1. язык представления знаний, с помощью которого можно интуитивно представить знания о сложной области;
2. стратегия решения задач, позволяющая выполнять действия с представленными знаниями столь же компетентно, как это делают эксперты-люди;
3. интерфейс с пользователем, обеспечивающий естественность и удобство доступа к знаниям, которыми обладает программа, и способный объяснять свои ответы, как неопытным пользователям, так и пользователям-экспертам[1].
Традиционным языком в создании экспертным систем является язык Пролог. Это классический язык логического программирования. Он имеет встроенный механизм вывода, основанный на принципе резолюций, помогающий формально обращаться со знаниями. Кроме того, язык Пролог является реляционным языком программирования, то есть оптимально приспособлен для работы с реляционными базами данных. Так как Пролог оперирует правилами, программисту не нужно задумываться над программированием последовательности действий для машины, как это делается при программировании на процедурных языках. Программист просто составляет совокупность правил, описывающую данную предметную область, а Пролог выполняет составленную программу, используя алгоритм бэктрекинга.
Как указывалось ранее, немаловажным в экспертной системе является интерфейс с пользователем как профессионалам в данной предметной области, так и непрофессионалом. Вследствие этого, интерфейс с человеком должен осуществляться на естественном языке. Так как Пролог является декларативным языком и основан на исчислении высказываний, то на нем достаточно несложно можно написать обработку естественного языка.
Актуальным вопросом всегда был вид представления знаний. Изначально в Прологе база знаний хранилась в текстовом файле в формате языка Пролог, который загружался в память, и компилировался во время исполнения программы. Это было явным недостатком Пролога, так как ведение такой базы знаний возможно только человеком и только вручную, то есть, используя только текстовый редактор, а не какую-то специализированную программу. Это ограничивало возможности применения Пролога. Кроме этого, еще одним ограничением было то, что Прологу приходилось загружать в память всю базу знаний. То есть, если оперативной памяти компьютера не хватало, то программа не могла работать.
Подключение к Прологу универсальных баз данных позволяет снять эти два ограничения. Универсальными базами данных могут пользоваться другие программы, которые специализированы для ввода того или иного формата представления знаний. Таким образом, увеличивается скорость и качество ввода знаний. Более того, знания могут добавляться прямо по ходу выполнения Пролог-программы. Становится возможным поступление данных сразу с разных точек (с разных компьютеров).
Также использование баз данных позволяет снять ограничение на объем оперативной памяти компьютера, так как менеджер баз данных грузит в память только те данные, которые требуются в настоящий момент, а не все сразу. Также не нужна компиляция знаний во время выполнения программы, так как они уже находятся в нужном формате. Использование баз данных замедляет скорость работы программы, так как ей приходится обращаться к диску за данными, но менеджер баз данных позволяет уменьшить это замедление за счет кэширования данных и опережающего чтения.
Разрабатываемая система позволяет снять высокие требования к объему памяти компьютера, так как использует универсальные базы данных. Теперь база знаний может храниться в файле базы данных и загружаться в память компьютера по необходимости. Использование баз данных позволяет работать с одной базой знаний нескольким программам, а также предоставляется возможность удобного редактирования базы с помощью других программ. Загрузка и поиск записей в БД возложена на операционную систему, которая централизовано и эффективно распределяет доступ к базам данных для нескольких программ, а также за счет встроенного кэширования позволяет снизить зависимость скорости выполнения программы от скорости работы диска.
Система содержит интегрированную среду разработчика, которая предоставляет широкие возможности по визуальному вводу, редактированию и отладке программы на Прологе.
В настоящее время растет круг практических систем, использующих достижения искусственного интеллекта на современных ЭВМ, появились престижные проекты создания ЭВМ новых поколений, в которых интеллектуальный интерфейс с конечным пользователем (непрофессионалом в информатике) является центральным элементом. В японском проекте создания ЭВМ пятого поколения язык Пролог прямо называется базовым языком программирования[5].
Близость Пролога к конечному пользователю объясняется тем, что он является декларативным языком. Чтобы задать определенную последовательность действий, приводящих к решению задачи, в программе на Прологе необходимо описать ее содержание в терминах объектов и отношений между ними. Таким образом, вместо алгоритма решения задачи, программист составляет ее логическую спецификацию.
Что же касается построения алгоритма, то это автоматически выполняется самой Пролог-системой с помощью встроенного механизма вывода. При этом цель решения задачи представляется в виде запроса к базе знаний, в которой содержится описание предметной области задачи. Для поиска в базе данных значений, требуемых в запросе, Пролог-система инициирует механизм вывода. Таким образом, вычисления в Прологе представляют собой процесс дедукции, направленный на построение доказательства целевого утверждения задачи.[1]
Семантика языка Пролог значительно отличается от семантики других языков программирования. Вообще, языки программирования можно разбить на три широкие категории в соответствии с природой семантики этих языков:
· Процедурные языки;
· Функциональные языки;
· Реляционные языки.
Смысл конструкции процедурного языка определяется в терминах поведения компьютера при выполнении этой конструкции. В функциональном языке смысл конструкции (например, вызов функции) определяется в терминах значения, которое она вырабатывает. А в реляционном языке – отношение между отдельными сущностями или классами сущностей. Таким образом, процедурные языки можно назвать языками низкого уровня, так как они дают картину мира, близкую к взгляду на мир с позиций компьютера. Языки же высокого уровня обеспечивают взгляд на мир, приближающийся к картине мира, представленной в спецификации задачи. При использовании идеального реляционного языка становится возможным написание программы, структурно изоморфной по отношению к своей спецификации, то есть для каждой вариации формы спецификации будет существовать соответствующая вариация формы программы.
Хотя Пролог и далек от идеального реляционного языка, он в то же время достаточно близок к такому языку. Это позволяет программисту воспользоваться упомянутыми выше преимуществами идеальных реляционных языков. Программист может мыслить в терминах структуры отношений, не заботясь о точности их трансляции в программу. То есть данный язык позволяет работать специалисту на высоком концептуальном уровне.[1]
Возможны три точки зрения программиста на Пролог-программу.
1. Реляционный подход. При этом программа рассматривается как множество взаимоопределенных, возможно очень сложных, взаимоотношений. Реляционный подход пригоден в том случае, когда хорошо известна структура предметной области. Процесс программирования при этом сводится к аксиоматическому определению каждого отношения. Входной и выходной потоки, а также поведение программы являются результатами действия запросов к отношению. Если отношение реализовано корректно, то будут правильными также входной и выходной потоки.
2. Подход к программе с позиций потока данных. Такой взгляд на программу уместен, когда известна природа выходного потока (то есть множество ответов). При программировании реализуется такая внутренняя структура программы, которая создает желаемый выходной поток. Если важен порядок следования ответов в выходном потоке, то при построении программы следует в явной форме учитывать процедурные факторы.
3. Поведенческий подход к программе. Поведенческий подход пригоден тогда, когда известно лишь желаемое поведение программы. Процесс программирования связан с построением такой внутренней структуры программы, которая обеспечит заданное поведение. При разработке такой программы следует обязательно учитывать процедурные факторы и влияние побочных эффектов.
Эти три подхода не являются взаимоисключающими, они представляют собой разные способы мышления в процессе программирования. С точки зрения стиля программирования рекомендуется применять либо реляционный подход, либо подход к программе с позиций потока данных, а к поведенческому следует прибегать лишь в случае крайней необходимости. Причина заключается в том, что программы, при составлении которых применялся поведенческий подход, почти всегда трудно читать, сопровождать и переводить с одной версии Пролог на другую.
Существуют два метода логического вывода, называемые прямой цепочкой рассуждений и обратной цепочкой.
Прямая цепочка рассуждений предполагает использование правил для логического вывода новых фактов, а также фактов, которые имплицитно существовали ранее, но могут быть сделаны явными посредством применения правил. То есть механизм вывода работает для пополнения изначального запаса истинных фактов фактами, которые подразумеваются посредством набора правил. Подобная прямая цепочка рассуждений на практике неприменима: в системе с реальным числом правил имеется столь много подразумеваемых (скрытых) фактов, что, будучи обнаружены, они затмят те несколько фактов, которые действительно представляют интерес и являются полезными.