Интеллектуальные информационные системы

КемИ РГТЭУ

структура правила
Для определения правил используется конструктор defrule:
(defrule [“ комментарий"]
[

<определение-свойства-правила>]
[<предпосылки>] ; левая часть правила
=>
<следствие> ) ; правая часть правила
Имя правила должно быть значением типа symbol, в качестве имени нельзя использовать зарезервированные слова.
<определение-свойства-правила>::=(declare <свойство-правила>)
<свойтсво-правила>::=(Salience<целочисленное_выражение>)|(auto-focus true |false)
Целочисленное выражение свойства Salience задает приоритет, его значение находится в интервале -10000…10000, свойство влияет на стратегию разрешения конфликта.
По умолчанию принимается значение 0.
Свойство auto-focus позволяет автоматически выполняться команде focus, передающей управление модулю, из которого извлечено данное правило, при каждой активации правила. Если свойство auto-focus установлено в значение true , то команда focus в модуле, в котором определено данное правило, автоматически выполняется при каждой активации правила, в противном случае никаких действий не производится. По умолчанию принимается значение false.

147

структура правила
Пример правила:
(defrule vacation

(work done) ; 1 посылка
(money plenty) ; 2 посылка
(reservations made) ; 3 посылка
=>
(printout t “Let’s go!” crlf)) ; заключение или действие – вывод сообщения.

CLIPS предоставляет также визуальный инструмент для манипуляции с определенными в данный момент конструкторами defrule – Defrule Manager. Для запуска Defrule Manager воспользуйтесь меню Browse и выберите пункт Defrule Manager.

148

структура правила
Пример правила системы MYCIN, записанного на языке СLIPS:
(defrule diagnosis

(patient (name Jones) (organism organism-1)) ;если у пациента Джона обнаружен организм-1
(organism (name organism-1) (morphology rod) ; и организм-1 имеет ; форму палочки и
(aerobicity aerobic)) ;является аэробным (воздушная среда ; способствует его росту)
=>
(assert (organism (name organism-1) ; то добавить факт, что с ;уверенностью 0.8 этот
(identify enterobacteriaceae) ; микроорганизм относится к ;классу
(confidence 0.8))) ; enterobacteriaceae

149

и в других языках программирования, в СLIPS для хранения значений

используются переменные.
Идентификатор переменной всегда начинается с вопросительного знака, за которым следует ее имя. В общем случае формат переменной выглядит следующим образом:
?<имя-переменной >
Примеры переменных:
?х ?sensor ?noun ?соlоr
Имя переменной имеет тип symbol. Перед использованием переменной ей необходимо присвоить значение.
Все переменные могут быть локальными или глобальными. Все переменные, кроме глобальных, считаются локальными и могут использоваться только в рамках описания конструктора. К этим локальным переменным можно обращаться внутри описания, но они не определены вне него.

150

переменные определены внутри модуля и задаются с помощью конструктора:

(defglobal [<имя-модуля>] <определение- переменной>* )
<определение-переменной>::= <имя-переменной>=<выражение>
<имя_переменной>::=? *<Значение-типа-symbol>*
Пример:
(defglobal ?*y*=5 ?*color*=red)
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).

151

всего локальные переменные описываются и получают значения в левой части

правила. Например:
(defrule make-quack
(quack-sound ?sound)
=>
(assert (sound 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.
Пример использования функции bind:
(defrule addition
(numbers ?х ?у)
=>
(assert (answer (+ ?х ?у) ) )
(bind ?answer (+ ?х ?у) )
(printout t "answer is " ?answer crlf) )

152

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) )

153

правила системы MYCIN, записанного на языке СLIPS с использованием переменных:
(defrule

diagnosis ;если у пациента ?pat обнаружен организм
(patient (name ?pat) (organism ?org)) ; ?org и этот ;организм имеет форму палочки и
(organism (name ?org) (morphology rod) ;является аэробным (aerobicity aerobic))
=>
(assert (organism (name ?org) ; то добавить факт, что с ;уверенностью 0.8 этот
(identify enterobacteriaceae) ; микроорганизм ?org
(confidence 0.8))) ; относится к классу enterobacteriaceae

154

элементы в левой части правила
Левая часть правила задается набором УЕ.

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.
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 СLIPS командой (reset).
Синтаксис условных элементов:
<условный-элемент>::=<образец-УЕ> |
| | | | |
|

155

элементы в левой части правила
Образец-УЕ как бы определяет маску,

которой должны соответствовать данные, и состоит из списка ограничений полей, групповых символов (?, $) и переменных.
Условный элемент test имеет следующий синтаксис:
::=(test <вызов функции>).
Функция проверки условия test представляет собой мощное средство, при помощи которого можно сравнивать числа, переменные и строки в левой части правила. Она записывается точно так же, как и образцы. Правило может выполниться только тогда, когда наряду с совпадением всех образцов, записанных в левой части правила, справедливо и условие, описываемое в test.
Функция test имеет следующий синтаксис:
(test (аргумент-сравнения аргумент-1 аргумент-2)) ,
где аргумент-сравнения - это тот параметр, по которому сравниваются два следующих аргумента.

156

элементы в левой части правила В CLIPS существует ряд предопределенных аргументов

сравнения:

157

элементы в левой части правила
Все аргументы, кроме eq и neq,

используются только для сравнения чисел.
При интерпретации выражения сравнения считается, что
аргумент-1 стоит слева от аргумента-сравнения, а аргумент-2 - справа.
Пример применения функции test:
(defrule example
(data ?x)
(data ?y)
(test (>= (abs (- ?y ?x)) 3))
=> )
Условный элемент not имеет следующий синтаксис:
::=(not <УЕ>)
Этот элемент проверяет отсутствие факта в списке фактов.

158

элементы в левой части правила
Условный элемент or имеет следующий синтаксис:

::=(or <УЕ>*)
Пример применения УЕ or :
(defrule system-fault
(error-status unknown)
(or (temp high )
(valve broken)
(pump off))
=>
(printout t “System has a fault” crlf))
УЕ or позволяет активировать правило любым из условных элементов, объединенных с помощью or.
Синтаксис всех остальных элементов подобный синтаксису УЕ or.

159

на значения полей
Использование ограничений на значения полей позволяет ограничить

значения, принимаемые образцами в левой части правила.
Рассмотрим три вида ограничений: ~ , | и &.
Ограничение ~ действует на следующее прямо за ним значение и говорит о том, что поле не может принимать это значение. Например:
(defrule walk
(light ~ green)
=>
(printout t " Don’t walk” crlf) )
Ограничение | указывает на то, что поле может принимать одно из следующих значений. Например:
(defrule cautious
(light yellow | blinking-yellow)
=>
(printout t "Be cautious” crlf) )
Ограничение & используется только вместе с ограничениями первых двух типов и указывает на то, что должны удовлетворяться оба соединяемых при его помощи ограничения. Например:
(defrule cautious
(light ?color & yellow | blinking-yellow)
=>
(printout t "Be cautious because light is” ?color crlf) )

160

функций
Функции могут использоваться и в левой, и в правой

части правила.
Например:
(defrule addition
(numbers ?х ?у)
=>
(assert (answer (+ ?х ?у) ) ) )
При использовании функции в левой части правила перед ней должен стоять знак " = ", показывающий CLIPS, что следующее выражение необходимо вычислить, а не использовать буквально. Например:
(defrule addition
(numbers ?х ?у)
(stock ?ID = (sqrt (+ (** ?x 2) (** ?Y 2))))
=>
(printout t "stock ID = “ ?ID crlf) )

161

функций
Конструктор deffunction позволяет пользователю создавать свои функции непосредственно в

среде CLIPS. Способ вызова функции, определенной пользователем эквивалентен способу вызова внутренних функций CLIPS. Вызов функции осуществляется по имени, за которым следует список необходимых аргументов, отделенных одним или большим числом пробелов.
Синтаксис конструктора deffunction:
( deffunction <имя-функции> [“комментарий”]
<обязательные- параметры>
[<групповой-параметр>] < действия >)
<обязательные- параметры>::=(<выражение-простое-поле>*)
<групповой-параметр>::=<выражение-составное-поле>
Групповой параметр указывает, что функция может иметь переменное число аргументов. Действия – это последовательность действий или выражений, которые будут выполнены (вычислены) по порядку в момент вызова функции. Имя функции должно быть уникальным.
Конструктор deffunction должен быть объявлен до первого использования создаваемой им функции, исключение составляют рекурсивные функции.

162

функций
Пример функции:
( deffunction hypotenuse (?a ?b)
(sqrt

(+ (* ?a ?a) (* ?b ?b))) )
Функция возвращает результат последнего выражения в списке. Иногда функция имеет побочные эффекты, как в приведенном ниже примере:
( deffunction init (?day)
(reset) (assert (today is ?day) )
В результате после запуска функции на выполнение командой
CLIPS> (init Sunday)
будет выполнена команда reset, и следовательно очищена база фактов, а затем в нее включен новый факт (today is Sunday).

163

функций
CLIPS поддерживает также процедурную парадигму представления знаний, подобную принятой

в обычных языках программирования (С, Паскаль).
Конструктор deffunction позволяет пользователю определять новые функции. Эти новые функции могут вызываться точно так же, как и встроенные функции CLIPS. Конструктор defmodule позволяет разбивать базу знаний на части.
Также CLIPS предоставляет 9 функций, которые реализуют возможности процедурного программирования:

164

функций
165

функций Функции (команды) управления интерактивной средой
166

функций
Все команды записываются в круглых скобках. Для команд

batch* , batch, save, load* , load задается параметр – имя файла.
Команды работы с конструктором deffacts
ppdeffacts – вывод определения конструктора в диалоговое окно. Синтаксис команды:
(ppdeffacts <имя конструктора>).
list-deffacts – вывод в диалоговое окно системы списка всех определенных конструкторов deffacts.
Undeffacts – удаление определенного конструктора, этих фактов в списке фактов не будет. Синтаксис команды: (undeffacts <имя конструктора>| *).
В случае использования символа * в качестве параметра команды будут удалены все определенные пользователем конструкторы deffacts.

167

функций
Команды работы с конструктором deftemplate
ppdeftemplate вывод определения конструктора в

диалоговое окно. Синтаксис команды:
(ppdeftemplate <имя конструктора>).
list-deftemplate– вывод в диалоговое окно системы списка всех определенных конструкторов deftemplate
undeftemplate – удаление определенного конструктора, этих фактов в списке фактов не будет. Синтаксис команды: (undeftemplate <имя конструктора>| * ).
В случае использования символа * в качестве параметра команда попытается удалить все определенные пользователем конструкторы deftemplate. Если выбранный конструктор используется фактом или правилом, его удаление закончится неудачей.

168

функций
Команды работы с правилами
ppdefrule- вывод определение конструктора defrule в

диалоговое окно CLIPS. Синтаксис команды:
(ppdefrule <имя конструктора>).
list-defrules – вывод в диалоговое окно системы списка всех определенных конструкторов defrule.
undefrule – удаление определенного конструктора defrule. Синтаксис команды:
(undefrule <имя конструктора>| * ).
В случае использования символа * команда попытается удалить все определенные пользователем правила.
matches- просмотр списка набора фактов
(matches <имя правила>)
refresh –помещение всех текущих активаций заданного правила в план решения задачи. Синтаксис команды:
(refresh <имя правила>).
agenda – вывод текущего плана решения задачи. Команда отображает в диалоговом окне все активации, содержащиеся в плане решения задачи в соответствующем порядке вместе с данными, активировавшими правила.
run – запуск цикла выполнения правил. Синтаксис команды:
(run [<целочисленное выражение >] ).
Если необязательный параметр <целочисленное выражение > является положительным, то выполнение правил прекращается после заданного числа запусков правил или в случае, если текущий план не содержит ни одной активации. Если данный параметр не указан или отрицателен, то текущий план выполняется полностью.

169

функций
Функции ввода-вывода
Система ввода – вывода, используемая CLIPS, называется маршрутизацией

ввода-вывода (I/O routers).
Одна из особенностей системы - это использование логических имен, которые позволяют обращаться к устройствам ввода – вывода унифицированным способом без необходимости учета особенностей конкретного устройства.
Некоторые предопределенные логические имена CLIPS:
stdin (t) - логическое имя, определяющее устройство для ввода информации от пользователя по умолчанию. Его используют функции read, readline. Его синоним - t.
stdout (t) - логическое имя, которое определяет устройство для вывода информации. Его синоним - t. Используется командами printout, format
wclips – имя устройства, которая использует справочная система CLIPS.
werror – логическое имя устройства, которое будет выводить сообщение об ошибках.
wwarning – логическое имя устройства, на котором будут выдаваться предупреждения.
wtrace – логическое имя устройства, на котором отображается отладочная информация.
Функции ввода-вывода:
open - открытие файла. Синтаксис функции:
(open <имя файла><логическое имя>[<параметр открытия>])
Возможные варианты значений параметра, определяющих способ открытия файла:
“r”- доступ только для чтения; “w”- доступ только для записи;
“r +” – доступ для чтения и записи; “a” – добавление только в конец файла.
Пример функции: (open “myfile.clp” writeFile “w”)

170

функций
Функции ввода-вывода
close -закрытие файла. Параметром может быть логическое имя,

но может быть без параметров, тогда CLIPS закроет все открытые файлы.
printout - вывод информации на заданное устройство. Синтаксис функции:
(printout <логическое имя><выражение>*)
Функция printout принимает и выводит на устройство, связанное с заданным логическим именем, любое число параметров.
Каждое выражение вычисляется и выводится на соответствующее устройство без пропусков. Используемые символы:
crlf- перевод строки;
tab – горизонтальная табуляция (пропуск 8 символов);
vtab – вертикальная табуляция;
ff – переход на новую страницу.
read- ввод данных с заданного устройства. Параметром может быть логическое имя, а может быть без него.
format – форматированный вывод информации на заданное устройство.
readline – ввод строки с заданного устройства.
rename – переименование файла. Синтаксис функции:
(rename <старое- имя><новое-имя>)
remove - удаление файла. Синтаксис функции:
(remove < имя-файла>).

171

систем
Экспертная система (ЭС) – компьютерная система, которая оперирует со знаниями

в определенной предметной области с целью выработки рекомендаций или высокоэффективного решения задач в некоторой узкой предметной области.

В большинстве случаев ЭС предназначаются для оказания консультационной помощи специалистам при решении задач, возникающих в слабоструктурированных и трудно формализуемых предметных областях.
К ЭС относят также сложные программные комплексы, аккумулирующие знания специалистов в конкретных предметных областях (экспертов) и тиражирующие этот эмпирический опыт для консультаций менее квалифицированных пользователей.
Экспертные знания - знания, которыми располагает специалист в некоторой предметной области.
Современные экспертные системы широко используются для тиражирования опытам знаний ведущих специалистов практически во всех сферах экономики.
Традиционно знания существуют в двух видах - коллективный опыт и личный опыт.

172

систем
Если большая часть знаний в предметной области представлена в виде

коллективного опыта (например, высшая математика), эта предметная область не нуждается в экспертных системах (рис. 5.1).









Рисунок 5.1. Предметная область, не пригодная для создания экспертной системы
Если в предметной области большая часть знаний является личным опытом специалистов высокого уровня (экспертов), если эти знания по каким-либо причинам слабо структурированы, такая предметная область скорее всего нуждается в экспертной системе (рис. 5.2).






Рисунок 5.2. Предметная область, пригодная для создания экспертной системы

173

систем
Существуют две основные разновидности ЭС по назначению:
для специалистов, чей профессиональный

уровень не слишком высок. В базах знаний таких ЭС хранятся знания, полученные от экспертов, используемые всякий раз, когда в этом возникнет необходимость
для специалистов высокой квалификации, выполняя для них значительную часть рутинных операций и просмотр больших массивов информации.
Особенностью является наличие в них системы объяснений, повышающей консультационную силу ЭС.
Механизм объяснения (порождение объяснений — модели аргументации и рассуждения) — часть экспертной системы, которая объясняет, каким образом были получены решения, и обосновывает действия, предпринятые для их получения.

174

систем
Экспертная система работает в двух режимах:
в режиме приобретения знаний

общение с ЭС осуществляет (через посредничество инженера по знаниям) эксперт.
в режиме консультации общение с ЭС осуществляет конечный пользователь, которого интересует результат и (или) способ его получения. Если реакция системы не понятна пользователю, то он может потребовать объяснения: "Почему система задает тот или иной вопрос?", «Как ответ системы получен?".
Условия, при которых компьютерную программу можно считать экспертом:
Программа должна обладать знаниями.
Знания должны быть сконцентрированы на определенной предметной области.
Из этих знаний должны непосредственно вытекать решения проблем.

175

систем
Основными отличиями ЭС от других программных продуктов являются:
Использование не только

данных, но и знаний, а также специального механизма вывода решений и новых знаний на основе имеющихся.
Моделирование механизма мышления человека применительно к решению задач в этой предметной области.
ЭС помимо вычислений формируют определенные соображения и выводы, основываясь на тех знаниях, которыми система располагает.
При решении задач в основном используются эвристические и приближенные методы, которые не всегда гарантируют успех.

176

систем
Отличие ЭС от других систем искусственного интеллекта:
ЭС явно выражают практическую

и коммерческую направленность, имеют дело с предметами реального мира, тогда как другие системы с «игрушечными» и абстрактными предметами.
Основная характеристика ЭС – это производительность, то есть скорость получения результата и его достоверность (надежность). В исследовательских системах ИИ не предъявляются требования к производительности и надежности. Для ЭС решение должно быть не хуже, чем то, которое нашел бы специалист.
ЭС должна обладать способностью объяснить свои решения и доказать их обоснованность.
Накопление высококачественных знаний экспертов.
Возможность использования этих знаний неспециалистами или специалистами более низкой квалификации, решающими типовые задачи.

177

систем
Требования, предъявляемые к ЭС с точки зрения пользователя:
накопление и получение

знаний в предметной области, выраженных в явной форме, чтобы они были доступными при решении конкретных задач;
адаптация к уровню подготовленности пользователя;
запоминание промежуточных и окончательных результатов решения задач и способов их получения;
возможность общения с системой на подмножестве профессионального языка пользователя;
желательность инициализации диалога самой системой;
возможность создания и ведения базы знаний и базы данных, описывающих конкретную предметную область;

178

систем
приемлемое требование к скорости принимаемого решения;
возможность принятия решения на реальной

информации, отображающей текущее состояние исследуемого объекта, в том числе с учетом его «зашумленности» и неполноты;
возможность решения узкого класса задач в конкретной предметной области и самообучение с учетом имеющейся информации об объекте;
возможность объяснения принятых решений;
наличие «доски объявлений», на которую помещаются планируемые в системе действия и представляются результаты принятых решений;
возможность интерпретации разных заданий пользователя с учетом имеющейся в базе знаний информации;
желательность проверки задания пользователя, фактов и правил базы знаний на логическую непротиворечивость.

179