Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán “Điện một chiều” ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TIỂU LUẬN MÔN CÔNG NGHỆ TRI THỨC BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG VÀO GIẢI BÀI TOÁN “ĐIỆN MỘT CHIỀU” Giảng viên hướng dẫn : GS.TSKH Hoàng Kiếm Học viên thực hiện : Nguyễn Thị Ngọc Diễm CH1101075 Nguyễn Thị Thu Trang CH1101147 Lớp : Cao học khóa 6 1 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán “Điện một chiều” TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012 Mục Lục Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề biểu diễn tri thức Như ta đã biết con người sống trong môi trường có thể nhận biết được thế giới nhờ các giác quan và sử dụng tri thức tích lũy được và nhờ khả năng lập luận, suydiễn, con người có thể đưa ra các hành động hợp lý cho công việc mà con người đang làm.Trong khi đó mục tiêu của trí tuệ nhân tạo ứng dụng là thiết kế các tác nhân thông minh (Intelligent Agent) cũng có khả năng đó như con người. Tác nhân thông minh là bất cứ cái gì có thể nhận thức được môi trường thông qua các bộ cảm nhận (sensors) và đưa ra hành động hợp lý đáp ứng lại môi trường thông qua bộ phận hành động (effectors). Ví dụ: robots, softrobot (software robot), các hệ chuyên gia, là các tác nhân thông minh.Chính vì vậy, muốn xây dựng một trí thông minh nhân tạo, ta cần phải có các phương pháp đưa tri thức vào máy tính được gọi là biểu diễn tri thức. Tri thức đóng vai trò rất quan trọng đối với khả năng của một chuyên gia. Trong khoa học Trí tuệ nhân tạo, để xây dựng các hệ chuyên gia và hệ giải các bài toán dựa trên tri thức, người ta phải thiết kế một cơ sở tri thức cho hệ thống và một động cơ suy diễn để giải quyết vấn đề dựa trên tri thức. Quá trình nghiên cứ phát triển các phương pháp biểu diễn tri thức và cơ chế suy luận có ý nghĩa rất lớn về lý thuyết cũng như ứng dụng của Khoa học máy tính, đặc biệt là khoa học Trí tuệ nhân tạo. Các hệ chương trình dựa trên biểu diễn tri thức cần phải [7]: Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán “Điện một chiều” - Cho phép kiểm tra quá trình suy luận bao gồm việc thể hiện cụ thể các bước giải bài toán và trả lời hay giải thích cho quá trình giải. - Cho phép hiệu chỉnh và cập nhật cơ sở tri thức như thêm, bớt, thay thế trong cơ sở chi thức. - Sử dụng các Heuristic trong việc suy luận giải bài toán nhằm tìm cách giải nhanh, ngắn và lời giải tốt nhất có thể Ngoài ra các hệ giải toán trong giáo dục còn đòi hỏi một lời giải tốt phù hợp với cách suy nghĩ và cách viết bình thường của con người, càng tự nhiên càng tốt. Một hệ giải bài toán dựa trên tri thức là một hệ giải toán thông minh có thể giải được các dạng toán tổng quát trong một miền tri thức nào đó, trong đó nó có một cơ sở tri thức và một bộ phận thực hiện suy luận giải toán trong phạm vi tri thức của hệ thống. Theo cách khái quát thì, “biểu diễn tri thức là thể hiện các mô tả về thế giới bên ngoài dưới dạng sao cho các máy thông minh có thể đưa tới những kết luận về môi trường quanh nó, trên cơ sở một cách hình thức các mô tả này”, “thể hiện tri thức là phương pháp dùng để mã hóa tri thức trong cơ sở tri thức của hệ thống” [5]. Trong quá trình xây dựng cơ sở tri thức, người lập trình phải chọn lựa các đối tượng và các quan hệ thích hợp trong miền tri thức và thực hiện một phép ánh xạ chúng trên một ngôn ngữ hình thức. Từ đó chương trình sẽ có đủ kiến thức cho việc giải quyết các bài toán trong phạm vi kiến thức được biểu diễn. 3 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán “Điện một chiều” Tri thức và suy diễn là hai thành phần trong bất kỳ một hệ dựa trên tri thức nào. Phương pháp biểu diễn tri thức sẽ quyết định phương pháp suy diễn tương ứng, nhưng ngược lại phương pháp suy diễn chỉ có thể phù hợp cho một phương pháp biểu diễn tri thức nhất định. Để máy tính có thể sử dụng được tri thức, có thể xử lý được tri thức, chúng ta cần phải biểu diễn tri thức dưới dạng thuận tiện cho máy tính. Đó là mục tiêu của biểu diễn tri thức. Có nhiều phương pháp biểu diễn tri thức khác nhau với những ưu nhược điểm nhất định, thường được phân chia thành 4 phương pháp [6] : - Các phương pháp biểu diễn tri thức dựa trên logic hình thức : Các phương pháp này sử dụng các biểu thức logic hình thức để diễn đạt các sự kiện và các luật trong cơ sở tri thức. Các thủ tục sẽ chứng minh áp dụng kiến thức vào các bài toán cụ thể. Phép tính logic vị từ cấp 1 được sử dụng phổ biến nhất ( PROLOG là ngôn ngữ lập trình hỗ trợ tốt nhất cho phương pháp này). - Các phương pháp biểu diễn tri thức thủ tục : Biểu diễn tri thức như là một tập hợp các chỉ thị dùng cho việc giải quyết các bài toán. Trong nhiều hệ chuyên gia ứng dụng các chỉ thị như thế thường được thể hiện bởi một tập các luật đẫn có dạng “if then ” - Các phương pháp biểu diễn tri thức dạng mạng : Biểu diễn mạng nắm bắt kiến thức như là một đồ thị trong đó các đỉnh biểu diễn cho các khái niệm hay các đối tượng và các cạnh biểu diễn các quan hệ hay những sự kết hợp nào đó giữa các đối tượng và các khái niệm. Phổ biến trong phương pháp này là các mạng ngữ nghĩa và các đồ thị khái niệm. o Ưu điểm:  Cho phép biểu diễn một cách trực quan các sự kiện và các mối liên hệ giữa chúng.  Tính mô đun cao theo nghĩa các tri thức mới được thêm vào hoàn toàn độc lập với các tri thức cũ.  Là ngôn ngữ biểu diễn dạng mô tả.  Có thể áp dụng một số cơ chế suy diễn trên mạng: cơ chế truyền và thừa hưởng thông tin giữa các đối tượng (tính kế thừa), cơ chế “cháy” trên mạng. o Nhược điểm: Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán “Điện một chiều”  Không có một phương pháp suy diễn chung nào cho mọi loại mạng ngữnghĩa.  Khó kiểm soát quá trình cập nhật tri thức để dẫn đến mâu thuẫn trong cơ sở tri thức. - Các phương pháp biểu diễn cấu trúc : Các ngôn ngữ biểu diễn cấu trúc cho phép sử dụng các cấu trúc dữ liệu phức tạp và các cấu trúc trừu tượng trong biểu diễn. Ví dụ như frame và object. - Khi xây dựng một cơ sở tri thức cho chương trình, người thiết kế và lập trình phải vận dụng một cách linh hoạt sáng tạo các phương pháp biểu diễn tri thức cơ bản trên để phù hợp với những khái niệm, quy luận, liên hệ khác nhau trong tri thức. 5 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán “Điện một chiều” 1.2 Vấn đề suy diễn tự động Cùng với vấn đề biểu diễn tri thức, suy diễn tự động để giải quyết các bài toán dựa trên tri thức cũng là vấn đề quan trọng. Các phương pháp duy diễn tự động nhằm vận dụng kiến thức đã biết trong quá trình lập luận giải quyết vấn đề trong đó quan trọng nhất là các chiến lược điều khiển giúp phát inh những sự kiện mới từ các sự kiện đã có. Các kỹ thuật suy diễn tự động được khái quát thành một số phương pháp sau [7]: - Phương pháp hợp giải trong biểu diễn tri thức dưới dạng vị từ. Trong phương pháp biểu diễn logic hình thức ta sử dụng các luật suy diễn như luật “Modus Ponens”, “Modus Tollens”, “tam đoạn luận” - Phương pháp suy diễn tiến (Forward Chaining) : “Chiến lược suy luận được bắt đầu bằng tập đã biết, rút ra được các sự kiện mới nhờ dung các luật mà phần giả thiết khớp với sự kiện đã biết, và tiếp tục quá trình nàu cho đến khi thấy trạng thái đích, hoặc cho đến khi không còn luật nào khớp được các sự kiện đã biết hay được sự kiện suy luận” - Phương pháp suy diễn lùi (Backward Chaining) : Phương pháp này được tiến hành bằng cách truy ngược từ mục tiêu cần đạt được trở về phần giả thiết của bài toán bằng cách áp dụng các luật trong cơ sở tri thức. Quá trình suy diễn lùi này sẽ phát sinh một sơ đồ cây mục tiêu kèm theo một cư chế quay lui và lời giải sẽ được tìm thấy khi tất cả mục tiêu ở các nút là của cây mục tiêu đều thuộc về những sự kiện đã biết. - Kết hợp suy diễn tiến và suy diễn lùi : Mỗi phương pháp suy diễn tiến và lùi đều có ưu nhược điểm của nó. Việc kết hợp 2 phương pháp này một cách thích hợp sẽ cho ta một phương pháp suy diễn hiệu quả trong các ứng dụng cụ thể. 1.3 Phần mềm toán học Maple Phần mềm Maple là một phần mềm đại số tính toán (Computer Algebra) khá mạnh trong đó không chỉ hỗ trợ các tính toán về số mà cả các tính toán ký hiệu, tính toán hình thức (Symbolic Computation). Nó có một nhân tính toán rất mạnh và một hệ thống như viện tính toán gồm nhiều gói chương trình (package) cho các phần tính toán toán học khác nhau như đại số tuyến tính, giải tích, hình học, số học, … Ngoài ra Maple còn cho Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán “Điện một chiều” phép khả năng lập trình với các cấu trúc dữ liệu trừu tượng để xây dựng những gói chương trình mới bổ sung vào hệ thống thư viện của nó. Tuy khả năng lập trình của Maple đạt đến trình độ rất cao nhưng chủ yếu là các thủ tục tính toán cho từng vấn đề đơn lẻ như giải một phương trình, tính đạo hàm của một hàm số, thực hiện các phép tính đa thức … Maple chưa thực sự cài đặt một cơ sở tri thức cho các phần toán học khác nhau với các bộ suy luận giải toán dựa trên tri thức. Ví dụ như gói chương trình về hình học chỉ cung cấp một số thủ tục tính toán đơn giản như : tính diện tích hình vuông khi biết tọa độ 4 đỉnh, tính độ dài đoạn thẳng khi biết tọa độ 2 điểm đầu của đoạn thẳng đó, … Ngoài phần mềm toán học Maple, chúng ta còn thấy nhiều phần mềm tính toán toán học khác như Mathematica, MathCad, Reduce, … Các phần mềm này cũng như Maple chỉ cung cấp những đơn vi chương trình giúp thực hiện các thao tác tính toán riêng lẻ mà chưa có một bộ giải toán dựa trên một cơ sở tri thức thật sự. Người sử dụng phần mềm này khi cần giải quyết một vấn đề nào đó mang tính tổng quát hơn thì phải thiết kết một quy trình giải bài toán dưới dạng thuật giải và tự cài đặt thuật giải đó dựa vào ngôn ngữ lập trình được cho trong phần mềm. Và cũng chính nhờ sự hỗ trợ thư viện mở rộng đó mà đây cũng là những công cụ hỗ trợ tốt cho người lập trình liên quan đến tính toán các bài toán phức tạp có thể mở rộng và phát triển hệ giải toán dựa trên tri thức một cách dễ dàng và thuận tiện hơn 7 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán “Điện một chiều” Chương 2: MÔ HÌNH COKB Chương này trình bày về mô hình tri thức được sử dụng làm cơ sở lý thuyết, mô hình COKB, tham khảo trong tài liệu [8] 2.1 Định nghĩa Mô hình COKB Một mô hình tri thức các C-Object (viết tắt là mô hình COKB – Computational Objects Knowledge Base) là một hệ thống gồm 5 thành phần: (C, H, R, Ops, Rules) Trong đó: o C là một tập hợp các khái niệm về các C-Object o H là một tập hợp các quan hệ phân cấp giữa các loại đối tượng o R là tập hợp các khái niệm về các loại quan hệ trên các C-Object o Ops là một tập hợp các toán tử o Rules là tập hợp các luật được phân lớp Chi tiết về mỗi thành phần được mô tả cụ thể như sau: o Một tập hợp C các khái niệm về các C-Object: o Một tập hợp H các quan hệ phân cấp giữa các loại đối tượng o Một tập hợp R các khái niệm về các loại quan hệ trên các C-Object o Một tập hợp Ops các toán tử o Một tập hợp Rules gồm các luật được phân lớp Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán “Điện một chiều” Mỗi luật cho ta một quy tắc suy luận để đi đến các sự kiện mới từ các sự kiện nào đó và về mặt cấu trúc nó gồm 2 thành phần chính là: phần giả thiết và phần kết luận đều là các tập hợp sự kiện trên các đối tượng nhất định: R:{sk 1 ,sk 2 ,…,sk n }=>{sk 1 ,sk 2 ,…,sk m } Để mô hình luật dẫn trên có hiệu lực trong cơ sở tri thức và để có thể khảo sát các thuật giải để giải quyết các bài toán, ta cần định nghĩa các dạng sự kiện khác nhau trong các luật. Dưới đây là định nghĩa cho 11 loại sự kiện khác nhau được xem xét trong mô hình:  Các loại sự kiện [1] Sự kiện thông tin về loại của đối tượng. [2] Sự kiện về tính xác định của một đối tượng hay của một thuộc tính. [3] Sự kiện về tính xác định của một thuộc tính hay một đối tượng thông qua một biểu thức hằng. [4] Sự kiện về sự bằng nhau giữa một đối tượng hay một thuộc tính với một đối tượng hay một thuộc tính khác. [5] Sự kiện về sự phụ thuộc của một đối tượng hay một thuộc tính theo những đối tượng hay thuộc tính khác thông qua một công thức tính toán. [6] Sự kiện về một quan hệ trên các đối tượng hay trên các thuộc tính của các đối tượng. 2.2 Tổ chức cơ sở tri thức về theo mô hình COKB 2.2.1 Các thành phần Cơ sở tri thức về các C-Object theo mô hình COKB có thể được tổ chức bởi một hệ thống tập tin văn bản có cấu trúc thể hiện các thành phần trong mô hình tri thức. Có thể thiết kế hệ thống các tập tin nầy gồm những tập tin như sau: o Tập tin “Objects.txt” lưu trữ các định danh (hay tên gọi) cho các khái niệm về các loại đối tượng C-Object. 9 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán “Điện một chiều” o Tập tin “Relations.txt” lưu trữ thông tin về các loại quan hệ khác nhau trên các loại C-Object. o Tập tin “Hierarchy.txt” lưu lại các biểu đồ Hasse thể hiện quan hệ phân cấp đặc biệt hóa trên các khái niệm. o Các tập tin với tên tập tin có dạng “<tên khái niệm C-Object>.txt” để lưu trữ cấu trúc của loại đối tượng <tên khái niệm C-Object>. Ví dụ: tập tin “TamGiac.txt” lưu trữ cấu trúc của loại đối tượng tam giác. o Tập tin “Operators.txt” lưu trữ các thông tin về các toán tử trên các đối tượng. o Tập tin “Define-Operators.txt” lưu trữ định nghĩa về các toán tử trên các đối tượng. o Tập tin “Facts.txt” lưu trữ thông tin về các loại sự kiện khác nhau. o Tập tin “Rules.txt” lưu trữ hệ luật của cơ sở tri thức. 2.2.2 Cấu trúc của các tập tin lưu trữ các thành phần COKB Các tập tin lưu trữ các thành phần trong cở sở tri thức các C-Object được ghi dưới dạng các văn bản có cấu trúc dựa trên một số từ khóa và qui ước về cú pháp khá đơn giản và tự nhiên. Dưới đây là phần liệt kê cấu trúc của các tập tin: - Cấu trúc tập tin “Objects.txt” begin_Objects <tên lớp đối tượng 1> <tên lớp đối tượng 2> end_Objects - Cấu trúc tập tin “relations.txt” begin_Relations [<tên quan hệ>, <loại đối tượng>, <loại đối tượng>, ], [...]... Phần kết luận_ mục tiêu của bài toán begin_goal [] Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều end_goal end_exercise 15 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều Chương 3: BÀI TOÁN ĐIỆN MỘT CHIỀU Yêu cầu : Cho biết một số giá trị của mạch điện một chiều, sơ đồ mạch điện (đã được vẽ lại), tìm một số yếu tố còn lại 1.1 Thu thập tri thức về “Dòng điện không... Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều Điện trở tương đương được anh bởi R1 R2 R3 1 1 1 1 1 = + + + + R td R 1 R 2 R 3 Rn Rn Im = Il + I2 + … + In Im= Um = U l = U 2 = U 3 = … = Un 1.2 Mô hình tri thức : 1.2.1 Mô hình biểu diễn tri thức cho ứng dụng Xây dựng mô hình dựa trên mô hình tri thức COKB (Computational Objects Knowledge Base) gồm 3 thành phần : (C, R, Rules) Mô hình biểu diễn. .. tượng tính toán trong bài toán M là tập các thuộc tính của các đối tượng được đề cập tới trong bài toán Facts là tập các sự kiện thuộc 6 lọai [1]-[6] Goal là mục tiêu hay yêu cầu của bài toán Đặc tả bài toán Để có thể thiết kế phần giao tiếp và cho phép nhập bài toán vào hệ thống giải bài toán một cách đa dạng và đáp ứng các yêu cầu thực tế, ta cần có một ngôn ngữ quy ước để đặc tả bài toán Trong mục... R[2] = 1,8 * 40 = 72 (V) o o o o Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều Tài liệu tham khảo [1] Đỗ Văn Nhơn , Xây dựng hệ tính toán thông minh, 2002 [2] Hoàng Kiếm, Đỗ Văn Nhơn – Mở rộng và phát tri n mô hình tri thức các đối tượng tính toán – Kỷ hiếu hội thảo Quốc gia – Đà Nẵng 18-20 tháng 8 năm 2004 [3] Hoàng Kiếm, Đỗ Văn Nhơn – Mạng tính toán và ứng dụng, 1996 [4] Sách giáo khoa Vật... Thuật giải Nhập vào: o dt : các công thức của đối tượng trong mạch điện VD: Đối với mạch điện gồm hai điện trở R1 nt R2 ta có 19 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều o - dt := {Id1 = I1, Id1 = I2, P1 = U1*I1, P2 = U2*I2, Pd1 = Ud1*Id1, Rd1 = R1+R2, U1 = I1*R1, U2 = I2*R2, Ud1 = Id1*Rd1, Ud1 = U1+U2} o gt: tập các đối tượng đã biết (giả thiết) o kl: tập các đối tượng cần tìm (kết luận) ... tên đối tượng> : ; Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều hypothesis_part: {các sự kiện giả thiết của luật} goal_part: { các sự kiện kết luận của luật hoặc là "Object"} end_rule end_rules 2.3 Mô hình bài toán 2.3.1 Mô hình Dựa trên việc nghiên cứu các bài toán cụ thể ta có thể đề xuất mô hình bài toán tổng quát trên mô hình tri thức COKB gồm các thành phần như sau:... bài toán Trong mục này trình bày ngôn ngữ quy ước để đặc tả bài toán với các tiêu chí sau: o Tính đơn giản o Tính tự nhiên o Tính tiện dụng 13 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều o Khả năng đặc tả tốt Hệ thống sẽ cung cấp 2 cách để đặc tả bài toán: Đề bài có thể được cho dưới dạng một tập tin văn bản có cấu trúc dựa trên một số từ khoá như: begin_exercise, end_exercise, begin_hypothesis,... Ud1 = Id1*Rd1, Ud1 = U1+U2}  Áp dụng thuật giải trên ta được kết quả các bước giải sau : - [1, Id1 = I1, {I1 = 3}], - [2, Id1 = I2, {I2 = 3}], - [3, Rd1 = R1+R2, {Rd1 = 60}], - [4, U1 = I1*R1, {U1 = 60}], - [5, U2 = I2*R2, {U2 = 120}], - [6, Ud1 = Id1*Rd1, {Ud1 = 180}] 1.5 Áp dụng 1.5.1 Bài toán ví dụ Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều Cho mạch điện như hình vẽ Biết R[1] = 20Ω,... U[i] = U[j] (7-3) 1.3 Tổ chức cơ sở tri thức - Đối tượng Điện trở cơ bản : Lưu trên file R_unit.txt theo cấu trúc Tên_đối_tượng : Chú thích Ví dụ : R: Điện trở Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều - - - U: Hiệu điện thế I: Cường độ dòng điện Tập các đối tượng : Lưu trữ trên file Objects_2.txt theo cấu trúc sau Tên_đối_tượng : Chú thích Ví dụ : R : Điện trở ĐM: Đoạn mạch Tập luật dạng... kích hoạt vào tập giả thiết  Thêm công thức dt[i] vào steps o Kiểm tra nếu tập kl là tập con của gt thì dừng o Ngược lại tiếp tục vòng lặp Code trong Maple : o getSteps := proc (dt :: set, gt :: set, kl :: set, dk :: set) local gt1,dt1,dt2,found,steps; local temp,tempkq,i,vars; steps := {}; gt1 := gt; dt1 := dt; dt2 := {}; found := false; Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều while . Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TIỂU LUẬN MÔN CÔNG NGHỆ TRI THỨC BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG. thức cho việc giải quyết các bài toán trong phạm vi kiến thức được biểu diễn. 3 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều Tri thức và suy diễn là hai thành phần trong bất kỳ một. trong tri thức. 5 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Bài toán Điện một chiều 1.2 Vấn đề suy diễn tự động Cùng với vấn đề biểu diễn tri thức, suy diễn tự động để giải quyết các bài toán dựa trên tri