В последние годы наблюдается ренессанс
В последние годы наблюдается ренессанс идей логического программирования в ограничениях (CLP) в таких актуальных научных областях и дисциплинах, как интеллектуальные системы принятия решений (логические нейронные сети), компьютерная графика (декларативные сценарные модели и графические интерфейсы), экономические модели (недоопределенные вычисления), системы автоматизированного проектирования (параметрическое моделирование), информационные системы (активные базы данных и управление целостностью), семантический поиск данных (дескриптивные логики), верификация и тестирование программного обеспечения (временные логики), системы коллективной инженерии (полисиллогистический вывод) . Многие крупные индустриальные компании проявляют интерес к этой теме, а ACM признала ее одним из стратегических направлений исследований.
Вместе с тем, следует констатировать, что как технология общего назначения CLP не получило широкое распространение, а в перечисленных выше областях разрабатываются и используются специализированные языки и программные системы. Их главным недостатком и принципиальным ограничением является невозможность специфицировать и решать задачи над сложно структурированными, семантически согласованными данными — в частности, объектно-ориентированными данными, определяемыми актуальными информационными моделями и международными стандартами ISO STEP , OMG MDA , W3C Semantic Web .
Эти факторы обуславливают выработку нового системного подхода, который, с одной стороны, обеспечил бы решение широкого класса задач в ограничениях, а с другой — приблизил бы способы их постановки к популярным универсальным технологиям объектно-ориентированного моделирования. Особую привлекательность приобретает применение для этих целей универсальных языков моделирования данных EXPRESS , ODL/OQL , UML/OCL , OWL , получивших признание и распространение в широких научных и индустриальных сообществах.
В самом деле, прикладную задачу в ограничениях можно описать путем определения пользовательских типов данных и задания на них разнообразных семантических правил.
Развитые средства алгебраической спецификации правил вместе с предопределенными конструкциями для задания областей значений переменных, типов и размеров коллекций, кардинальности объектных типов, обязательности атрибутов, свойств уникальности атрибутов, условий наличия или отсутствия ассоциативных циклов позволяют сделать это относительно простым и наглядным образом.
В ряде случаев целесообразным представляется использование стандартных информационных моделей , разработанных индустриальными консорциумами для таких областей, как программная инженерия, информационные технологии, машиностроение, атомная энергетика, авиационная и космическая промышленность, судостроение, архитектура и строительство, нефтегазовый комплекс, фармацевтика. Постановка и решение задач программирования в ограничениях могут приводить к возникновению новых, индустриально значимых приложений.
К числу таких приложений можно отнести, например, задачу тестирования интероперабельности приложений, осуществляющих обмен данными и функционирующих в составе интегрированных программных комплексов, задачу управления целостностью прикладных данных в развитых вычислительных и информационных системах, использующих оптимистические модели транзакций, или задачу верификации программной модели в соответствии с подготовленными контрактными спецификациями. Во всех упомянутых случаях речь идет о формировании (или согласованной модификации) коллекций структурированных данных по заданной спецификации объектно-ориентированной модели. Полученные данные должны при этом соответствовать заданной модели и удовлетворять ее семантическим правилам.
Естественно, что универсальность и декларативность перечисленных выше языков моделирования порождает проблему алгоритмической разрешимости систем ограничений, которые специфицируются с использованием этих языков. Общими проблемами для большинства подходов являются идентификация математической задачи и выбор релевантного алгоритма решения при возможном переопределенном или недоопределенном характере системы ограничений.
Дополнительным фактором сложности, привносимым языками моделирования, является сам класс задач логического программирования в ограничениях на множествах объектно-ориентированных данных.
Данный класс, обозначаемый в дальнейшем CLP(O), предполагает дополнительную структуризацию переменных по сравнению с традиционными постановками в булевых, рациональных, вещественных числах CLP(B), CLP(Q), CLP(R) и на конечных доменах CLP(FD) соответственно. Кроме того, возможность алгебраической спецификации произвольных семантических правил приводит к необходимости совместного анализа и разрешения неоднородных ограничений, что крайне затруднительно при использовании традиционных методов, ориентированных на частные математические постановки. Наконец, задание правил на типах данных, а не только на отдельных переменных, порождает проблему формирования множества неизвестных переменных, в данном случае — коллекций объектов и элементов данных, относительно которых задача в ограничениях должна решаться.
Отметим, что как самостоятельная научная дисциплина программирование в ограничениях охватывает три направления, а именно: разрешение ограничений CSP (Constraint Satisfaction Problem) , логическое программирование в ограничениях CLP (Constraint Logic Programming) и конкурентное программирование в ограничениях CCP (Concurrent Constraint Programming) . Несмотря на особенности в постановках и методах решения задач, все три направления тесно связаны между собой. В рамках обсуждаемого подхода к OOCP мы не видим причин отказываться ни от одного из них. Применяя обозначение CLP(O), мы лишь подчеркиваем роль методов логического программирования как конструктивной основы для выстраивания перспективных вычислительных стратегий разрешения систем неоднородных ограничений, формально специфицированных на декларативных языках объектно-ориентированного моделирования данных.
В разд. 2 приводится несколько примеров постановки и решения классической математической задачи о ферзях с использованием парадигм логического, функционального и объектно-ориентированного программирования.В разд. 3 предлагаемый декларативный подход сравнивается с известными технологиями программирования в ограничениях и близкими им технологиями генерации тестовых данных с учетом контекстных ограничений. Общая вычислительная стратегия решения задач в ограничениях строится и обсуждается в разд. 4. В заключении указываются основные направления исследований для детальной алгоритмической проработки предлагаемого подхода и его практической реализации.
