Дипломная работа: Интерпретатор языка Пролог

Аннотация

В рамках данного дипломного проекта разработан интерпретатор языка Пролог с визуальным вводом программы и возможностью работы с универсальными базами данных.

Настоящая пояснительная записка включает в себя описание механизма вывода в языке Пролог и роли логического программирования в развитии вычислительной техники.

Приводится описание разработанного интерпретатора, а также необходимые для работы с ним документа: требования по эксплуатации, руководство по установке, руководство пользователя, тексты программ.

Приводится расчет затрат на разработку программного продукта.

Приводится анализ опасных и вредных факторов, возникающих при эксплуатации программы интерпретатора.

Содержание

Введение.......................................................................................................... 4

1. Исследовательская часть............................................................................. 8

1.1. Роль реляционных языков в развитии вычислительной техники.......... 8

1.2. Основные механизмы дедукции............................................................ 10

1.3. Исчисление предикатов как язык для решения задач.......................... 12

1.3.1 Унификация и принцип резольвенции в исчислении предикатов...... 13

1.3.2. Методы поиска доказательства в исчислении предикатов................ 15

1.3.2.1. Исчисление предикатов при решении задач................................... 15

1.3.2.2. Стратегии перебора......................................................................... 16

1.3.2.3. Стратегии упрощения...................................................................... 17

1.3.2.4. Стратегии очищения........................................................................ 18

1.3.2.5. Формы доказательства с отфильтровыванием предшествующих вершин. 4

1.3.2.6. Стратегии поддерживающего множества......................................... 4

1.3.2.7. Стратегии упорядочения................................................................... 5

1.4. Анализ характеристик существующих интерпретаторов...................... 6

1.5. Необходимость разработки интерпретатора языка Пролог................. 8

1.6. Выбор языка программирования........................................................... 8

2. Конструкторская часть............................................................................. 10

2.1. Синтаксис программ на Прологе в нотации Бэкуса-Наура................. 10

2.2. Общая структура интерпретатора........................................................ 10

2.2.1. Принцип работы предкомпилятора................................................... 11

2.2.1.1. Работа лексического анализатора................................................... 11

2.2.1.2. Синтаксический анализатор............................................................ 12

2.2.1.3. Анализ арифметического выражения............................................. 13

2.2.1.4. Анализ параметров предикатов...................................................... 15

2.2.1.5. Проверка типов параметров............................................................ 15

2.3. Работа интерпретатора.......................................................................... 16

2.3.1. Выполнение обращений к базам данных........................................... 18

2.3.2. Вычисление арифметических выражений.......................................... 19

2.4. Объекты, используемые компилятором и интерпретатором............... 19

2.4.1. Объекты переменных TPrologVariable, TPrologVariables, TPrologVariableList, TPrologVariableStruct.................................................................................... 19

2.5.2. Стандартные функции и предикаты................................................... 21

2.6. Представление Пролог-программы в виде объектов........................... 21

2.7. Основные модули................................................................................... 23

2.8. Демонстрационная программа по выбору конфигурации компьютера. 25

3. Технологическая часть.............................................................................. 28

3.1. Требования по эксплуатации интерпретатора языка Пролог............. 28

3.2. Установка системы................................................................................. 28

3.3. Руководство пользователя программы интерпретатора языка Пролог. 29

3.3.1. Запуск программы.............................................................................. 29

3.3.2. Перечень функций, реализуемых системой....................................... 29

3.3.3. Редактирование Пролог-программы................................................. 29

3.3.4. Запуск программы на Прологе и ее отладка..................................... 34

3.3.5. Работа с меню...................................................................................... 35

3.4. Описание процесса выполнения программы, написанной на языке Пролог.    38

3.5. Общие сведенья об интерпретаторе...................................................... 39

3.6. Особенности работы Пролог-программы с базами данных................ 39

3.7. Описание стандартных предикатов....................................................... 40

3.8. Описание функций.................................................................................. 43

4. Организационно-экономическая часть.................................................... 45

4.1. Расчет затрат на разработку интерпретатора Пролог......................... 45

5. Промышленная экология и безопасность................................................ 47

5.1. Введение................................................................................................. 47

5.2. Анализ характера загрязнения окружающей среды при производстве вычислительной техники............................................................................... 48

5.2.1. Источники загрязнения....................................................................... 48

5.2.2. Очистка воздуха от вредных примесей.............................................. 50

5.3. Анализ влияния опасных и вредных факторов, при эксплуатации программы интерпретатора Пролог................................................................................ 52

5.3.1. Повышенный уровень шума на рабочем месте................................. 53

5.3.2. Опасный уровень напряжения электрической цепи, замыкание которой может произойти через человека............................................................................. 54

5.3.3. Пожарная опасность........................................................................... 55

5.3.4. Повышенный уровень электромагнитных излучений....................... 56

5.3.5 Повышенная яркость света.................................................................. 57

5.3.6. Прямая и отраженная блеклость........................................................ 58

5.3.7. Нарушение микроклимата рабочих помещений............................... 58

5.3.8. Защита от психофизиологических факторов..................................... 59

5.4. Анализ использования защитных экранов для снижения влияния опасных и вредных факторов, во время работы на автоматизированном рабочем месте......... 60

5.4.1 Основные функции защитных экранов, необходимые для снижения влияния вредных и опасных факторов, во время работы с программным средством........... 60

5.4.1.1. Защита от электростатического и электромагнитного воздействий. 61

5.4.1.2. Защита от рентгеновского излучения............................................. 61

5.4.1.3. Защита от ультрафиолетового излучения...................................... 61

5.4.2. анализ основных типов защитных экранов, которые приемлемы для снижения влияния вредных и опасных факторов, во время с программным средством.         62

5.4.2.1. Сетчатый (частичная защита зрения).............................................. 62

5.4.2.2. Стеклянный двухслойный с заземлением (частичная защита зрения, частичная защита здоровья).......................................................................................... 62

5.4.2.3. Стеклянный многослойный с заземлением (полная защита зрения, полная защита здоровья)....................................................................................................... 63

5.5. Расчет необходимого звукопоглощения, при работе с АРМ............... 63

Заключение.................................................................................................... 66

Литература.................................................................................................... 67

Приложения................................................................................................... 68

Приложение 1................................................................................................ 68

Приложение 2................................................................................................ 73

Приложение 3................................................................................................ 81

Приложение 4................................................................................................ 87

Разрабатываемый программный продукт предназначен для визуального создания, редактирования и интерпретации программ, написанных на языке Пролог с возможностью работы с универсальными базами данных.

Постоянно возрастающий объем информации, которую необходимо обрабатывать современным компьютерам предъявляет более широкие требования к современным базам данных. Если на заре развития компьютерной техники база данных была обычным файлом, который представлял собой типизированный файл, к которому можно было обращаться по абсолютному номеру записи, то сейчас база данных представляет собой интеллектуальную среду, которая включает в себя подчас несколько таблиц с данными, связанными между собой. Причем конечный пользователь из-за сложности структуры базы не знает, в каком месте файла хранятся данным, с которыми он работает. Современные базы данных обладают встроенными возможностями защиты прав доступа, а также способами поддержки целостности данных и их непротиворечивости. Это достигается за счет включения в сами базы данных отдельный частей программы, которые действуют независимо от пользовательской программы как программы-серверы. Доступ к таблицам стал значительно проще за счет использования языка SQL, который помогает быстро выбирать нужный пользователю сегмент информации из общего объема, также удалять ненужную информацию и добавлять новую.

Базы данных сейчас используются не только как обычные хранилища информации, но и как хранилища знаний. Поэтому появляется новое требование к базам данных, которое пришло от баз знаний, - это возможность логического вывода новых знаний из уже известных, а также работа в режиме экспертной системы.

В самом узком смысле термин экспертная система используется для описания одной из небольшого числа программ, разработанных общепризнанными специалистами в инженерии знаний. Назначение этих программ состоит в воспроизведении возможности решения задач, которыми обладает эксперт. Большинство экспертных систем не может полностью заменить человека. Такие системы используются для повышения эффективности работы и расширения знаний персонала средней квалификации.

В широком смысле экспертная система - это любая программа, применяемая для экспертных консультаций. Данное определение охватывает все программы, используемые в качестве экспертных систем, не учитывая того момента, что истинные эксперты могли и не участвовать в создании этих программ.

В любой системе экспертных консультаций обязательно должны иметься следующие три компоненты:

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.

1.1 Роль реляционных языков в развитии вычислительной

техники

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.

1.2 Основные механизмы дедукции

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.

Однако системы, основанные на прямой цепочке рассуждений, существуют. Любая такая система имеет дополнительный механизм (иногда весьма специфичный в зависимости от проблемы) для того, чтобы определить, с каким следующим правил ей предстоит работать. Вместо простого цикла, который механически выбирает правила, механизм выбора четко устанавливает приоритет выбора тех или иных фактов и правил.

Рассмотрим теперь иной способ получения логического вывода на основе фактов и правил. Начнем с заключения, которое представляет для нас интерес и не является явным истинным фактом. Оно не находится среди хранимых фактов, когда мы запускаем систему.

Механизм вывода просматривает все правила, которые приводят к данному факту как к заключению. Затем механизм просматривает посылки этих правил. Возможно, они уже хранятся среди истинных фактов. Тогда можно считать, что изучаемых факт является истинным и должен быть курсовые - 700 р.
Работы, похожие на Дипломная работа: Интерпретатор языка Пролог