Программирование на языке Пролог для искусственного интеллекта

Одна из важных проблем при программировании состоит в выборе (адекватного) представления решаемой задачи в терминах понятий используемого языка программирования. В нашем случае мы можем считать, что "обезьяний мир" всегда находится в некотором состоянии, и оно может изменяться со временем. Текущее состояние определяется взаиморасположением объектов. Например, исходное состояние мира определяется так:

(1) Обезьяна у двери.

(2) Обезьяна на полу.

(3) Ящик у окна.

(4) Обезьяна не имеет банана.

Удобно объединить все эти четыре информационных фрагмента в один структурный объект. Давайте в качестве такого объединяющего функтора выберем слово "состояние". На рис. 2.12 в виде структурного объекта изображено исходное состояние.

Нашу задачу можно рассматривать как игру для одного игрока. Давайте, формализуем правила этой игры. Первое, целью игры является ситуация, в которой обезьяна имеет банан, т.е. любое состояние, у которого в качестве четвертой компоненты стоит "имеет":

состояние( _, _, _, имеет)

Второе, каковы разрешенные ходы, переводящие мир из одного состояния в другое? Существуют четыре типа ходов:

(1) схватить банан,

(2) залезть на ящик,

(3) подвинуть ящик,

(4) перейти в другое место.

Рис. 2.12. Исходное состояние обезьяньего мира, представленное в виде структурного объекта. Его четыре компоненты суть горизонтальная позиция обезьяны, вертикальная позиция обезьяны, позиция ящика, наличие или отсутствие у обезьяны банана.

Не всякий ход допустим при всех возможных состояниях мира. Например, ход "схватить" допустим, только если обезьяна стоит на ящике прямо под бананом (т.е. в середине комнаты) и еще не имеет банана. Эти правила можно формализовать в Прологе в виде трехместного отношения ход:

ход( Состояние1, М, Состояние2)

Три аргумента этого отношения определяют ход, следующим образом:

Состояние1 --------> Состояние2
 М

Состояние1 это состояние до хода, М — выполняемый ход, и Состояние2 — состояние после хода.

Ход "схватить", вместе с необходимыми ограничениями на состояние перед этим ходом, можно выразить такой формулой:

ход( состояние( середина, наящике, середина, неимеет),
 % Перед ходом
 схватить, % Ход
 состояние( середина, наящике, середина, имеет) ).
 % После хода

В этом факте говорится о том, что после хода у обезьяны уже есть банан и что она осталась на ящике в середине комнаты.

Таким же способом можно выразить и тот факт, что обезьяна, находясь на полу, может перейти из любой горизонтальной позиции P1 в любую позицию Р2. Обезьяна может это сделать независимо от позиции ящика, а также независимо от того, есть у нее банан или нет. Все это можно записать в виде следующего прологовского факта:

ход( состояние( P1, наполу, В, H),
 перейти( P1, Р2), % Перейти из P1 в Р2
 состояние( Р2, наполу, В, H) ).

Заметим, что в этом предложении делается много утверждений и, в частности:

• выполненный ход состоял в том, чтобы "перейти из некоторой позиции P1 в некоторую позицию Р2";

• обезьяна находится на полу, как до, так и после хода;

• ящик находится в некоторой точке В, которая осталась неизменной после хода;

• состояние "имеет банан" остается неизменным после хода.

Рис. 2.13. Рекурсивная формулировка отношения можетзавладеть.

Данное предложение на самом деле определяет все множество возможных ходов указанного типа, так как оно применимо к любой ситуации, сопоставимой с состоянием, имеющим место перед входом. Поэтому такое предложение иногда называют схемой хода. Благодаря понятию переменной, имеющемуся в Прологе, такие схемы легко на нем запрограммировать.

Два других типа ходов: "подвинуть" и "залезть" — легко определить аналогичным способом.

Главный вопрос, на который должна ответить наша программа, это вопрос: "Может ли обезьяна, находясь в некотором начальном состоянии S, завладеть бананом?" Его можно сформулировать в виде предиката

можетзавладеть( S)

где аргумент S — состояние обезьяньего мира. Программа для можетзавладеть может основываться на двух наблюдениях:

(1) Для любого состояния S, в которой обезьяна уже имеет банан, предикат можетзавладеть должен, конечно, быть истинным; в этом случае никаких ходов не требуется. Вот соответствующий прологовский факт:

можетзавладеть( состояние( _, _, _, имеет) ).

(2) В остальных случаях требуется один или более ходов. Обезьяна может завладеть бананом в любом состоянии S1, если для него существует ход из состояния P1 в некоторое состояние S2, такое, что, попав в него, обезьяна уже сможет завладеть бананом (за нуль или более ходов). Этот принцип показан на рис. 2.13. Прологовская формула, соответствующая этому правилу, такова:

можетзавладеть( S1) :-
 ход( S1, М, S2),
 можетзавладеть( S2).

Теперь мы полностью завершили нашу программу, показанную на рис. 2.14.

Формулировка можетзавладеть рекурсивна и совершенно аналогична формулировке отношения предок из гл. 1 (ср. рис. 2.13 и 1.7). Этот принцип используется в Прологе повсеместно.

Мы создали нашу программу "непроцедурным" способом. Давайте теперь изучим ее процедурное поведение, рассмотрев следующий вопрос к программе:

?- можетзавладеть( состояние( удвери, наполу, уокна, неимеет) ).