写在前面：

本文章旨在介绍一种有关逻辑推理的、描述性语言 Prolog，以及其在语义网络（Semantic Web）相关领域的应用。碍于本人学识有限，部分叙述难免存在纰漏，请读者注意甄别。

参考资料：

0 准备工作

搭建开发环境

主流的 Prolog 解释器有两个：

关于他们的区别，请参考如下两篇文章及其相关内容。总的来说，两者在执行效率和提供的资源库等方面存在着些许差异，但对于初学者影响甚微。

参考：

下面，我将以 SWI Prolog 为例，为其搭建开发环境（以 MacOS 为例）。

MacOS 开发环境

  • 如果你的电脑中装有 Homebrew 等包管理器，那么可以直接在命令行中输入（以 Homebrew 为例）

    1
    brew install swi-prolog

  • 或者可以在官网下载安装版本（已支持 Apple Silicon (M1, arm64)）

  • 或者使用 Docker 命令拉取官方镜像

    1
    docker pull swipl

  • 或者通过源代码在本地编译，点击此处跳转至官方教程

一切准备工作准备就绪后，我们在 Terminal 中输入如下字符来启动 SWI Prolog 解释器：

1
swipl

1 介绍 Prolog

1.1 Prolog 的基础

与面向对象的程序设计和面向过程的程序设计不同的是，Prolog（PROgramming in LOGic）的程序是基于谓词逻辑的理论（正如我们在之前的文章中介绍的那样）。最基本的写法是定立事物与事物之间的关系，之后可以用询问目标的方式来查询各种事物之间的关系。系统会自动进行匹配及回溯，找出所询问的答案。

简单的说，它是一个会自己“思考”的语言，它可以通过搜索自己的知识库来找到问题的答案，这是其他的程序语言所做不到的。你可能在将来的软件开发工作中使用不到 Prolog，但是你有关 Prolog 的知识能够帮助你更好的使用其他的语言。

我们用如下的例子来更好的体现 Prolog 的“思考”行为：

  1. 首先，我们有一系列事实 (Facts)：

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    4
    Given 1 is a magic number
    Given 2 is a magic number
    Given 4 is a magic number
    Given 5 is a magic number

  2. 我们在这些事实的基础上，提出一个规则（Rules）：

    1
    Which two numbers can I add together that will result in 6?

    我们可以很容易地算出可能的数字组合

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    3
    4
    1,5
    2,4
    5,1
    4,2

  3. 那么我们该如何用 Prolog 语言来解决这个问题呢？

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    magicNumber(1).
    magicNumber(2).
    magicNumber(4).
    magicNumber(5).
       
    result(X,Y):-
        magicNumber(X), magicNumber(Y), plus(X,Y,6).

    运行调用结果：

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    5
    ?- result(X,Y).
    	X = 1,Y = 5 ;
    	X = 2,Y = 4 ;
    	X = 4,Y = 2 ;
    	X = 5,Y = 1 ;

从上面的例子中我们可以看出来，一个完整的 Prolog 程序是由事实 Facts、规则 Rules 和查询 Quires组成的：

  • 事实和规则被叫做 knowledge base 或者叫 database（后缀是 .pl 的文件），Prolog 的编程其实就是写 knowledge base，这些 knowledge base 就定义和保存了我们感兴趣的全部知识：
    • 事实用来储存一些知识（数据），
    • 而规则用来储存某种可以推理出来的关系；
  • 我们如何使用一个 Prolog 程序呢? 就是发起查询，就是通过向 knowledge base 中存储的数据提出问题，然后获取解释器的回答。

Prolog 解释器的提示符号是

1
?-

我们只需要在其后输入我们想要的查询（Queries）即可。

例如我们可以输入一个对于事实的查询：

1
?- magicNumber(1).

解释器向我们返回

1
true.

如果我们输入一条未经事实定义的查询，那么解释器就会向我们返回

1
2
?- magicNumber(10).
false.

在查询中，我们可以使用大写字母 来表示未知的事物，从而让解释器找到所有符合规则的结果。每个结果查询之后，如果用户输入 “;”，那么解释器将继续寻找其他的答案。

例如，我们想查询所有的 magicNumber(X)：

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5
>?- magicNumber(X).
>X = 1 ;
>X = 2 ;
>X = 4 ;
>X = 5.

注意 ⚠️

上面的两个“;”是手动输入的，当解释器找到一个答案之后，它将这个答案输出，并且等待用户的进一步输入，如果用户输入“;”，解释器将继续寻找其他的答案，如果输入的是别的符号，解释器将终止查询。

我们再看一个例子，这次我们想查询规则 result(X, Y) 的结果：

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>?- result(X,Y).
>X = 1,
>Y = 5 ;
>X = 2,
>Y = 4 ;
>X = 4,
>Y = 2 ;
>X = 5,
>Y = 1 ;
>false.

注意 ⚠️

最后的 false. 是因为，系统在输出了 Y = 1 这个答案以后，用户输入“;”，表示还想知道其他的答案，而解释器又找不到其他的答案了，于是输出 false. 来终止查询。

注意 ⚠️

我们可以在返回的结果中看到，X = 1, Y = 5 ; 和 X = 2,Y = 4 ;都出现了两次。这是因为 Prolog 是考虑顺序的，也就是说 relation(X,Y) 和 relation(Y,X) 并不等价。

1.2 Prolog 语法

前面我们说过，Prolog 编程基本由事实、规则和查询组成。接下来，我们就分别讨论他们。

事实（Facts）

我们可以将事实定义为对象之间的明确关系，以及这些对象可能具有的属性。所以事实在本质上是无条件真实的。假设我们有一些事实如下：

  • Tom is a cat
  • Kunal loves to eat Pasta
  • Hair is black

这些事实是陈述（Statement），我们必须将其视为真实的。

以下是描述事实的一些约定：

  • 属性（Properties）/关系（Relationship）的命名以小写字母开始；
  • 关系名出现在第一项；
  • 在括号内显示为 , 分隔的对象参数；
  • 对象也以小写字母开头，也可以以数字开头（如 1234），或者可以是用引号括起来的字符串，例如 color(penink, 'red').；
  • 事实以 . 作为结束。

事实的语法格式如下所示：

1
relation(obj1, obj2, ... ).

示例：

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2
3
cat(tom).
loves_to_eat(kunal, pasta).
of_color(hair, black).

规则（Rules）

我们可以将规则定义为对象之间的隐式关系。所以事实是有条件的。因此，当一个关联条件为真时，谓词也为真。

假设我们有一些规则如下：

  • Lili is happy if she dances.
  • Tom is hungry if he is searching for food.

所以这些是有条件地为真的规则，即当右边为真时，左边也为真。

规则的语法格式如下所示：

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rule_name(obj1, obj2, ...):-
	fact/rule(obj1, obj2, ...)
	
P :- Q;R.
P :- Q.
P :- R.

P :- Q,R;S,T,U.
P :- (Q,R);(S,T,U).
P :- Q,R.
P :- S,T,U.

这里的符号含义：

  • :- 的含义为“If”或“is implied by”。这也称为“neck symbol”，此符号的左手边称为头部“Head”，右侧称为身体“Body”；
  • , 的含义是连接词（Conjunction）；
  • ; 的含义是析取（Disjunction）。

2 RDF parser

RDF 通常与“语义网络”相关联，其本质是一个数据模型（Data Model）。它提供了一个统一的标准，用于描述实体/资源。简单来说，就是表示事物的一种方法和手段。RDF 形式上表示为“主-谓-宾 ”（或“资源-属性-取值 ”）三元组，有时候也称为一条声明（Statement）。其中，取值可以视为一种特殊的、确定型的资源。

在这一章节中，我们将探讨 Prolog 在 RDF 中的适用性。

2.1 解析 RDF/XML 的谓词

Prolog 解释器被设计为可以在不同的环境中运行，因此提供了不同层次模块的接口。首先我们描述在 library(rdf) 中定义的顶层，简单地将一个 RDF-XML 文件解析为一个三元组的列表。

1
?-[library(rdf)].

请注意这些并没有被断言（Assert）到数据库中，因为它不一定是用户希望推理的最终格式，而且用户希望如何处理多个 RDF 文档也不太清楚。我们可以在一个池中、在 Prolog 模块中使用全局 URI，或使用一个额外的参数。

注意 ⚠️

在如下的谓词表述中，+ 代表输入的对象，- 代表输出的对象。

读取 RDF 文件

1
load_rdf(+File, -Triples, +Options).

如上所述的谓词表述意味着读取 RDF-XML 文件 File 并返回三元组列表。选项 [Options] 定义了额外的处理选项。

当前定义的选项有：

  • base_uri(BaseURI)：

    如果提供了本地的标识符或标识符引用，则使用此 URI 进行全局化。如果 省略 或 []，则不标记本地标识符。

  • blank_nodes(Mode)：

    • 如果 Mode 是 share（默认），如果空白节点属性（即没有标识符的复杂属性）产生完全相同的三元组，则它们将被重用。如果内部描述相同，则两个描述是共享的。这意味着他们应该以相同的顺序生成相同的一组三元组。
    • 如果值是 noshare，则意味着为每个空白节点创建一个新资源。

  • expand_foreach(Boolean)：

    • 如果 Boolean 为 True，则将 rdf:aboutEach 扩展为一组三元组。

    • 默认情况下，解析器生成 rdf(each(Container), Predicate, Subject)。

  • lang(Language)：

    定义初始语言（即在元素中有一个 xml:lang 声明）。

  • ignore_lang(Bool)：

    如果为 True，则忽略文档中的 xml:lang 声明。这主要是为了与不支持语言标识符的的旧版本兼容。

  • convert_typed_literal(:ConvertPred)：

    如果解析器找到具有 rdf:datatype=Type 属性的文字，则调用 ConvertPred(+Type, +Content, -Literal)。

    内容是 XML 解析器返回的 XML 元素内容（列表）。谓词必须根据 Type 将 Literal 与 Content 的 Prolog 表示统一起来，否则如果无法进行转换则抛出异常。

    此选项有两个目的。首先，它可用于忽略类型声明以实现该库的向后兼容性。其次，它可用于将类型文字转换为有意义的 Prolog 表示。例如。如果类型是 xsd:int 或相关类型，则将‘42’转换为 Prolog 整数 42。