Мифический человеко-месяц или как создаются программные системы - Брукс Фредерик

Методы экспертных систем ИИ-2 заслуживают отдельного параграфа.

Экспертные системы. Наиболее развитой и широко применяемой частью искусственного интеллекта являются экспертные системы. Многие ученые в области программирования напряженно трудятся над применением этой технологии в средах разработки программного обеспечения. [5] В чем состоит идея, и каковы перспективы?

Экспертная система — это программа, содержащая обобщенный генератор выводов и базу правил, предназначенную для приема входных данных и допущений и исследования логических следствий через заключения, выводимые из базы правил, предоставляющая заключения и рекомендации и предлагающая пользователю объяснение полученных результатов путем обратного прослеживания своих рассуждений. Помимо чисто детерминированной логики, генератор выводов обычно может работать с нечеткими или вероятностными данными.

Такие системы предоставляют некоторые явные преимущества перед запрограммированными алгоритмами решения тех же задач:

• Технология генератора выводов разрабатывается независимо от применения и используется затем во многих приложениях.

• Изменяемые части специфических для приложения данных единообразно кодируются в базе правил. Обеспечивается инструментарий для разработки, изменения, проверки и документирования базы правил. Этим упорядочивается значительная часть сложности самого приложения.

Эдвард Фейгенбаум (Edward Feigenbaum) считает, что мощь таких систем растет не благодаря совершенствованию механизмов вывода, а скорее, благодаря пополнению базы знаний, все более точно отражающей реальный мир. Я считаю, что самое важное достижение этой технологии состоит в разделении сложности приложения и самой программы.

Как можно использовать экспертные системы при создании программного обеспечения? Различными способами: предложение правил интерфейсов, рекомендации по стратегии отладки, запоминание частоты ошибок каждого типа, подсказки по оптимизации и т.п.

Представим себе, к примеру, некоего советчика по отладке. В самой зачаточной форме диагностическая экспертная система весьма напоминает памятку пилота, по сути, делая предположения относительно возможных причин затруднений. По мере развития базы правил предположения становятся более специфичными, более изощренно учитывая симптомы проблемы. Можно представить такого помощника предлагающим сначала самые общие решения, но, по мере воплощения в базе правил все большей части структуры системы, становящегося все более разборчивым в генерируемых гипотезах и предлагаемых тестах. Такая экспертная система может решительно отличаться от обычных тем, что ее база правил, вероятно, должна быть иерархически разбита на модули таким же образом, как соответствующий программный продукт. Поэтому при изменении модульной структуры продукта изменяется также модульная структура базы диагностических правил.

Работа, которую необходимо проделать для создания диагностических правил, в любом случае должна быть проведена при создании набора контрольных примеров для модулей и для системы. Если это делать достаточно общим образом, с единообразной структурой правил и при наличии хорошего генератора выводов, то можно действительно сократить объем работ при генерации контрольных примеров, а также пожизненном сопровождении и тестировании модификаций. Такие же условия мы можем поставить и для других советчиков, используемых для других участников задачи создания программы. Возможно, они будут многочисленны и иногда просты.

На пути ранней реализации полезных экспертных советников для разработчика программы стоит много препятствий. Решающей частью нашего воображаемого сценария является разработка простых способов перехода от задания структуры программы к автоматическому или полуавтоматическому созданию диагностических правил. Еще более сложной и важной является двойная задача приобретения знаний: найти членораздельно выражающихся и способных к самоанализу экспертов, понимающих, почему они делают то или другое действие, и разработать эффективные методы извлечения их знаний и превращения в базы правил. Чтобы построить экспертную систему, необходимо иметь эксперта.

Наибольшим вкладом экспертных систем, несомненно, будет предоставление неопытному программисту опыта и всех знаний, накопленных лучшими программистами. И это не мало. Разрыв между лучшими и средними приемами программирования очень велик, возможно, он больше, чем в любой другой инженерной дисциплине. Поэтому средство распространения хороших приемов было бы очень важным.

«Автоматическое» программирование. Почти 40 лет люди ждут и пишут об «автоматическом программировании» — генерации решающей задачу программы, исходя из формулировки спецификации этой задачи. Некоторые высказываются сегодня так, будто ожидают от этой технологии грядущего переворота. [7]

Парнас предполагает, что термин используется из-за эффектности, а не семантического содержания, утверждая:

Короче, автоматическое программирование всегда было эвфемизмом для программирования на языке более высокого уровня, чем доступный программисту в данный момент. [8]

Он утверждает, в сущности, что в большинстве случаев нужно задать спецификацию не задачи, а метода решения.

Можно отыскать исключения. Метод создания генераторов является очень мощным и повседневно с пользой применяется в программах сортировки. Некоторые системы интегрирования дифференциальных уравнений также позволяли прямую формулировку задачи. Система производила оценку параметров, выбирала из библиотеки методы решения и генерировала программы.

У этих применений есть свойства, благоприятствующие автоматизации:

• Проблемы легко описываются сравнительно небольшим числом параметров.

• Известно много методов решения, что обеспечивает наличие библиотеки альтернатив.

• Тщательный анализ привел к выработке явных правил выбора методов решения в зависимости от параметров.

Едва ли возможно обобщение таких методов на весь мир обычных программных систем, в котором ситуация с такими приятными свойствами являются исключениями. Трудно даже представить себе, как такой прорыв в обобщении мог бы произойти разумным образом.

Графическое программирование. Излюбленной темой докторских диссертаций в программной инженерии является графическое, или визуальное, программирование — применение компьютерной графики в разработке программного обеспечения. [9] Иногда перспективы такого подхода основываются на аналогии с проектированием СБИС, в котором компьютеры играют такую большую роль. Иногда такой подход обосновывается, исходя из того, что блок-схемы являются идеальным материалом при проектировании программ. Имеются мощные средства для создания таких блок-схем.

Ничего убедительного и удивительного из этих попыток пока не вышло, — и я уверен, не выйдет.

Во-первых, как я всюду доказываю, блок-схема является весьма слабой абстракцией структуры программы. [10] Лучше всего это видно из попыток Беркса, фон Неймана и Гольдстайна снабдить свой предполагаемый компьютер крайне необходимым управляющим языком высокого уровня. В том жалком виде — многие страницы соединенных линиями прямоугольников, — в котором сегодня разрабатываются блок-схемы, они доказали, в сущности, свою бесполезность: программисты рисуют их после, а не до создания описываемых ими программ.

Во-вторых, сегодняшние экраны имеют слишком мало пикселов, чтобы показать целиком и с достаточным разрешением сколько-нибудь подробную схему программы. Так называемая «метафора рабочего стола» становится метафорой «сиденья самолета». Всякий, кому приходилось листать пачку бумаг, будучи стиснутым двумя корпулентными соседями, почувствует разницу: одновременно можно увидеть очень немного. Настоящий рабочий стол позволяет обозревать и произвольно выбирать множество бумаг. Более того, в порыве творчества не один программист или писатель предпочитал рабочему столу более вместительный пол. Аппаратным технологиям нужно сделать очень большой наг, чтобы предоставляемый экранами обзор был достаточным для задач проектирования программ.