ГЛАВА 14. Разработка экспертной системы CIOS

Данная глава целиком посвящена примеру создания экспертной системы CIOS (Circuit Input/Output Simplification). Назначением системы CIOS является построение и оптимизация таблиц истинности (boolean decision table) заданных логических схем. В отличие от примера, приведенного в гл. 9, рассматриваемая в этой главе экспертная система будет использовать не так уж много правил. Данный пример демонстрирует, насколько эффективной может оказаться интеграция объектно-ориентированных возможностей COOL с правилами и механизмом логического вывода CLIPS. Именно наличию продуманной иерархии классов, объекты которых представляют собой элементы логической схемы, экспертная система обязана такому небольшому числу правил. Большая часть обработки информации происходит в объектах благодаря использованию обработчиков сообщений разных типов.

Помимо объектно-ориентированных возможностей CLIPS система CIOS использует также родовые функции, которые превосходно подошли для свя­зывания логических элементов разных типов.

Большинство конструкций языка, используемых при создании экспертной системы CIOS, уже были рассмотрены в предыдущих главах. Однако в данной главе все-таки встречаются еще не рассмотренные функции языка CLIPS. Краткое описание назначения таких функций будет приводиться по мере необходимости. Полное описание большинства таких функций можно будет найти в гл. 15.

Постановка задачи

Основной задачей, для решения которой предназначена экспертная система CIOS, является построение и оптимизация таблиц истинности заданных логических схем. Логической схемой будем называть объединение некоторых примитивных логических элементов. Полный список и описание логи­ческих элементов, используемых в данном примере, приведены в табл. 14.1.

Таблица 14.1. Примитивные логические элементы

При составлении логической схемы из примитивных элементов обязательными являются следующие правила:

Ø выход каждого логического элемента связан с одним и только одним входом другого элемента;

Ø вход каждого логического элемента связан с одним и только одним выходом другого элемента;

Ø исходные сигналы подаются на источники логической схемы, не имеющие входов;

Ø исходный сигнал перемещается по логической схеме, за условную единицу времени — такт;

Ø по завершении такта обработанный сигнал оказывается на логических индикаторах схемы.

Таблицей истинности называется таблица, содержащая всевозможные наборы сигналов, принимаемые источниками логической схемы, и обработан­ный результат, полученный на индикаторах схемы для каждого набора. Например, для простейшей логической схемы, приведенной на рис. 14.1, таблица истинности представлена в табл. 14.2.

Рис. 14.1.Простейшая логическая схема

Таблица 14.2. Пример простейшей таблицы истинности

Количество столбцов таблицы истинности очевидно равно числу источни­ков и индикаторов схемы. Количество строк — числу 2, возведенному в степень числа источников, т. е. при одном источнике 2¹ = 2, при двух 2² = 4, при трех 2³ = 8 и т. д. Таким образом, таблица истинности может принимать весьма внушительные размеры. Уже при 6-ти источниках коли­чество строк в ней равняется 64.

Очевидно, что возможны ситуации, когда изменение значения одного из входов не влияет на результат при постоянных значениях остальных входах. В этом случае таблицу можно оптимизировать, объединив такие строчки и заменив значение невлияющего на результат входа на символ *. В представ­ленном выше примере можно объединить первую и вторую строку таблицы, т. к. при любом значении, подаваемом на источник SOURCE-2 в случае, если на источник SOURCE-1 подается 0, результат будет равен 0. Таким образом, оптимизированная таблица примет вид, приведенный в табл. 14.3.

Таблица 14.2. Оптимизированная таблица истинности

В данном примере преимущества оптимизированных таблиц истинности не очень заметно. Однако при составлении таких таблиц для достаточно больших логических схем преимущества очевидны. Эффект, полученный от оп­тимизации таблицы истинности, сильно зависит от конкретной анализируемой логической схемы.

Следует отметить, что оптимизация таблиц истинности неоднозначна. Но конечный результат (количество строк в итоговой таблице) всегда одинаков. Наш простой пример можно было оптимизировать так, как представлено в табл. 14.4.

Таблица 14.4. Еще один пример оптимизированной таблицы истинности

Для разработки и тестирования экспертной системы CIOS будем использовать логические схемы, приведенные на рис. 14.2—14.4. Сокращения даны в табл. 14.5.

Таблица 14.5. Сокращения названий логических элементов

Рис. 14.2. Схема 1

Рис. 14.3. Схема 2

Рис. 14.4. Схема 3