Primii pa ş i într-un limbaj bazat pe reguli: CLIPS
7.2. Cum realizăm o iteraŃie?
Programarea bazată pe reguli 102
inst1: ?X = 2, ?y = 2 (suma 4) inst2: ?x = 2, ?y = 1 (suma 3)
inst3: ?x = 1, ?y = 2 (suma 3), deja existent inst4: ?x = 1, ?y = 1 (suma 1)
Un program care nu se mai termină
Modificând un singur simbol în regula aduna facem ca ea să se aplice la nesfârşit. Acest lucru se întâmplă, de exemplu, dacă în loc de fapte (suma …) am crea tot fapte (numar …):
(defrule aduna (numar ?x) (numar ?y)=> (assert (numar =(+
?x ?y))))
Bucla infinită e datorată faptului că la crearea fiecărui nou element din bază de forma (numar …), acesta va participa în atâtea activări câte fapte sunt deja în bază, ceea ce va duce la apariŃia a tot atâtea fapte noi, ş.a.m.d.
Dacă programul a intrat într-o buclă infinită, nu avem altă soluŃie decât să oprim programul prin mijloace brutale (<CTRL><C> sau <CTRL><ALT><DEL>, de exemplu).
Primii paşi într-un limbaj bazat pe reguli: CLIPS 103
=>
(retract ?r ?s)
(assert (numere $?rest) (suma =(+ ?x ?y))) )
Cum funcŃionează ea? Partea de condiŃie a regulii conŃine o secvenŃă de două şabloane. Primul verifică existenŃa în bază a unui fapt numere care e urmat de cel puŃin un simbol (să observăm că nimic în regulă nu încearcă să valideze că ceea ce urmează după simbolul numere sunt simboluri numerice; vom risca să nu ne luăm această precauŃie). CondiŃia ca lungimea şirului de numere să fie cel puŃin egală cu 1 este realizată prin variabila de şablon ?x urmată de variabila multi-câmp
$?rest. ReŃineŃi această secvenŃă, pentru că ea este comună multor operaŃii de iteraŃii pe şir. Şablonul (numere ?x $?rest) pune în evidenŃă după simbolul numere obligator un simbol, eventual şi altele. În urma confruntării, variabila simplă ?x se va lega la primul număr din secvenŃă, iar variabila multi-câmp $?y la restul lor.
Ce de-al doilea şablon caută un fapt suma şi leagă variabila ?y de suma declarată în acest fapt. Dacă aceste două condiŃii sunt îndeplinite, cele două fapte găsite sunt retrase şi înlocuite cu un fapt numere mai scurt cu o poziŃie şi, respectiv, o sumă actualizată.
Pentru orice ipostază a bazei de fapte există o unică activare, evident asociată acestei reguli, şi, datorită acestui lucru, în lipsa conflictului, regula se aplică de fiecare dată. Aceasta se întâmplă până când faptul numere nu mai conŃine nici un număr, caz în care faptul suma va conŃine rezultatul.
Calculul unui maxim
Să presupunem că ne propunem să calculăm maximul dintr-o secvenŃă de numere. Ca şi mai sus, numerele sunt definite printr-un fapt numere care simulează un vector, iar un fapt max conŃine iniŃial primul număr din secvenŃă.
Prima soluŃie este următoarea:
(deffacts initializari (numere 2 7 5 3 4) (max 2)
)
(defrule max1 “actualizeaza max”
?r<-(numere ?x $?rest) ?s<-(max ?y)
(test (> ?x ?y)) =>
(retract ?r ?s)
Programarea bazată pe reguli 104
(assert (max ?x) (numere $?rest)) )
(defrule max2 “max nu se schimba”
?r<-(numere ?x $?rest) (max ?y)
(test (<= ?x ?y)) =>
(retract ?r)
(assert (numere $?rest)) )
Regula max1 înlocuieşte faptul max cu un altul dacă primul număr din secvenŃă e mai mare decât vechiul maxim. ConstrucŃia (test …) implementează o condiŃie prin evaluarea unei funcŃii predicat. În cazul regulilor de mai sus, aceste funcŃii realizează comparaŃii. Un test este satisfăcut doar dacă expresia pe care o încorporează se evaluează la un simbol diferit de false, altfel testul nu este satisfăcut. O regulă care conŃine un test în partea stângă va fi activată doar dacă testul este satisfăcut împreună cu toate celelalte şabloane cuprinse în partea stângă. Elementul condiŃional test nu este propriu-zis un şablon pentru că lui nu îi corespunde un fapt din bază în situaŃia în care condiŃia este satisfăcută. Regula max2 verifică condiŃia complementară, situaŃie în care lasă neschimbat vechiul maxim dar elimină un element din vector. În ambele reguli înlocuirea vectorului cu unul mai scurt cu un element se face prin retragerea faptului (numere …) vechi şi asertarea altuia nou care are toate elementele, cu excepŃia primului. În toate cazurile, variabila multi-câmp $?rest se leagă la restul elementelor vectorului.
Reguli ce se activează doar când altele nu se pot aplica
Ceea ce deranjează în această soluŃie este necesitatea de a preciza atât condiŃia > cât şi pe cea complementară ≤. Următoarea variantă de program elimină testul complementar, care este unul redundant:
(deffacts initializari (numere 2 7 5 3 4) (max 2)
)
(defrule max1
(declare (salience 10)) ?r<-(numere ?x $?rest) ?s<-(max ?y)
(test (> ?x ?y))
Primii paşi într-un limbaj bazat pe reguli: CLIPS 105
=>
(retract ?r ?s)
(assert (max ?x) (numere $?rest)) )
(defrule max2
?r<-(numere ? $?rest) =>
(retract ?r)
(assert (numere $?rest)) )
Din regula max2 a dispărut şablonul care identifică elementul max din bază cât şi testul de ≤. Aşadar, cum ştim că max2 se aplică exact în cazurile în care nu se poate aplica max1? Răspuns: făcând ca max1 să fie mai prioritară decât max2.
Acesta este rostul declaraŃiei de salience din capul regulii max1. În CLIPS există 20.001 niveluri de prioritate, ce se întind în plaja –10.000 ÷ 10.000, cu certitudine mai multe decât ar putea vreodată să fie utilizate într-un program. O regulă fără declaraŃie de salience are, implicit, prioritatea 0. Valorile în sine ale priorităŃilor nu au importanŃă, ceea ce contează fiind doar priorităŃile, unele în raport cu altele. DeclaraŃiile de salience provoacă o sortare a regulilor activate la oricare pas. Făcând ca max1 să fie mai prioritară decât max2 forŃăm ca max2 să fie eliminată în faza de selecŃie care urmează filtrării, ori de câte ori se întâmplă să fie ambele active. Cum însă condiŃiile regulii max2 sunt mai laxe decât cele ale regulii max1, ori de câte ori este activă max1, va fi activă şi max2, iar prioritatea mai mare a lui max1 va face ca aceasta să fie preferată întotdeauna lui max2.
Rămâne că max2 va putea fi aplicată numai când max1 nu este activată, ceea ce ar corespunde exact condiŃiei inverse, aşa cum intenŃionam.
Exemplul arată că, pentru a face ca o condiŃie de complementaritate să poată fi realizată printr-o declaraŃie de prioritate, trebuie să facem ca regula cu prioritate mai mică să aibă o constrângere de aplicabilitate mai laxă decât a regulilor cu care intră în competiŃie. Numai în acest fel ne asigurăm că, în cazurile în care celelalte reguli nu se aplică, cea de prioritate mai mică încă îşi satisface condiŃiile pentru a putea fi aplicată. În cazul în care condiŃia aceasta nu e respectată, de exemplu cînd condiŃia implementată de regula mai puŃin prioritară este disjunctă celei implementată de regula mai prioritară, atunci controlul prin declaraŃii de prioritate este inutil, pentru că el poate fi realizat direct prin condiŃii şi, ca urmare, trebuie evitat.
Întorcându-ne la exemplul nostru, condiŃia de terminare a iteraŃiei se realizează impunând ca faptul numere să mai conŃină cel puŃin o poziŃie (variabila
?x din şablon). Doar acest lucru face ca cel puŃin una din reguli să se aplice atât cât mai există măcar un număr neprocesat.
Programarea bazată pe reguli 106
Revenind la o schemă logică imperativă
Un sistem bazat pe reguli e, în general, orientat spre alte tipuri de activităŃi decât cele ce se pretează la o soluŃie imperativă. Am insistat suficient asupra acestui aspect în capitolul 1 al cărŃii. N-ar trebui însă să înŃelegem prin aceasta că un sistem bazat pe reguli e incapabil să efectueze şi tipuri de prelucrări specifice unui sistem imperativ. Să încercăm în această secŃiune să înŃelegem cum trebuie procedat dacă am dori să utilizăm un sistem bazat pe reguli pentru a implementa o secvenŃă imperativă. MotivaŃia acestei tentative este aceea că pe parcursul rezolvării unei probleme care necesită utilizarea maşinăriei bazate pe reguli poate să apară o subproblemă care necesită o soluŃie imperativă. Cum procedăm?
Părăsim sistemul bazat pe reguli pentru a construi o procedură imperativă care să fie apelată din acesta? E şi aceasta o posibilitate, dar uneori e mai comod să gândim în maniera bazată pe reguli însăşi acea secvenŃă.
Figura 28: Decuparea de reguli dintr-o diagramă imperativă
SoluŃia imperativă a problemei de maxim este schiŃată în Figura 28. Aici, C1 este testul de terminare a iteraŃiei, C2 – cel care verifică ?x > ?y, S1 reprezintă înlocuirea lui max din bază, iar S2 semnifică scurtarea vectorului de numere cu un
iniŃializări
F
C2 ? T
F
max1
max2
T
C1 ?
S2 S1
Primii paşi într-un limbaj bazat pe reguli: CLIPS 107
element. Decuparea acestui algoritm în cele două reguli este figurată în nuanŃe diferite de gri. Într-adevăr max1 şi max2 au în comun testul C1 cu ieşire true şi secvenŃa S2, în timp ce max1 conŃine în plus secvenŃa de actualizare a lui max.
IniŃializările sunt realizate direct de declaraŃiile deffacts de includere de fapte în bază iar terminarea iteraŃiei (ieşirea din testul C1 pe FALSE) se realizează automat în momentul în care nici una dintre regulile max1 şi max2 nu-şi mai satisfac condiŃiile, lucru care se întâmplă când faptul ce conŃine numerele a ajuns la forma: (numere).
Cea de a treia soluŃie pe care o propunem îzvorăşte din observaŃia că există o anumită redundanŃă a operaŃiunilor desfăşurate în cele două reguli, manifestată în secvenŃa S2. Preocuparea de a reduce redundanŃa, în cazul de faŃă, poate părea exagerată, dar ea evidenŃiază o opŃiune ce poate deveni necesitate în alte ocazii.
Aşadar să încercăm să reducem redundanŃa din cele două reguli.
Pentru aceasta va trebui să individualizăm într-o regulă separată operaŃia comună, minisecvenŃa S2 ce conŃine decrementarea vectorului de numere. Vom introduce o secvenŃă set-rest care face acest lucru. SecvenŃierea regulilor devine acum cea din Figura 29, adică max1 ori max2 urmată de set-rest.
Figura 29: O altă diagramă de calcul al maximului
De data aceasta nu mai e posibil să umblăm la priorităŃi pentru a impune o secvenŃă, făcând de exemplu ca set-rest să aibă o prioritate mai mică atât decât max1 cât şi decât max2, pentru că stabilirea acestei secvenŃe nu se face în faza de selecŃie, ci ea Ńine de cicluri separate ale motorului. O soluŃie ar fi cea în care folosim un indicator (fanion), pe care max1 şi max2 să-l seteze, iar set-rest să-l reseteze de fiecare dată, ca în Figura 30.
max1 max2
set-rest
Programarea bazată pe reguli 108
Figura 30: Utilizarea unui fanion în calculul maximului
În secvenŃa CLIPS care urmează fanionul setat are valoarea 1 şi resetat – 0.
(deffacts initializari (numere 2 7 5 3 4) (max 2)
(fanion 0) )
(defrule max1
(declare (salience 10)) (numere ?x $?rest) ?s <- (max ?y) (test (> ?x ?y)) ?r <- (fanion 0) =>
(retract ?s ?r)
(assert (fanion 1) (max ?x)) )
(defrule max2 ?r <- (flag 0) =>
(retract ?r)
(assert (fanion 1)) )
(defrule set-rest
?r <- (numere ?x $?rest) ?s <- (fanion 1)
=>
(retract ?r ?s)
(assert (numere $?rest) (fanion 0)) )
max1 max2
set-rest
Primii paşi într-un limbaj bazat pe reguli: CLIPS 109
În acest moment simŃim nevoia să anunŃăm un rezultat şi altfel decât prin includerea în baza de fapte. Scrierea într-un fişier sau în terminal se face printr-un apel de forma:
(printout <dispozitiv-logic> <element-tipărit>*) în care:
<dispozitiv-logic> ::= t | <nume-logic>
<element-tipărit> ::= <şir de caractere> | <variabilă>
| <constantă> | crlf
Simbolul t este folosit pentru scrierea în terminal. crlf este un simbol a cărui includere într-un apel al funcŃiei de tipărire provoacă trecerea la un rând nou.
Dacă se doreşte ca ieşirea să apară într-un fişier, atunci fişierul trebuie deschis anterior printr-o comandă:
(open <nume-fişier> <nume-logic> “w”) După terminarea scrierii, fişierul trebuie închis prin comanda
(close <nume-logic>)
Cu acestea, anunŃarea maximului, pentru oricare dintre soluŃiile de mai sus, se poate face astfel:
(defrule tipareste-max (numere)
(max ?max) =>
(printout t “Maximul: “ ?max crlf) )