Краткая история развития искусственного интеллекта

1 Литературный обзор.

1. Краткая история развития искусственного интеллекта.

Искусственный интеллект (ИИ) - это область исследований, находящаяся на стыке наук, специалисты, работающие в этой области, пытаются понять, какое поведение, считается разумным (анализ), и создать работающие модели этого поведения (синтез). Практической целью является создание методов и техники, необходимой для программирования «разумности» и ее передачи вычислительным машинам (ВМ), а через них всевозможным системам и средствам.(1)

В 50-х годах исследователи в области ИИ пытались строить разумные машины, имитируя мозг. Эти попытки оказались безуспешными по причине полной непригодности как аппаратных так и программных средств.

В 60-х годах предпринимались попытки отыскать общие методы решения широкого класса задач, моделируя сложный процесс мышления. Разработка универсальных программ оказалась слишком трудным и бесплодным делом. Чем шире класс задач, которые может решать одна программа, тем беднее оказываются ее возможности при решении конкретной проблемы.(5)

В начале 70-х годов специалисты в области ИИ сосредоточили свое внимание на разработке методов и приемов программирования, пригодных для решения более специализированных задач: методов представления (способы формулирования проблемы для решения на средствах вычислительной техники (ВТ)) и методах поиска (способы управления ходом решения так, чтобы оно не требовало слишком большого объема памяти и времени).

И только в конце 70-х годов была принята принципиально новая концепция, которая заключается в том, что для создания интеллектуальной программы ее необходимо снабдить множеством высококачественных специальных знаний о некоторой предметной области. Развитие этого направления привело к созданию экспертных систем (ЭС).(6)

В 80-х годах ИИ пережил второе рождение. Были широко осознаны его большие потенциальные возможности как в исследованиях, так и в развитии производства. В рамках новой технологии появились первые коммерческие программные продукты. В это время стала развиваться область машинного обучения. До этих пор перенесение знаний специалиста-эксперта в машинную программу было утомительной и долгой процедурой. Создание систем, автоматически улучшающих и расширяющих свой запас эвристических (не формальных, основанных на интуитивных соображениях) правил - важнейший этап в последние годы. В начале десятилетия в различных странах были начаты крупнейшие в истории обработки данных национальные и международные исследовательские проекты, нацеленные на «интеллектуальные ВМ пятого поколения».(1)

Исследования по ИИ часто классифицируются, исходя из области их применения, а не на основе различных теорий и школ. В каждой из этих областей на протяжении десятков лет разрабатывались свои методы программирования, формализмы; каждой из них присущи свои традиции, которые могут заметно отличаться от традиций соседней области исследования. В настоящее время ИИ применяется в следующих областях:

1. обработка естественного языка;
2. экспертные системы (ЭС);
3. символьные и алгебраические вычисления;
4. доказательства и логическое программирование;
5. программирование игр;
6. обработка сигналов и распознавание образов;
7. и др.

1.2 Языки программирования ИИ.

1.2.1 Классификация языков и стилей программирования.

Все языки программирования можно разделить на процедурные и декларативные языки. Подавляющее большинство используемых в настоящее время языков программирования (Си, Паскаль, Бейсик и т. п.) относятся к процедурным языкам. Наиболее существенными классами декларативных языков являются функциональные (Лисп, Лого, АПЛ и т. п.) и логические (Пролог, Плэнер, Конивер и др.) языки (рис.1).

На практике языки программирования не являются чисто процедурными, функциональными или логическими, а содержат в себе черты языков различных типов. На процедурном языке часто можно написать функциональную программу или ее часть и наоборот. Может точнее было бы вместо типа языка говорить о стиле или методе программирования. Естественно различные языки поддерживают разные стили в разной степени.(1)

Процедурная программа состоит из последовательности операторов и предложений, управляющих последовательностью их выполнения. Типичными операторами являются операторы присваивания и передачи управления, операторы ввода-вывода и специальные предложения для организации циклов. Из них можно составлять фрагменты программ и подпрограммы. В основе процедурного программирования лежат взятие значения какой-то переменной, совершение над ним действия и сохранения нового значения с помощью оператора присваивания, и так до тех пор пока не будет получено (и, возможно, напечатано) желаемое окончательное значение.(2)

ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

ПРОЦЕДУРНЫЕ ЯЗЫКИ ДЕКЛАРАТИВНЫЕ ЯЗЫКИ

Паскаль, Си, Фортран, ...

ЛОГИЧЕСКИЕ ЯЗЫКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЯЗЫКИ

Пролог, Mandala... Лисп, Лого, АРЛ, ...

Рис.1 Классификация языков программирования

Логическое программирование - это один из подходов к информатике, при котором в качестве языка высокого уровня используется логика предикатов первого порядка в форме фраз Хорна. Логика предикатов первого порядка - это универсальный абстрактный язык предназначенный для представления знаний и для решения задач. Его можно рассматривать как общую теорию отношений. Логическое программирование базируется на подмножестве логики предикатов первого порядка, при этом оно одинаково широко с ней по сфере охвата. Логическое программирование дает возможность программисту описывать ситуацию при помощи формул логики предикатов, а затем, для выполнения выводов из этих формул, применить автоматический решатель задач (т. е. некоторую процедуру). При использовании языка логического программирования основное внимание уделяется описанию структуры прикладной задачи, а не выработке предписаний компьютеру о том, что ему следует делать. Другие понятия информатики из таких областей, как теория реляционных баз данных, программная инженерия и представление знаний, также можно описать (и, следовательно, реализовать) с помощью логических программ.(8).

Функциональная программа состоит из совокупности определений функций. Функции, в свою очередь, представляют собой вызовы других функций и предложений, управляющих последовательностью вызовов. Вычисления начинаются с вызова некоторой функции, которая в свою очередь вызывает функции, входящие в ее определение и т. д. в соответствии с иерархией определений и структурой условных предложений. Функции часто либо прямо, либо опосредованно вызывают сами себя.(2)

Каждый вызов возвращает некоторое значение в вызывавшую его функцию, вычисление которой после этого продолжается; этот процесс повторяется до тех пор пока запустившая вычисления функция не вернет конечный результат пользователю.

«Чистое» функциональное программирование не признает присваиваний и передач управления. Разветвление вычислений основано на механизме обработки аргументов условного предложения. Повторные вычисления осуществляются через рекурсию, являющуюся основным средством функционального программирования.(1)

1. Сравнительные характеристики языков ИИ.

На первом этапе развития ИИ (в конце 50-х - начале 60-х годов) не существовало языков и систем, ориентированных специально на области знаний. Появившиеся к тому времени универсальные языки программирования казались подходящим инструментом для создания любых (в том числе и интеллектуальных ) систем, поскольку в этих языках можно выделить декларативную и процедурную компоненты. Казалось, что на этой базе могут быть интерпретированы любые модели и системы представления знаний. Но сложность и трудоемкость таких интерпретаций оказались настолько велики, что прикладные системы для реализации были недоступны. Исследования показали, что производительность труда программиста остается постоянной независимо от уровня инструментального языка, на котором он работает, а соотношение между длиной исходной и результирующей программ примерно 1:10. Таким образом, использование адекватного инструментального языка повышает производительность труда разработчика системы на порядок, и это при одноступенчатой трансляции. Языки предназначенные для программирования интеллектуальных систем содержат иерархические (многоуровневые) трансляторы и увеличивают производительность труда в 100-ни раз. Все это подтверждает важность использования адекватных инструментальных средств.(7)

1. Языки обработки символьной информации.

Лисп.

Язык Лисп был разработан в Стэнфорде под руководством Дж. Маккарти в начале 60-х годов. По первоначальным замыслам он должен был0 включать наряду со всеми возможностями Фортрана средства работы с матрицами, указателями и структурами из указателей и т. п. Но для такого проекта не хватило средств. Окончательно сформированные принципы положенные в основу языка Лисп: использование единого спискового представления для программ и данных; применение выражений для определения функций; скобочный синтаксис языка.(4)

Лисп является языком низкого уровня, его можно рассматривать как ассемблер, ориентированный на работу со списковыми структурами. Поэтому на протяжении всего существования языка было много попыток его усовершенствования за счет введения дополнительных базисных примитивов и управляющих структур. Но все эти изменения , как правило, не становились самостоятельными языками. В новых своих редакциях Лисп быстро усваивал все ценные изобретения своих конкурентов.(2)

После создания в начале 70-х годов мощных Лисп-систем Маклисп Интерлисп попытки создания языков ИИ, отличных от Лиспа, но на той же основе, сходят на нет. Дальнейшее развитие языка идет, с одной стороны, по пути его стандартизации (Стандарт-Лисп, Франц-Лисп, Коммон Лисп), а с другой - в направлении создания концептуально новых языков для представления и манипулирования знаниями в Лисп среде. В настоящее время Лисп реализован на всех классах ЭВМ, начиная с ПЭВМ и кончая высоко производительными вычислительными системами.

Лисп - не единственный язык, используемый для задач ИИ. Уже в середине 60-х годов разрабатывались языки, предлагающие другие концептуальные основы. Наиболее важные из них в области обработки символьной информации - СНОБОЛ и Рефал.

СНОБОЛ.

Это язык обработки строк, в рамках которого впервые появилась и была реализована в достаточно полной мере концепция поиска по образцу. Язык СНОБОЛ был одной из первых практических реализаций развитой продукционной системы. Наиболее известная и интересная версия этого языка - Снобол-4 Здесь техника задания образцов и работа с ними существенно опередили потребности практики. По существу, он так и остался «фирменным» языком программирования, хотя концепции СНОБОЛа, безусловно, оказали влияние и на Лисп, и на другие языки программирования задач ИИ.

Рефал.

Язык Рефал - алгоритмический язык рекурсивных функций. Он был создан Турчиным в качестве метаязыка, предназначенного для описания различных, в том числе и алгоритмических, языков и различных видов обработки таких языков. При этом имелось в виду и использование Рефала в качестве метаязыка над самим собой. Для пользователя это язык обработки символьной информации. Поэтому, помимо описания семантики алгоритмических языков, он нашел и другие применения. Это выполнение громоздких аналитических выкладок в теоретической физике и прикладной математике, интерпретация и компиляция языков программирования, доказательство теорем, моделирование целенаправленного поведения, а в последнее время и задачи ИИ. Общим для всех этих применений являются сложные преобразования над объектами, определенными в некоторых формализованных языках.

В основу языка Рефал положено понятие рекурсивной функции, определенной на множестве произвольных символьных выражений. Базовой структурой данных этого языка являются списки, но не односвязные, как в Лиспе, а двунаправленные. Обработка символов ближе к продукционной парадигме. При этом Активно используется концепция поиска по образцу, характерная для СНОБОЛа.

Программа написанная на Рефале, определяет некоторый набор функций, каждая из которых имеет один аргумент. Вызов функции заключается в функциональные скобки.

Во многих случаях возникает необходимость из программ, написанных на Рефале, вызывать программы, написанные на других языках. Это просто, так как с точки зрения Рефала первичные функции (Функции, описанные не на Рефале, но которые тем не менее можно вызывать из программ, написанных на этом языке.) - это просто некоторые функции, внешние по отношению к данной программе, поэтому, вызывая какую-либо функцию, можно даже и не знать, что это - первичная функция.

Семантика Рефал-программы описывается в терминах абстрактной Рефал-машины. Рефал-машина имеет поле памяти и поле зрения. В поле памяти Рефал-машины помещается программа, а в поле зрения - данные, которые будут обрабатываться с ее помощью, т. е. перед началом работы в поле памяти заносится описание набора функций, а в поле зрения - выражение, подлежащее обработке.

Часто бывает удобно разбить Рефал-программу на части, которые могут обрабатываться компилятором Рефала независимо друг от друга. Наименьшая часть Рефал-программы, которая может быть обработана компилятором независимо от других, называется модулем. Результат компиляции исходного модуля на Рефале представляет собой объектный модуль, который перед исполнением Рефал-программы должен быть объединен с другими модулями, полученными компиляцией с Рефала или других языков это объединение выполняется с помощью редактора связей и загрузчиков. Детали зависят от используемой ОС.

Таким образом, Рефал вобрал в себя лучшие черты наиболее интересных языков обработки символьной информации 60-х годов. В настоящее время язык Рефал используется для автоматизации построения трансляторов, систем аналитических преобразований, а также, подобно Лиспу, в качестве инструментальной среды для реализации языков представления знаний.(7)

Пролог.

В начале 70-х годов появился новый язык составивший конкуренцию Лиспу при реализации систем, ориентированных на знания - Пролог. Этот язык не дает новых сверхмощных средств программирования по сравнению с Лиспом, но поддерживает другую модель организации вычислений. Его привлекательность с практической точки зрения состоит в том, что, подобно тому, как Лисп скрыл от программиста устройство памяти ЭВМ, Пролог позволил ему не заботится о потоке управления в программе.(8)

Пролог - европейский язык, был разработан в Марсельском университете в 1971 году. Но популярность он стал приобретать только в начале 80-х годов. Это связано с двумя обстоятельствами: во-первых, был обоснован логический базис этого языка и, во-вторых, в японском проекте вычислительных систем пятого поколения он был выбран в качестве базового для одной из центральных компонент - машины вывода.

Язык Пролог базируется на ограниченном наборе механизмов, включающих в себя сопоставление образцов, древовидное представление структур данных и автоматический возврат. Пролог особенно хорошо приспособлен для решения задач, в которых фигурируют объекты и отношения между ними.(9)

Пролог обладает мощными средствами, позволяющими извлекать информацию из баз данных, причем методы поиска данных, используемые в нем, принципиально отличаются от традиционных. Мощь и гибкость баз данных Пролога, легкость их расширения и модификации делают этот язык очень удобным для коммерческих приложений.

Пролог успешно применяется в таких областях как: реляционные базы данных (язык особенно полезен при создании интерфейсов реляционных баз данных с пользователем); автоматическое решение задач; понимание естественного языка; реализация языков программирования; представление знаний; экспертные системы и др. задачи ИИ.(9)

Теоретической основой Пролога является исчисление предикатов. Прологу присущ ряд свойств, которыми не обладают традиционные языки программирования. К таким свойствам относятся механизм вывода с поиском и возвратом, встроенный механизм сопоставления с образцом. Пролог отличает единообразие программ и данных. Они являются лишь различными точками зрения на объекты Пролога. В языке отсутствуют указатели, операторы присваивания и безусловного перехода. Естественным методом программирования является рекурсия.

Пролог программа состоит из двух частей: базы данных (множество аксиом) и последовательности целевых утверждений, описывающих в совокупности отрицание доказываемой теоремы. Главное принципиальное отличие интерпретации программы на Прологе от процедуры доказательства теоремы в исчислении предикатов первого порядка состоит в том, что аксиомы в базе данных упорядочены и порядок их следования весьма существенен, так как на этом основан сам алгоритм, реализуемый Пролог-программы. Другое существенное ограничение Пролога в том, что в качестве логических аксиом используются формулы ограниченного класса - так называемые дизъюнкты Хорна. Однако при решении многих практических задач этого достаточно для адекватного представления знаний. Во фразах Хорна после единственного заключения следует ноль и более условий.

Поиск «полезных» для доказательства формул - комбинаторная задача и при увеличении числа аксиом число шагов вывода катастрофически быстро растет. Поэтому в реальных системах применяют всевозможные стратегии, ограничивающие слепой перебор. В языке Пролог реализована стратегия линейной резолюции, предлагающая использование на каждом шаге в качестве одной из сравниваемых формул отрицание теоремы или ее «потомка», а в качестве другой - одну из аксиом. При этом выбор той или иной аксиомы для сравнения может сразу или через несколько шагов завести в «тупик». Это принуждает вернуться к точке, в которой производился выбор, чтобы испытать новую альтернативу, и т. д. Порядок просмотра альтернативных аксиом не произволен - его задает программист, располагая аксиомы в базе данных в определенном порядке. Кроме того в Прологе предусмотрены достаточно удобные «встроенные» средства для запрещения возврата в ту или иную точку в зависимости от выполнения определенных условий. Таким образом процесс доказательства в Прологе более прост и целенаправлен чем в классическом методе резолюций.

Смысл программы языка Пролог может быть понят либо с позиций декларативного подхода, либо с позиций процедурного подхода.(8)

Декларативный смысл программы определяет, является ли данная цель истинной (достижимой) и, если да, при каких значениях переменных она достигается. Он подчеркивает статическое существование отношений. Порядок следования подцелей в правиле не влияет на декларативный смысл этого правила. Декларативная модель более близка к семантике логики предикатов, что делает Пролог эффективным языком для представления знаний. Однако в декларативной модели нельзя адекватно представить те фразы, в которых важен порядок следования подцелей. Для пояснения смысла фраз такого рода необходимо воспользоваться процедурной моделью.

При процедурной трактовке Пролог-программы определяются не только логические связи между головой предложения и целями в его теле, но еще и порядок, в котором эти цели обрабатываются. Но процедурная модель не годится для разъяснения смысла фраз, вызывающих побочные эффекты управления, такие как остановка выполнения запроса или удаление фразы из программы.(9)

Для решения реальных задач ИИ необходимы машины, скорость которых должна превышать скорость света, а это возможно лишь в параллельных системах. Поэтому последовательные реализации следует рассматривать как рабочие станции для создания программного обеспечения будущих высокопроизводительных параллельных систем, способных выполнять сотни миллионов логических выводов в секунду. В настоящее время существуют десятки моделей параллельного выполнения логических программ вообще и Пролог-программ в частности. Часто это модели, использующие традиционный подход к организации параллельных вычислений: множество параллельно работающих и взаимодействующих процессов. В последнее время значительное внимание уделяется и более современным схемам организации параллельных вычислений - потоковым моделям. В моделях параллельного выполнения рассматриваются традиционный Пролог и присущие ему источники параллельности.

На эффективности Пролога очень сильно сказываются ограниченность ресурсов по времени и пространству. Это связано с неприспособленностью традиционной архитектуры вычислительных машин для реализации прологовского способа выполнения программ, предусматривающего достижение целей из некоторого списка. Вызовет ли это трудности в практических приложениях, зависит от задачи. Фактор времени практически не имеет значения, если пролог-программа, запускаемая по несколько раз в день, занимает одну секунду, а соответствующая программа на другом языке - 0.1 секунды. Но разница в эффективности становится существенной, если эти две программы требуют 50 и 5 минут соответственно.

С другой стороны, во многих областях применения Пролога он может существенно сократить время разработки программ. Программы на Прологе легче писать, легче понимать и отлаживать, чем программы, написанные на традиционных языках, т. е. язык Пролог привлекателен своей простотой. Пролог-программу легко читать, что является фактором, способствующим повышению производительности при программировании и увеличению удобств при сопровождении программ. Поскольку Пролог основан на фразах Хорна, исходный текст Пролог-программ значительно менее подвержен влиянию машинно-зависимых особенностей, чем исходные тексты программ, написанных на других языках. Кроме того в различных версиях языка Пролог проявляется тенденция к единообразию, так что программу, написанную для одной версии, легко можно преобразовать в программу для другой версии этого языка. Кроме того Пролог прост в изучении.(8)

При выборе языка Пролог как базового языка программирования в японском проекте вычислительных систем пятого поколения в качестве одного из его недостатков отмечалось отсутствие развитой среды программирования и неприспособленность Пролога для создания больших программных систем. Сейчас ситуация несколько изменилась, хотя говорить о действительно ориентированной на логическое программирование среде преждевременно.

Среди языков, с появлением которых возникали новые представления о реализации интеллектуальных систем, необходимо выделить языки, ориентированные на программирование поисковых задач.

1. Языки программирования интеллектуальных решателей.

Группа языков, которые можно назвать языками интеллектуальных решателей, в основном ориентирована на такую подобласть ИИ, как решение проблем, для которой характерны, с одной стороны, достаточно простые и хорошо формализуемые модели задач, а с другой - усложненные методы поиска их решения. Поэтому основное внимание в этих языках было уделено введению мощных структур управления, а не способам представления знаний. Это такие языки как Плэнер, Конивер, КюА-4, КюЛисп.

Плэнер.

Этот язык дал толчок мощному языкотворчеству в области ИИ. Язык разработан в Массачуссетском технологическом институте в 1967-1971гг. Вначале это была надстройка над Лиспом, в таком виде язык реализован на Маклиспе под названием Микро Плэнер. В дальнейшем Плэнер был существенно расширен и превращен в самостоятельный язык. В СССР он реализован под названием Плэнер-БЭСМ и Плэнер-Эльбрус. Этот язык ввел в языки программирования много новых идей: автоматический поиск с возвратами, поиск данных по образцу, вызов процедур по образцу, дедуктивный метод и т. д.

В качестве своего подмножества Плэнер содержит практически весь Лисп (с некоторыми модификациями) и во многом сохраняет его специфические особенности. Структура данных (выражений, атомов и списков), синтаксис программ и правила их вычисления в Плэнере аналогичны лисповским. Для обработки данных в Плэнере в основном используются те же средства, что и в Лиспе: рекурсивные и блочные функции. Практически все встроенные функции Лиспа, в том числе и функция EVAL, включены в Плэнер. Аналогично определяются новые функции. Как и в Лиспе , с атомами могут быть связаны списки свойств.

Но между Лиспом и Плэнером существуют и различия. Отметим некоторые из них. В Лиспе при обращении к переменной указывается только ее имя, например Х, сам же атом как данное указывается как ‘X. В Плэнере используется обратная нотация: атомы обозначают самих себя, а при обращении к переменным перед их именем ставится префикс. При этом префикс указывает как должна быть использована переменная. Отличается от лисповского и синтаксис обращения к функциям, которое в Плэнере записывается в виде списка не с круглыми, а с квадратными скобками.

Для обработки данных в Плэнере используются не только функции, но и образцы и сопоставители.

Образцы описывают правила анализа и декомпозиции данных и поэтому их применение облегчает написание программ и сокращает их тексты.

Сопоставители определяются также, как функции, только их определяющее выражение начинается с ключевого слова, а в качестве тела указывается образец. Их выполнение заключается не в вычислении какого либо значения, а в проверке, обладает ли сопоставляемое с ним выражение определенным свойством.

Рассмотренное подмножество Плэнера можно использовать независимо от других его частей: оно представляет собой мощный язык программирования, удобный для реализации различных систем символьной обработки. Остальные части Плэнера ориентируют его на область ИИ, предоставляя средства для описания задач (исходных ситуаций, допустимых операций, целей), решения которых должна искать система ИИ, реализуемая на Плэнере, и средства, упрощающие реализацию процедур поиска решения этих задач.

На Плэнере можно программировать описывая то, что имеется и то что надо получить, без явного указания, как это делать. Ответственность же за поиск решения описываемой задачи берет на себя встроенный в язык дедуктивный механизм (механизм автоматического достижения целей), в основе которого лежит вызов теорем по образцу. Однако только вызова теорем по образцу не достаточно для такого механизма. Необходим механизм перебора, и такой механизм - режим возвратов - введен в язык.

Выполнение программы в режиме возвратов удобно для ее автора тем, что язык берет на себя ответственность за запоминание развилок и оставшихся в них альтернатив, за осуществление возвратов к ним и восстановления прежнего состояния программы - все это делается автоматически. Но такой автоматизм не всегда выгоден, так как в общем случае он ведет к «слепому» перебору. И может оказаться так, что при вызове теорем наиболее подходящая из них будет вызвана последней, хотя автор программы заранее знает о ее достоинствах. Учитывая это Плэнер предоставляет средства управления режимом возвратов.(7)

Конивер.

Язык Конивер был разработан в 1972 году, реализован как надстройка над языком Маклисп. Авторы языка Конивер выступили с критикой некоторых идей языка Плэнер. В основном она относилась к автоматическому режиму возвратов, который в общем случае ведет к неэффективным и неконтролируемым программам, особенно если она составляется неквалифицированными пользователями. Авторы Конивер отказались от автоматического режима возвратов, считая, что встраивать в язык какие-то фиксированные дисциплины управления (кроме простейших - циклов, рекурсий) не следует и что автор программы должен сам организовывать нужные ему дисциплины управления, а для этого язык должен открывать пользователю свою структуру управления и предоставлять средства работы с ней. Эта концепция была реализована в Конивер следующим образом.

При вызове процедуры в памяти отводится место, где хранится информация, необходимая для ее работы. Здесь, в частности, располагаются локальные переменные процедуры, указатели доступа (ссылка на процедуру, переменные которой доступны из данной) и возврата (ссылка на процедуру, которой надо вернуть управление). Обычно эта информация скрыта от пользователя, а в языке Конивер такой участок памяти (фрейм) открыт: пользователь может просматривать и менять содержимое фрейма. В языке фреймы представляют специальный тип данных, доступ к которым осуществляется по указателям.

Недостаток языка в том, что хотя пользователь и получает гибкие средства управления, одновременно на него ложится трудная и кропотливая работа, требующая высокой квалификации. Язык Конивер хорош не для реализации сложных систем, а как база, на основе которой квалифицированные программисты готовят нужные механизмы управления для других пользователей.

Учитывая сложность реализации дисциплин управления, авторы языка были вынуждены включить в него ряд фиксированных механизмов управления, аналогов процедур-развилок и теорем языка Плэнер. Но в отличии от Плэнера, где разрыв между выбором альтернативы в развилке и ее анализом, а в случае необходимости выработкой неуспеха может быть сколь угодно велик, в языке Конивер этот разрыв сведен к минимуму. Этим Конивер избавляется от негативных последствий глобальных возвратов по неуспеху, когда приходится отменять предыдущую работу чуть ли не всей программы.(7)

1. Языки представления знаний.

В рамках каждого базового языка ИИ явным образом выделяются и прямое его использование, и расширение за счет пакетов функций, и создание «автономного» языка представления знаний (ЯПЗ) с последующей интерпретацией или компиляцией программ на созданном языке. Но в последнем случае базовый язык, как правило, становится инструментальным средством для реализации ЯПЗ.

Независимо от реализации ЯПЗ должен отвечать следующим требованиям:

1. наличие простых и вместе с тем достаточно мощных средств представления сложно структурированных и взаимосвязанных объектов;
2. возможность отображения описаний объектов на разные виды памяти ЭВМ;
3. наличие гибких средств управления выводом, учитывающих необходимость структурирования правил работы решателя;
4. «прозрачность» системных механизмов для программиста, т. е. возможность их до определения и переопределения на уровне входного языка;
5. возможность эффективной реализации, как программной, так и аппаратной;

Конечно, перечисленные требования во многом противоречивы. Но лишь тогда, когда в рамках разумного компромисса учтены все эти требования, создаются удачные ЯПЗ.

Среди ЯПЗ первого поколения (70-е годы) лишь некоторые сыграли заметную роль в программной поддержке систем представления знаний (СПЗ). Выделим среди них KRL, FRL, KL-ONE. Характерными чертами этих языков были: двухуровневое представление данных, представление закономерностей предметной области и связей между понятиями в виде присоединенных процедур, семантический подход к сопоставлению образцов и поиску по образцу.

KRL.

Один из самых интересных языков этой группы - KRL, в основу которого были положены следующие концепции: организация знаний в виде специально выделенных единиц с присоединенными описаниями и процедурами; наличие средств представления многоаспектного и/или неполного знания об объектах; возможность описания объектов через сопоставление их с другими объектами с учетом уточняющих описаний; наличие гибкого набора базовых средств описания стратегий вывода решений и возможность их динамического изменения. Однако KRL широко не использовался в интеллектуальных системах из-за некоторой его громоздкости и отсутствия собственных средств описания процедур. Как следствие, в KRL активно использовался Лисп. Часто нельзя было понять, имеем мы дело с KRL-программой и присоединенными Лисп-функциями или с Лисп-программой, в которой применяется KRL как способ представления данных.

FRL.

Язык FRL не самостоятельный язык, а хорошо продуманная библиотечная система над Лиспом. В FRL не предлагается принципиально новых по сравнению с KRL концепций представления знаний, но тем не менее он оказался более удобным благодаря тщательному и экономному отбору базовых алгоритмических средств, а также более простому их синтаксическому оформлению. Здесь имеются развитые средства манипулирования иерархическими списками свойств объектов, включая механизмы наследования свойств и набор присоединенных к описаниям процедур.

Для всех ЯПЗ по сравнению с традиционными языками программирования характерна существенно большая «активность» данных, что приводит к стиранию граней между декларативной и процедурной компонентами. Кроме того, реальные объемы обрабатываемых данных требуют при реализации ЯПЗ использования концепции базы данных и методов, развитых при создании СУБД. И, наконец, ЯПЗ тяготеют больше к режиму интерпретации, чем к компиляции, характерной для реализации обычных языков программирования. В области разработки и реализации ЯПЗ можно выделить три круга проблем: определение входных языков СПЗ; выбор выходного языка соответствующего транслятора и собственно проблемы этапа трансляции.

Входной язык СПЗ должен быть близок к языку предметной области и по лексике, и по синтаксису, и по семантике.

От выбора выходного языка зависит не только эффективность, но и сама возможность реализации ЯПЗ. Выходной язык должен отвечать по крайней мере следующим требованиям: иметь достаточно большой набор примитивов работы с образцами; обладать встроенными средствами эффективной поддержки рекурсии; иметь гибкие средства описания потоков управления. Кроме того, в рамках выходного языка необходимы средства отображения данных на основную и внешнюю память и удобные средства работы с этими данными. И, наконец, желательно, чтобы в нем имелись достаточно развитые средства определения новых типов данных.

В настоящее время языков программирования, где имела бы место эффективная реализация всех указанных требований, пока нет. Поэтому выбор целевого языка ЯПЗ-транслятора всегда компромисс.

На данном этапе существует сотни языков и систем представления знаний. Поэтому рассмотрим лишь некоторые особенности нескольких ЯПЗ.

RLL.

Это фреймовый язык представления знаний (представитель популярного в 70-х годах подхода «фреймы до конца», является инструментальной средой для создания специализированных ЯПЗ.

Подобно другим инструментальным средствам, RLL содержит два слоя: базисные примитивы и средства их комбинирования на более высоком уровне, чем Лисп. При этом технология конструирования специальных ЯПЗ в рамках RLL-среды сводится, как правило, к редактированию уже существующих заготовок и последующему конвертированию их в Лисп.

Учитывая последовательную ориентацию RLL на концепцию фреймов, все структуры (декларативные и процедурные), более сложные чем список значений, описываются здесь в виде фрейм-подобных RLL-элементов.

С помощью RLL-элементов описываются понятия не только предметной области, но и самой RLL-среды (например, слот, механизм наследования, структура управления и т. д.). Заранее на уровне RLL-интерпретатора или конвертора фиксируется семантика ограниченного числа системных понятий - это множества, списки, слоты и др. RLL-элементы имеют явно специфицированные родовидовые отношения, которые также являются системными понятиями, и встроенный механизм описания отношений с помощью многосвязных списков.

В RLL имеется и библиотека удачных управляющих структур, и определенные средства конструирования из них решателей, необходимых для конкретной ЭС.

Одним из основных стандартных механизмов вывода решений в RLL является agenda (управляющий список с динамической коррекцией элементов).

ART.

Этот язык демонстрирует другую парадигму «фреймы плюс продукции», характерную для начала 80-х годов. Это не только язык представления знаний, но и определенное программное окружение, включающее редакторы, отладчики, трансляторы и модули управления.

Входной язык системы ART весьма гибкий и обеспечивает использование фактов, схем, комбинаций этих понятий и правил. Декларативную компоненту этого ЯПЗ составляют факты и схемы. По определению, факт включает три основных компонента: утверждение, значение истинности и точку зрения. С каждым утверждением может быть связано одно из трех значений истинности true, false или unknown, а также определенные сферы его справедливости, которое и называется точкой зрения. Факты описываются экземплярами фреймов. Фреймы-прототипы в ART представляются схемами, каждая из которых описывает объекты и/или классы объектов с фиксированными свойствами. Механизмы наследования свойств при этом поддерживаются самой системой.

В целом язык ART погружен в Лисп-среду, так что синтаксически и фреймовые и продукционные структуры выражаются здесь как атомы, функции и списки языка Лисп. Такой подход в ART естественен, так как первоначально был реализован на Лисп-машинах. Средства описания фактов в языке ART почти полностью «отданы на откуп» Лиспу, что снижает концептуальную целостность языка , так как средства описания схем и правил здесь хотя и похожи на лисповские, но свои. В ART пользователю дается небольшой набор встроенных стратегий вывода решений и весьма ограниченный выбор из ART-действий, взаимодействующих с модулем вывода. Но в системе имеется возможность выхода в базовый язык Лисп, где программируются любые управляющие стратегии.

В полном объеме ART представляет разработчику ЭС достаточно мощные средства представления знаний, но эффективно в системе ART могут работать только квалифицированные Лисп-программисты, готовые реализовать в этом языке все процедуры поддержки ЯПЗ.

Дальнейшее развитие ЯПЗ смещается в сторону продукций. Вместе с тем в настоящее время уже редко удается классифицировать языки и системы представления знаний на шкале «фреймы - продукции - семантические сети - ...» однозначно. И хотя тот или иной формализм представления знаний накладывает в большей или меньшей степени свой отпечаток на соответствующий ЯПЗ, современные языки и системы, как правило, поддерживают несколько формализмов одновременно.

1.3 Особенности диалектов языка Лисп.

1. Диалекты Лиспа.

Маклисп.

Кроме символьной обработки Маклисп широко использовался в традиционных числовых вычислениях, применяемых , например, в обработке речи и изображений. Кроме исследователей ИИ и разработчиков алгебраической системы Максима на Маклисп оказали влияние и работы групп в МИТ по робототехнике, обработке речи и изображений. Исходя из требований, предъявляемых этими областями, в Маклисп были включены новые математические типы данных, такие как матричная и битовая обработка, а также широкий набор арифметических функций и средств. Быть может, важнейшая из них - возможность вычислений с неограниченной точностью, основывающаяся на созданных Кнутом (1969) алгоритмах.(2)

Маклисп был также первой Лисп-системой для которой создан хороший транслятор. Транслятор генерирует машинную программу в форме списков. Машинный код в виде списка легко обрабатывать и результирующий код для числовых задач получался эффективнее, чем у лучших фортрановских трансляторов.

Однако большую часть своих свойств Маклисп приобрел под влиянием стоящих перед исследователями ИИ проблем и накопленного опыта. Так в язык попали макросы чтения и таблицы чтения, позволяющие легко изменять и расширять структуру языка. Таким же образом из требований к программам и окружению возникли управляющие структуры, механизмы обработки прерываний и ошибок, а также использование управляющих символов, создан и интегрирован в систему экранный редактор, появились управление и взаимодействие параллельных процессов.

Основное внимание разработчики Маклиспа сосредоточили на эффективности. Этому служат указания, уточняющие способы обработки аргументов функций, а также экранирование от вмешательства программиста внутренних механизмов системы. За счет этих мер скорость работы Маклиспа в 1.5-2.5 раза выше, чем Интерлисп.(7)

Всего в Маклиспе используется около 400 функций. Самым большим недостатком системы является то, что ее никогда не документировали должным образом. Документация по этой системе разбросана по различным отчетам и руководствам. Маклисп был исследовательской системой и не предназначался для обучения и промышленного использования.(2)

муЛисп.

Интерпретатор Мулисп-85, разработанный для ПЭВМ серии IBM PC - удачный вариант реализации диалекта языка, включающий сравнительно ограниченный набор базовых функций (около 260) и оказавшийся в следствие этого более простым для изучения.

По сравнению с Коммон Лиспом диалект муЛисп не имеет такого широкого спектра доступных типов данных. В нем обеспечивается работа только с двумя типами числовой информации: целыми числами с любым основанием и рациональными. В диалекте отсутствуют средства работы со структурами, массивами, потоками и другими типами данных, указанная реализация языка Лисп имеет одно существенное преимущество - возможность пополнения базового набора функций путем подключения подпрограмм, написанных на языке ассемблера, что позволило повысить гибкость использования интерпретатора и эффективность прикладного программного обеспечения, создаваемого на его основе. Возможность такого пополнения отсутствует в большинстве других Лисп-систем, являющихся в этом смысле замкнутыми программными продуктами.

Среди других, вероятно, менее существенных, особенностей системы можно указать на реализацию специального механизма, позволяющего не заботиться о присваивании начальных значений литеральным атомам, получающих изначальное значение, равное «печатному» имени самого атома. Еще одной особенностью диалекта является возможность использования новой синтаксической конструкции «встроенный COND», существенно сокращающей тексты описаний функций пользователя и применяемой при записи тел функций и лямбда-выражений.(7)

Набор базовых функций муЛисп-интерпретатора включает ряд функций, обеспечивающих доступ практически ко всем функциям ОС ЭВМ через соответствующие прерывания. Наконец, указанная Лисп-сис-тема обеспечивается библиотеками Лисп-функций, дополняющими базовый набор функциями, имеющимися в диалектах Коммон Лисп и Интерлисп, что облегчает решение проблемы переносимости исходных текстов программных модулей, а также библиотеками, позволяющими выполнять манипулирование окнами на экране дисплея и обрабатывать управляющие воздействия через устройство типа «мышь». В комплект дополнительного программного обеспечения к интерпретатору входят интерактивный редактор текстов и простая обучающая система, написанные на диалекте языка муЛисп.(7)

Интерлисп.

Интерлисп появился в 1972 году из ББН-Лиспа. К 1978 году, когда вышло описание Интерлиспа, язык и система уже достаточно стабилизировались. Интерлисп уже не был языком в том же смысле, что и Маклисп или другие Лисп- системы или обычные традиционные системы программирования. Он представлял собой интегрированную среду программирования, в которую вошло множество различных вспомогательных средств. Интерлисп стал классическим примером хорошо развитых программных средств и средств в системах разделения времени.(2)

Этот диалект наряду с Коммон Лиспом один из наиболее распространенных, имеет достаточно развитый аппарат представления и манипулирования различными структурами данных, включая массивы. Среди общих особенностей данного варианта языка следует отметить использование для обозначения встроенных функций нетрадиционных имен, что порой затрудняет перенос готовых программных продуктов на другие диалекты и другие ЭВМ.(7)

В 1974 году Xerox начала разработку для Интерлиспа персональной лисповской рабочей станции под названием Alto. В реализации Лиспа для Alto впервые применили спроектированную специально для языка Лисп микропрограммируемую систему команд и мини-ЭВМ, способную с более высокой производительностью, чем универсальные ЭВМ, интерпретировать лисповские программы. Из этой машины Alto впоследствии развились Лисп-машины серии 1100 фирмы Xerox.

На основе версии Интерлиспа, работавшей в системе разделения времени, была создана совместимая снизу вверх версия Лиспа Интерлисп-де, используемая на Лисп-машинах серии 1100. В ее пользовательский интерфейс входили многооконное взаимодействие, графика с высокой разрешающей способностью, средства выбора из меню и мышь, а также ориентированный на использование экрана инспектор структур данных. Идея разделения экрана на многие независимые окна родилась в XLG. Алан Кэй уже в конце 60-х годов предложил такую идею подхода к компьютерам будущего и интерфейсу между человеком и машиной. Работа XLG привела к созданию в 70-х годах к разработке языка программирования Smolltalk и объектного программирования.

При создании Интерлиспа работа велась весьма тщательно. Система хорошо документирована и более новые версии совместимы с более ранними. Так преимуществом системы стало непрерывно пополняющееся большое количество переносимого программного обеспечения. С другой стороны, ограничение системы старым зафиксированным уже в конце 70-х годов диалектом сделало систему отчасти устаревшей и трудно расширяемой. В Интерлиспе среди прочего отсутствуют иерархические типы данных, объекты и замыкания. К тому же он базируется на динамическом связывании, тогда как новые версии Лиспа - статические. Однако из Интерлиспа берет начало новая версия - Коммон Лисп (1986). Для программирования на более высоком уровне в Интерлисп разработаны такие средства, в которых уже присутствовали объекты.

Интерлисп - столь замкнутая система, что доступна только ее оттранслированная версия в машинных кодах. В некоторых других системах, таких как, например Зеталисп, поддерживается версия Лиспа на исходном языке, которая доступна пользователю и может модифицироваться им. Развитие закрытых систем, похожих на Интерлисп, связано с ресурсами, имеющимся у создавших их лабораторий.

Интерлисп использует свыше 500 функций и большое количество системных имен и флажков, с помощью которых можно настроить и подогнать систему. Интерлисп реализован в системе разделения времени на многих больших ЭВМ.

В Интерлиспе основное внимание было уделено удобству системы для пользователя. Главный принцип разработчиков этого диалекта: все, что может иметь место в системе, должно естественно выражаться в терминах ее входного языка. Поэтому в Интерлисп программисту доступно все. Он может переопределять любые, в том числе и встроенные, функции; задавать и переопределять реакции на ошибки; работать непосредственно с уровня входного языка с внутренними структурами интерпретатора и т. д. При этом система поддерживает свою целостность и работоспособность.(7)

Франс Лисп.

Маклисп стал основой для многих новых диалектов языка Лисп, первым из которых был Франс Лисп. Эта версия Лиспа названа в честь известного венгерского композитора. Главным мотивом разработки Франс Лисп было желание получить современную Лисп-систему для новых машин VAX, чтобы на них можно было использовать систему Максима и другое лисповское программное обеспечение. Франс Лисп в довольно большой степени напоминает Маклисп, на котором первоначально была реализована Максима. Однако в диалекте отсутствуют некоторые устаревшие особенности Маклиспа и содержатся более новые системные идеи, заимствованные в то время в MIT Лисп-машин для Зеталиспа.

Новый диалект был реализован в университете в Беркли на ЭВМ VAX 780/11 на языке Си под управлением системы UNIX. Франс Лисп довольно широко используется как под управлением UNIX, так и под управлением VAX/VMS и в настоящее время является наиболее часто используемой версией Лиспа для систем разделения времени. Кроме того, он широко используется и на 32-битовых микро-ЭВМ и рабочих станциях, работающих под управлением UNIX.

Благодаря своей хорошей переносимости Франс Лисп получил распространение во многих университетах и исследовательских учреждениях. Сопровождение системы также разошлось в различных исправлениях системных ошибок, реализациях наиболее эффективных алгоритмов, а также в расширениях языка.

Зеталисп Лисп-машин.

Зеталисп также опирается на Маклисп. Он создан в 70-е годы в MIT в рамках проекта Лисп-машины, финансированного оборонным агентством. С самого начала его целью было изготовление коммерческого продукта. В 1979 году в связи с проектом родились два предприятия изготавливающие Лисп-машины: Symbolic Inc. и Lisp Machine Inc. (LMI). После этого в 80-е годы работа по развитию Зета Лиспа продолжалась в них независимо друг от друга на коммерческой основе. В какой-то мере системы отличаются друг от друга, но в части Зета Лиспа машины почти совместимы.(2)

Зета Лисп содержит следующие развитые механизмы и черты:

1. широкий выбор типов данных;
2. возможность объектно-ориентированного программирования в системе Flavor ;
3. современные управляющие структуры, динамические механизмы передачи управления сопрограммы и процессы;
4. гибкий механизм ключевых слов в лямбда-списке и многозначные функции;
5. ввод и вывод основывающийся на потоках;
6. пространства имен;
7. уже готовые функции, в том числе для сортировки, работы с линейными управлениями и матричные вычисления.

Выбор используемых в среде Зеталиспа инструментов и языков программирования зависит от поставщика, причем предлагаемый набор средств все время расширяется. Среди других языков предлагаются Фортран, Паскаль, Ада и Пролог. Для этих языков в среде Зеталиспа существуют особенно развитые программные окружения, и разработанные в них программы можно выполнять вместе с программами на Лиспе.

Готовые инструменты и прикладные разработки в большом количестве имеются для работы с ЭС, с естественным языком и речью, с реляционными базами данных, машинной графики и машинного проектирования.(2)

Коммон Лисп.

Этот диалект отличается наиболее широким представлением различных структур данных и включает около 800 встроенных функций. В этом диалекте обеспечиваются средства обработки основных классов числовой информации: целых, вещественных и комплексных. Символьные данные (литеры, литеральные атомы, строки) в Коммон Лиспе соответствуют основным возможностям других Лисп-систем. Дополнительно имеются средства обработки непечатных литер в символьных именах.

Одним из существенных преимуществ диалекта Коммон Лисп является наличие средств обработки массивов и структур, по своим возможностям не уступающих соответствующим средствам традиционных языков программирования (Фортран, Паскаль). Массивы в Коммон Лиспе могут иметь любое неотрицательное число измерений и индексируются последовательностью целых чисел. Тип компонентов массива может быть произвольным. Выделяется подкласс векторов - одномерных массивов, среди которых отдельно рассматриваются строки и битовые массивы.

Структуры Коммон Лиспа являются типом многокомпонентных записей, определяемых пользователем и имеющих именованные компоненты. Встроенное макроопределение DEFSTRUCT используется для определения структур новых типов. Для создания данных нового типа в виде структуры предусмотрены средства автоматической генерации набора функций, обеспечивающих средства манипулирования объектами этого класса.(1)

Удобным средством контроля доступа к различным переменным и функциям Лисп-программ в Коммон-Лиспе являются пакеты. Пакет - множество имен объектов, определенных и доступных в нем. Внутри пакета имена объектов подразделяются на внутренние и внешние. Первые предназначены для использования только внутри данного пакета, а вторые - для обеспечения связи с другими пакетами. Лисп-интерпретатор представляет широкий спектр средств манипулирования с пакетами. Как правило, Лисп-система имеет в своем составе четыре стандартных пакета: lisp (содержащий примитивы системы), user (умалчиваемый пакет прикладных программ и данных пользователя), keyword (содержащий ключевые слова всех встроенных функций и функций, определяемых пользователем), system (зарезервированный для системных целей).

Значительной переработке и расширению в Коммон Лиспе подверглись средства ввода-вывода и передачи информации. Для эффективной организации различных обменов с внешней средой введена концепция потоков, позволяющих осуществлять одно- и (или) двухстороннюю передачу информации. Для потоков предусмотрен набор базовых функций. В диалекте различают символьные и двоичные потоки. В первом случае передача осуществляется по байтам, а во втором - целыми числами. Кроме стандартных потоков пользователь имеет возможность создавать и использовать собственные потоки.(2)

В дополнение к указанным типам данных Коммон Лисп имеет ряд специфических классов объектов: хэш-таблицы, обеспечивающие эффективный способ доступа к данным по ключу; READ-таблицы, обеспечивающие управление обработкой информации поступающей из входного потока Лисп-системы, и некоторые другие. Такое множество имеющихся в диалекте различных типов данных, с одной стороны, развеивает существующее ошибочное представление о языке Лисп как о средстве обработки только символьной информации, а с другой - наличие мощных средств манипулирования типами данных существенно усложняет его.(7)

Этот диалект оставлен открыт: принципиальным является то, что осталась возможность в будущем, когда подойдет время и будет достигнуто согласие, добавить новые средства и методы. Эта идея как раз соответствует духу Лиспа.

Коммон Лисп не является готовой программной системой в том же смысле, что и Интерлисп, поскольку вопросы среды в основном оставлены открытыми. В стандарте не определено, каким должен быть редактор или другие вспомогательные средства. Сказано лишь в самом общем виде, каким образом они вызываются. Для того чтобы обеспечить быстрое развитие, среда и инструментальные средства еще не затронуты стандартизацией, и поэтому есть возможность создавать различные среды для различных целей. Коммон Лисп не определяет также и интерфейс пользователя.

В Коммон Лисп на современном этапе не включены даже средства объектного программирования, хотя и определены необходимые для этого базовые механизмы (замыкание и др.). Таким образом, объекты можно реализовать на Лиспе. Но уже ведется работа по стандартизации средств и форм объектного программирования.

В Коммон Лиспе много внимания уделено практическим требованиям, и, вероятно, поэтому не все его черты эстетичны и чисты. Несомненно, что и другие Лисп-системы будут использоваться в дальнейшем, и их также необходимо развивать.

Коммон Лисп предназначен не только для работы со списками или для символьной обработки, он является универсальным языком программирования, включающим в себя особенно хорошие средства для численных вычислений, управления данными и связи. На Коммон Лиспе можно с одинаковым успехом писать программы в традиционных операторном, процедурном, фразовом стиле, а также и в свойственных Лиспу стилях. В языке содержатся предпосылки для использования различных способов и стилей программирования, таких как операторное, функциональное, макропрограммирование, программирование, управляемое данными, и продукционное программирование, а также средства, необходимые для логического и объектного программирования и реализации других средств более высокого уровня.(1)

Можно смело сказать, что Коммон Лисп содержит почти все, что на сегодняшний день могут дать другие известные языки программирования, и, кроме того, он предусматривает средства для расширения языка.

1. Лисп-машины.

С наступлением 70-х годов большие системы ИИ и алгебраические системы натолкнулись на ограничения памяти и эффективности, существующие и на больших универсальных ЭВМ. Восемнадцатибитовое поле адреса широко используемых машин PDP-10/20 стало серьезным ограничением, к тому же исследователи ИИ не могли работать в системе разделения времени в дневное время из-за большой нагрузки на машины. Из этих проблем родилась идея об отдельной Лисп-машине и о маневре, который известен под названием «бегство из разделения времени». На это направление повлияло также и быстрое развитие микро-электронники в 70-х годах, сделавшее возможным проектирование и производство ориентированных на язык процессоров и персональных ЭВМ.

Первый отчет, связанный с Лисп-машинами, появился в серии изданий лаборатории ИИ MIT в 1974 году, а интегральная схема LSI была изготовлена в 1978 году. Первые промышленные Лисп-машины появились на рынке несколько лет спустя.

Часть идей, касающихся Лисп-машин, зародилась в Исследовательском центре Palo Alto фирмы Xerox и была результатом пионерских разработок в области обработки данных на персональных ЭВМ и экранно-ориентированных человеко-машинных интерфейсов. Это были объектно-ориентированный подход, а также специальные интегрированные в среду средства и методы программирования, созданные фирмами Xerox и BBN в ходе работы над Интерлиспом.(2)

Целью проектирования Лисп-машин была разработка их в виде персональных ЭВМ, которые можно было бы использовать не только для профессиональных исследований в области ИИ, но и для различных промышленных и коммерческих приложений. Разработке и их распространению помешала необходимость переноса программного обеспечения большого объема из дорогой среды больших машин.

По производительности оборудования Лисп-машины очень эффективны, кроме того, они имеют большой объем основной памяти. Их аппаратура спроектирована специально для вычислений на Лиспе. С точки зрения эффективности одной из наиболее важных особенностей является проверка типов на уровне аппаратуры, используемая в системах, происходящих из MIT.

Однако наиболее существенным преимуществом такой аппаратуры является возможность использования на Лисп-машине интегрированной программной среды. В ней наряду с самим Лиспом содержатся разнообразные программные средства. Программное обеспечение использует тысячи функций. Во многих системах помимо Лиспа доступны и другие языки (Паскаль, Ада, Си, Пролог и др.). Так, в систему можно добавить реализованные ранее на других языках части или сделать традиционное программирование более эффективным с помощью разнообразнейших средств, имеющихся на Лисп-машине.

Создание Лисп-машин дало новый толчок развитию Лиспа. Кроме высокого быстродействия (первая же Лисп-машина работала в несколько раз быстрее, чем Маклисп) и огромной виртуальной списковой памяти, достоинством Лисп-машин является и то, что для них это единственный язык программирования. На нем написаны все системные программы, начиная с ОС и кончая всевозможными препроцессорами, и программы пользователя. Такая однородность значительно упрощает как разработку самих системных компонентов, так и взаимодействие с ними. По сути дела, на Лисп-машинах стирается грань между системным и прикладным программным обеспечением. В настоящее время Лисп-машины выпускаются рядом фирм США, Японии и Западной Европы. В бывших социалистических странах также имеются положительные примеры разработки таких машин.(7)

1. Выводы.

Современные диалекты языка Лисп можно рассматривать как мощные интерактивные системы программирования. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, сам язык Лисп претерпевает серьезные изменения - развиваются средства языка, предназначенные для обработки нетрадиционных для Лиспа типов данных: массивов, векторов, матриц; появляются некоторые средства управления памятью (пакеты), отсутствующие в Лиспе. Серьезные изменения претерпевают и управляющие структуры. Появились несвойственные природе языка Лисп функции, заимствованные из Фортрана, Алгола, Паскаля, Си: Do, Loop, Goto , Case и прочие, позволяющие пользователю, незнакомому с принципами функциональных языков, легко переходить на Лисп. Качество программ снижается, зато возрастает популярность языка. Во-вторых, если на первом этапе развития Лисп-системам была присуща небольшая скорость обработки данных и серьезные ограничения на емкость используемой оперативной памяти, то современные Лисп-системы уже могут соперничать по этим параметрам с такими языками, как Си, Паскаль и др. Использование Лисп-машин вообще практически снимает ограничения памяти и быстродействия.

Для ПЭВМ ограничения по памяти и быстродействию все еще остаются существенными. Однако положение не безнадежно. Развитие Лисп-систем для ПЭВМ идет сегодня по трем различным направлениям. Первое связано с увеличением емкости памяти, которая может использоваться Лисп-системой. С этой целью ряд компаний разработал версии языка Golden Common Lisp, использующие расширения оперативной памяти и виртуальную память. Второе направление связанно с повышением быстродействия Лисп-систем. Третье направление состоит в разработке эффективных компиляторов программ с языка Лисп в традиционные языки (чаще всего в язык Си).

Положительным нововведением в современные диалекты языка можно считать псевдоассемблерные команды, которые позволяют оперировать основными регистрами машины и организовывать прерывания на уровне DOS и BIOS. Кроме того, многие Лисп-системы имеют хорошие интерфейсы с другими языками (Фортран, Паскаль, Ассемблер, Си), что позволяет повысить эффективность прикладных Лисп-программ.

Если же говорить о глобальной тенденции развития самой идеологии языка Лисп, то очевидно, что она связана с созданием объектно-ориентированных версий языка как наиболее пригодных для реализации систем ИИ.

Анализ существующих языков обработки символьной информации, использование их для реализации интеллектуальных систем, а также сравнение тенденций развития этих языков позволяют сделать несколько замечаний.

1. Можно предположить, что Лисп еще значительное время будет оставаться основным языком для реализации интеллектуальных систем.
2. Уже в ближайшее время можно ожидать появления языков, вобравших в себя лучшие черты Лиспа и др. языков программирования ИИ.
3. Наблюдается явная тенденция к созданию параллельных версий языков для программирования задач ИИ. Языки типа Лисп, Пролог, Рефал (а также всевозможные модификации и «смеси» этих и/или других языков символьной обработки) будут все больше уступать свои позиции на уровне инженеров по знаниям специальным языкам представления знаний, оставаясь инструментарием системных программистов.

На основании анализа сравнительных характеристик для изучения языка Лисп в курсе лабораторных работ по предмету «Системы искуственного интеллекта» был выбран диалект муЛисп. Выбор этого диалекта основан на следующих его особенностях:

1. Простота в изучении (благодаря небольшому набору базовых функций).
2. Близость к стандарту языка.
3. Возможность пополнения базового набора функций.
4. Дополнительные библиотеки Лисп-функций, расширяющие базовый набор функций, имеющимися в диалектах Коммон Лисп и Интерлисп, а также библиотеками, позволяющими выполнять манипулирование окнами на экране дисплея и работать с устройством «мышь».
5. Дополнительное программное обеспечение к интерпретатору: интерактивный редактор текстов и простая обучающая система.