implode$	создание строки из составной величины,
subseq$	извлечение подпоследовательности из составной величины,
replace$	замена элемента составной величины,
insert$	добавление новых элементов в составную величину,
first$	получение первого элемента составной величины,
rest$	получение остатка составной величины,
length$	определение числа элементов составной величины,
delete-member$	удаление элементов составной величины,
replace-member$	замена элементов составной величины.

Функции ввода-вывода используют следующие логические имена устройств:

stdin	устройство ввода,
stdout	устройство вывода,
wclips	устройство, используемое как справочное,
wdialog	устройство для отправки пользователю сообщений,
wdisplay	устройство для отображения правил, фактов и т.,п.,
werror	устройство вывода сообщений об ошибках,
wwarning	устройство для вывода предупреждений,
wtrase	устройство для вывода отладочной информации,

Собственно функции ввода-вывода следующие:

open	открытие файла (виды доступа r, w, r+, a, wb ),
close	закрытие файла,
printout	вывод информации на заданное устройство,
read	ввод данных с заданного устройства,
readline	ввод строки с заданного устройства,
format	форматированный вывод на заданное устройство,
rename	переименование файла,
remove	удаление файла.

Среди двух десятков команд CLIPS следует назвать основные команды при работе со средой CLIPS:

load	загрузка конструкторов из текстового файла,
load+	загрузка конструкторов из текстового файла без отображения,
reset	сброс рабочей памяти системы CLIPS,
clear	очистка рабочей памяти системы,
run	выполнение загруженных конструкторов,
save	сохранение созданных конструкторов в текстовый файл,
exit
	выход из CLIPS.

В рамках нашего краткого описания опустим список функций для работы с методами родовых функций и список функций для работы с классами, объектами, слотами, обработчиками сообщений. С этим можно ознакомиться по документации. Список сообщений об ошибках приведен в [ 7.4 ] .

В завершение следует иметь в виду, что CLIPS может не удовлетворительно работать в реальном времени, когда потребуется время реакции менее 0,1 сек.В этом случае надо исследовать на разработанном прототипе механизмы вывода для всего множества правил предметной области на различных по производительности компьютерах. Как правило, современные мощные компьютеры Intel обеспечивают работу с продукционными системами объемом 1000--2000 правил в реальном времени. Веб-ориентированные средства на базе JAVA (системы Exsys Corvid, JESS) являются более медленными, чем, например, CLIPS 6.0 или OPS-2000. Поэтому CLIPS - лучший на сегодня выбор для работы в реальном времени среди распространяемых свободно оболочек ЭС, разработанных на C++.