Е.И. Большакова - Практикум на языке программирования Пролог (1109888), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

ЗАДАНИЕ 2.

ПРОЛОГ ДЛЯ ЗАДАЧ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

Постановка задачи

Разработать пролог-программу, решающую определенную вариантом задания задачу из области искусственного интеллекта с использованием методов этой области: различных алгоритмов перебора и способов ограничения перебора на основе эвристической информации (альфа-бета процедура, эвристическое отсечение ветвей дерева перебора и др.).

Требования к программе

1. В вариантах заданий, предполагающих для поиска нужного решения задачи перебор с возвратом, необходима эффективная программная реализация этого перебора.

2. Программа должна быть организована как законченная система с удобным и понятным интерфейсом, для этого следует предусмотреть:

   - повторное выполнение основных функций системы после редактирования исходных данных;

   - сохранение исходных данных во внешнем файле;

   - выдачу необходимых в текущий момент подсказок и пояснений;

   - досрочное окончание работы пользователя с системой.

3. В вариантах заданий, в которых возможно несколько различных решений (для одних и тех же исходных данных), необходимо организовать случайный выбор одного из таких решений.

Варианты задания

1. Система, отвечающая на вопросы о родственных отношениях

Основным модулем системы должна быть база знаний, в которой хранится информация о членах (не менее 15-20 человек) семьи из нескольких (не менее 4-х) поколений и родственных отношениях между ними. Системе должны быть известны не менее 12-15 различных родственных отношений. Некоторые отношения - базовые - должны быть представлены в базе явно - в виде соответствующих фактов Пролога, например, к числу базовых отношений могут быть отнесены понятия «родитель», «супруги», «мужчина» и «женщина». Важно, что к базовым отношениям могут быть сведены все остальные отношения родства, например, «внук», «дядя», «невестка». Поэтому остальные отношения должны быть представлены в базе знаний неявно, т.е. должны выводиться пролог-процедурами исходя из базовых отношений. Таким образом, база знаний должна быть дедуктивной (т.е. обладать возможностями дедуктивного вывода).

Отметим, что базовый набор отношений может быть выбран не единственным способом: например, вместо бинарного отношения «родитель» могут быть взяты отношения «мать» и «отец».

В возможности системы входят:

• ответы на запросы, которые могут быть двух видов:

1. определить для двух конкретных членов семьи, в каком родственном отношении они находятся, например: «В каком родстве Елена и Петр?»;

2. определить для заданного члена семьи, кто состоит с ним в конкретном родственном отношении, например: «Кто является тетей Ольги?» или «Кто внуки Андрея?».

• модификация в диалоге с пользователем базы знаний: введение в нее новой информации о членах семьи и коррекция старой информации.

В случае ввода новых утверждений - отношений, не являющихся базовыми, они должны быть «разложены» на более простые утверждения с помощью базового набора отношений, которые и записываются в базу знаний.

Заметим, что при вопросах первого вида, если разница поколений заданных членов семьи превышает 2 поколения, необходимо в ответе произвести синтез искомого отношения из нескольких известных системе отношений, например: «Елена - сестра внука Петра» или «Елена - сестра Николая, внука Петра».

Предполагается, что все лица (члены семьи), известные системе, имеют разные имена - это необходимо для корректной работы системы. Чтобы исключить противоречия в базе знаний, желательно, чтобы при вводе пользователем новой информации система проверяла ее на непротиворечивость по отношению к текущему состоянию базы знаний и осуществляла только ввод допустимых фактов. Например, факт «Женя - дочь Андрея» недопустим, если в базе знаний хранится информация о том, что Женя - муж Ольги.

Интерфейс с пользователем может быть организован с помощью стандартных средств: меню, форматов для ввода, или же простейшего синтаксического анализа запросов с помощью ключевых слов [Ин, с.452‑472].

Для соблюдения правил русского языка при выводе ответов на вопросы пользователя можно встроить в систему достаточно полный список имен, с указанием их именительного и родительного падежей (именно эти падежи используются в естественноязыковых фразах-вопросах указанных выше видов и ответах на них).

1. Программа синтаксического анализа предложений естественного языка

Предлагается рассмотреть некоторый ограниченный подъязык письменной речи одного из европейских языков (русский, английский, испанский и проч.).

Входящие в такой подъязык предложения состоят в общем случае из группы подлежащего (именной группы) и группы сказуемого (глагольной группы). Группа подлежащего в свою очередь состоит из артикля, нескольких прилагательных и/или числительных, а также существительного или местоимения, а группа сказуемого - из глагола в одной из личных форм и нескольких дополнений или обстоятельств в виде именных групп (с предлогом или без). Приведем пример подобного предложения: «Маленький мальчик долго играл с черной собакой в саду».

Необходимо зафиксировать структуру подъязыка с помощью некоторого обобщения контекстно-свободной грамматики [Стерлинг, с. 203-210; Клоксин, с. 234-255; Ин, с.473-488]. Грамматика должна учитывать согласование в лице и числе именной группы в роли подлежащего и глагольной группы в роли сказуемого и, возможно, согласование составных частей самой именной группы.

Построенная на базе указанной грамматики пролог-программа должна производить синтаксический анализ (разбор) поступающего на вход предложения естественного языка, а также строить и визуализировать дерево разбора этого предложения. Встроенный в программу словарь слов (или основ) выбранного естественного языка должен включать не менее 20 единиц для каждой части речи (существительное, прилагательное, глагол и т.п.) и допускать расширение. Реализацию синтаксического анализа следует осуществить эффективно, с использованием разностных списков или других разностных структур.

Можно рассмотреть усложнение рассмотренного варианта задания - создание пролог-программы, результатом синтаксического анализа которой является не дерево разбора, а эквивалентное по смыслу предложение другого естественного языка. Фактически такая программа производит перевод предложения с одного естественного языка на другой (например, с английского на французский). Для такого усложнения следует брать пару родственных языков. При выполнении задания кроме описывающей первый язык формальной грамматики потребуется также набор продукций вида: грамматическая конструкция первого языка ® грамматическая конструкция второго языка.

1. Экспертная система классификации объектов

(диагностического типа )

Назначение экспертной системы (ЭС) - проведение диалога-консультации, состоящего из нескольких вопросов к пользователю о наблюдаемых признаках некоторого объекта, и затем решение на основе ответов пользователя, к какому классу (типу, виду) принадлежит этот объект, например, на основе внешних признаков музыкального инструмента (размера, формы, наличия клавишей, струн, смычка и т.п.) система определяет вид музыкального инструмента (скрипка, балалайка, рояль и др.).

Основными модулями экспертной системы являются [Братко, с. 414-421]:

• база знаний, состоящая из продукций (правил вывода) вида:
  условие ® следствие, каждая из которых воплощает некоторый фрагмент знания, необходимый для классификации объектов (т.е. знания в конкретной проблемной области);

• механизм вывода (решатель), который осуществляет поиск решения - нужной (решающей) цепочки продукций, представляющей последовательные шаги заключения о классе объекта.

Важно, что полученное системой решение (о классе объекта) при необходимости может быть пояснено пользователю - это одна из отличительных особенностей ЭС. Для этого экспертная система должна уметь отвечать на вопросы вида «как?» и «почему?».

Вопросы «как?» (т.е. как получено указанное решение?) задаются по окончании диалога-консультации, в качестве ответа система визуализирует решающую цепочку продукций. Вопросы «почему?» (т.е. почему запрашивается этот признак?) могут быть заданы в ходе диалога, в ответ система показывает правило продукции, которое она пробует в текущий момент применить. Модуль ЭС, реализующий такие поясняющие ответы, называют подсистемой объяснения.

Вывод решения (поиск решающей цепочки) может производиться в прямом направлении: от известных фактов, т.е. наблюдаемых признаков объекта, к следствиям - заключениям о классе или подклассе объекта (так называемый прямой вывод - см. [Ин, с. 406-444] ), или же наоборот - от гипотез о возможном классе или подклассе объекта к фактам, их подтверждающим (так называемый обратный вывод - см. [Братко, с.426‑455]).

Поскольку в процессе вывода выявляются обычно недостающие для нужного заключения факты, которые необходимо запросить у пользователя, то ход диалога-консультации определяется фактически механизмом вывода и набором правил из базы знаний. В силу этого интерфейс с пользователем часто не выделяют в отдельный модуль, а относят к механизму вывода.

В качестве возможной проблемной области (области экспертизы) может быть взята классификация плодов (признаки: цвет, форма, вкус, количество косточек и проч.), грибов (признаки: цвет шляпки, толщина ножки, наличие пятен в окраске, особенности роста - отдельно, группой и проч.), пород собак (признаки: вид и длина шерсти, размер, масть, тип ушей - стоячие, лежачие и проч.), а также транспорта, оружия, бабочек, автомобилей, напитков и т.п. Мощность базы знаний должна позволять экспертной системе распознавать на менее 25 различных классов объектов по нескольким (не менее пяти) признакам.

4. Программа, составляющая головоломку крисс-кросс

Рассматриваемая головоломка крисс-крос предлагает задачу более простую, чем кроссворд, а именно: заданы набор слов и схема, подобная сетке кроссворда. В эту схему необходимо вписать все слова. Схема состоит из пересекающихся, но не соприкасающихся вертикальных и горизонтальных линий из клеток [Уэзерелл, с. 55-56], причем схема должна быть связной - см. рисунок 4.

				К
З	О	О	П	А	Р	К
Е				Б		О	С	Е	Л
Б	Е	Л	К	А		Т		Ж
Р		И		Н
А	И	С	Т
		А

Программа составления головоломки, получая на вход набор из 7-15 различных слов одного из естественных языков - русского или английского - должна построить подходящую для них схему или несколько схем. Схема построена правильно, если она связная и все слова могут быть вписаны в нее, причем допускается лишь один вариант ее заполнения, т.е. головоломка имеет единственное решение.

Если для данного списка слов не существует решения-схемы, то программа должна сообщить об этом, указав по-возможности причину неудачи (например, наличие слова, «непересекающегося» с другими словами). В остальных случаях построенная схема должна быть изображена на экране компьютера (в текстовом или графическом режиме), и по желанию пользователя может быть показано решение головоломки, т.е. заполнение схемы исходными словами.

В случаях, когда для заданного набора слов возможно несколько схем, предпочтение следует отдавать более качественным решениям, т.е. более компактным и связным схемам. Связность схем зависит от количества пересечений в ней, она может определяться как среднее или минимальное число пересечений на слово. Компактность схемы определяется площадью наименьшего объемлющего ее прямоугольника. Указанный эвристический критерий качества схемы рекомендуется формализовать тем или иным способом (возможно, в виде эвристической функции) и использовать при поиске правильных схем.

Отметим, что длина слов из заданного набора и количество слов одинаковой длины служат важным ключом как к разгадке самой головоломки, так и к написанию программы их составления. Оптимальная организация перебора вариантов схем при поиске программой правильной схемы требует установления определенного порядка, в каком будут рассматриваться слова исходного набора: имеет смысл применить эвристическое упорядочивание набора и переупорядочивание нерассмотренных слов на любом шаге поиска, а также эвристическое отсечение части вариантов схем, поскольку в иных случаях перебор может оказаться слишком большим. Проверку же требования единственности решения головоломки целесообразно проводить как можно раньше, чтобы исключить лишнюю работу (построение до самого конца вариантов схем, допускающих несколько решений головоломки).

1. Программа построения прямоугольного лабиринта

Рассмотрим лабиринты, расположенные в прямоугольной области M ´ N (5£M, N£30) и состоящие из стенок внутри и на границе этой области. Стенки являются сторонами некоторых квадратов (клеток) из покрывающей эту область равномерной сетки [Уэзерелл, с.57-58]. Лабиринты имеют один вход - на одной из сторон прямоугольной области и один выход - на противоположной стороне. Такой лабиринт может быть получен из равномерной сетки стенок в результате выбивания ровно двух граничных стенок на противоположных сторонах рассматриваемого прямоугольника и удаления некоторого количества внутренних стенок (см. рисунок 5).

Характеристики

Список файлов книги