ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MẠNG TÍNH TOÁN TRONG HÓA HỌC GVHD: PGS TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Nguyễn Thành Thiện MSHV: CH1301059 Lớp cao học khóa 9 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học ` TP Hồ Chí Minh, tháng 3/2014 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 2 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học MỤC LỤC MỤC LỤC 3 LỜI MỞ ĐẦU 4 CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN TRI THỨC CƠ BẢN 5 1. Logic mệnh đề và logic vị từ 5 2. Biểu diễn tri thức bằng luật dẫn 5 3. Biểu diễn tri thức bằng mạng ngữ nghĩa 6 CHƯƠNG II. MÔ HÌNH BIỂU DIỄN TRI THỨC COKB 8 1. Đối tượng tính toán (C-Object) 8 2. Mô hình cho một C-Object 9 3. Các thành phần của mô hình COKB 10 CHƯƠNG III. MẠNG CÁC ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN 12 1. Mạng con, đối tượng tính toán 12 2. Mạng các đối tượng tính toán 12 CHƯƠNG IV. ỨNG DỤNG 15 1. Thiết kế cơ sở tri thức cho miền hóa học vô cơ 15 2. Thiết kế bộ suy diễn tự động của chương trình 16 KẾT LUẬN 18 TÀI LỆU THAM KHẢO 19 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 3 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học LỜI MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, có nhiều phương pháp để biểu diễn tri thức nhưng những phương pháp này lại không hiệu quả trong việc biểu diễn và suy luận trên các tri thức phức tạp. Phương pháp biểu diễn tri thức đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống tri thức phức tạp như hình học phẳng, hình học giải tích, vật lý, hóa học, sinh học…, nhưng nghững phương pháp suy diễn hiện nay vẫn còn mang tính khái quát cao, chưa thể mô phỏng được lối tư duy của con người. Trong thực tế, khi giải quyết một bài toán, chúng ta thường không tìm ngay một lời giải mới mà trước tiên ta sẽ tìm những bài toán liên quan với bài toán ấy để từ đó có cách giải quyết phù hợp. Trong bài viết này, em xin trình bày mô hình COKB (Computational Object Knowledge Base), trong đó có sử dụng các bài toán mẫu như là các tri thức đã có sẵn về bài toán được đặt ra, mô phỏng tối ưu hơn cho tri thức con người. Cho các hợp chất hóa học ban đầu A,B,C…, dựa vào các phương trình phản ứng đã biết, hãy điều chế ra hợp chất hóa học X từ những phương trình phản ứng trên. Bài toán đơn giản nếu số lượng phương trình phản ứng là nhỏ. Nhưng với số lượng phương trình phản ứng là rất lớn thì việc tìm ra những phương trình thích hợp để điều chế ra chất X là rất khó khăn. Từ lý do trên, áp dụng giải bài toán điều chế dựa trên mô hình COKB. Thông qua những buổi giảng dạy và hướng dẫn của thầy Đỗ Văn Nhơn, giúp em nắm được kiến thức tổng quát và hiểu hơn về các mô hình biểu diễn tri thức và những ứng dụng hiện nay. Do khả năng và kiến thức có hạn, nên bài viết còn nhiều sai sót. Em xin chân thành cảm ơn thầy đã giảng dạy và hướng dẫn để hoàn thành bài viết này. Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 4 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN TRI THỨC CƠ BẢN 1. Logic mệnh đề và logic vị từ Dạng biểu diễn tri thức cổ điển nhất trong máy tính là logic, với 2 dạng phổ biến là logic mệnh đề và logic vị từ. Cả 2 dạng này đều dùng ký hiệu để biểu diễn tri thức và các toán tử áp lên các ký hiệu để suy luận logic. Logic đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu những công cụ hình thức để biểu diễn và suy luận tri thức. Các phép tóan logic được sử dụng phổ biến của dạng là: and ( Λ ), or ( V ), not ( ~ ) và phép kéo theo ( → ), tương đương ( ≡ ). Kiểu biểu diễn tri thức vị từ giống như hàm trong các ngôn ngữ lập trình, đối tượng tri thức là tham số của hàm, giá trị mệnh đề chính là kết quả của hàm. Biểu diễn tri thức bằng mệnh đề gặp khó khăn là không thể can thiệp vào cấu trúc của một mệnh đề → đưa ra khái niệm lượng từ, vị từ. Với vị từ có thể biểu diễn tri thức dưới dạng các mệnh đề tổng quát. 2. Biểu diễn tri thức bằng luật dẫn Phương pháp biểu diễn tri thức bằng luật dẫn được phát minh bởi Newell và Simon, trong lúc hai ông đang cố gắng xây dựng một hệ giải bài toán tổng quát. Đây là một kiểu biểu diễn tri thức có cấu trúc. Ý tưởng cơ bản là tri thức có thể được cấu trúc bằng một cặp giả thiết và kết luận dưới dạng: nếu <giả thiết> thì <kết luận>. Đây là dạng biểu diễn tri thức rất phổ biến. Mô hình biểu diễn tri thức dạng này thường bao gồm: tập các ký hiệu mô tả các sự kiện (có cấu trúc đơn giản) và tập luật dẫn. Trong đó phần giả thiết và kết luận của luật là tập các sự kiện. Mỗi sự kiện được mô tả có cấu trúc đơn giản như (tên đối tượng - thuộc tính - giá trị). Ví dụ: quả cam – màu vàng. Phương pháp suy luận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn tiến và suy diễn lùi: Suy diễn tiến: là quá trình suy luận xuất phát từ một số sự kiện ban đầu, xác định các sự kiện có thể được “sinh” ra từ sự kiện này. Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 5 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học Suy diễn lùi: là quá trình suy luận ngược xuất phát từ một số sự kiện ban đầu, ta tìm kiếm các sự kiện đã “sinh” ra sự kiện này. Một ví dụ thường gặp trong thực tế là xuất phát từ các tình trạng của máy tính, từ đó ta chẩn đoán xem máy tính đã bị hỏng hóc ở đâu. Các luật có ưu điểm là dễ hiểu nên dễ dàng dùng để trao đổi với người dùng. Có thể dễ dàng xây dựng được cơ chế suy luận và giải thích từ các luật. Ngòai ra, các luật được biểu diễn theo mô hình này thường độc lập nhau nên việc cập nhật luật, hiệu chỉnh và bảo trì hệ trì hệ thống thuận lợi. Tuy nhiên, từ những đặc điểm trong cách biểu diễn tri thức dạng này tạo nên ưu điểm thì nó cũng tạo ra các khuyết điểm sau: chính vì các sự kiện có cấu trúc đơn giản, trong khi tri thức của một số lĩnh vực lại trừu tượng và phức tạp, các khái niệm của lĩnh vực có quan hệ ràng buộc lẫn nhau nên mô hình biểu diễn này không thể hiện được hết tất cả những yếu tố trừu tượng đó. 3. Biểu diễn tri thức bằng mạng ngữ nghĩa Mạng ngữ nghĩa là một phương pháp biểu diễn tri thức dùng đồ thị. Trong đó nút biểu diễn đối tượng, và cung biểu diễn quan hệ giữa các đối tượng. Hình 1: Ví dụ về mạng ngữ nghĩa Người ta có thể mở rộng mạng ngữ nghĩa bằng cách thêm các nút và nối chúng vào đồ thị. Các nút mới ứng với các đối tượng bổ sung. Thông thường có thể mở rộng mạng ngữ nghĩa theo ba cách: - Thêm một đối tượng tương tự - Thêm một đối tượng đặc biệt hơn Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 6 Động vật có vú Con mèo lông trên cạn có sống đuôi có là Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học - Thêm một đối tượng tổng quát hơn Cơ chế suy diễn thực hiện theo thuật toán “loang” đơn giản: Bước 1: Kích hoạt những đỉnh hình tròn đã cho ban đầu (những yếu tố đã có giá trị). Bước 2: Lặp lại bước sau cho đến khi kích hoạt được tất cả những đỉnh ứng với những yếu tố cần tính hoặc không thể kích hoạt được bất kỳ đỉnh nào nữa. Nếu một đỉnh hình chữ nhật có cung nối với n đỉnh hình tròn mà n-1 đỉnh hình tròn đã được kích hoạt thì kích hoạt đỉnh hình tròn còn lại (và tính giá trị đỉnh còn lại này thông qua công thức ở đỉnh hình chữ nhật). Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 7 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học CHƯƠNG II. MÔ HÌNH BIỂU DIỄN TRI THỨC COKB 1. Đối tượng tính toán (C-Object) Trong nhiều vấn đề giải toán dựa trên tri thức ta thường đề cập đến các đối tượng khác nhau và mỗi đối tượng có cấu trúc bao gồm một số thuộc tính với những quan hệ nhất định. Những quan hệ này giúp ta thực hiện sự suy diễn, tính toán và giải một số bài toán suy diễn-tính toán trên các thuộc tính của đối tượng. Ví dụ: trong giải toán hình học, một tam giác với các thuộc tính như 3 cạnh, 3 góc trong, diện tích, nửa chu vi, bán kính vòng tròn ngoại tiếp, v.v … cùng với các công thức liên hệ giữa các thuộc tính đó sẽ cho ta một cấu trúc của một đối tượng như thế. Theo cách tiếp cận hướng đối tượng trong biểu diễn tri thức và giải toán, chúng ta tích hợp vào cấu trúc đối tượng trên một số hành vi giải toán nhất định để tạo ra một đối tượng. Dựa trên các đối tượng này, nhiều bài toán khác nhau có thể được biểu diễn dưới dạng mạng các đối tượng. Cách biểu diễn này có thể được áp dụng một cách có hiệu quả trong các hệ giải toán, chẳng hạn như các hệ giải các bài toán hình học. So với các phương pháp được trình bày ở trên, cách mô hình này tỏ ra có nhiều ưu điểm, đặc biệt là khả năng biểu diễn hầu như toàn bộ tri thức và các dạng bài toán tổng quát thuận tiện cho việc phát triển các thuật toán giải tự động và cung cấp những lời giải tự nhiên và phù hợp với cách nghĩ và viết của con người. Ngoài ra, nó còn giúp ích cho việc thiết kế và cài đặt phần cơ sở tri thức cũng như ngôn ngữ qui ước để đặc tả bài toán. Định nghĩa 1: Ta gọi một đối tượng tính toán (C-Object) là một đối tượng O có cấu trúc bao gồm: (1) Một danh sách các thuộc tính Attr(O) = {x 1 , x 2 , , x n } trong đó mỗi thuộc tính lấy giá trị trong một miền xác định nhất định, và giữa các thuộc tính ta có các quan hệ thể hiện qua các sự kiện, các luật suy diễn hay các công thức tính toán. (2) Các hành vi liên quan đến sự suy diễn và tính toán trên các thuộc tính của đối tượng hay trên các sự kiện như: Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 8 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học  Xác định bao đóng của một tập hợp thuộc tính A ⊂ Attr(O), tức là đối tượng O có khả năng cho ta biết tập thuộc tính lớn nhất có thể được suy ra từ A trong đối tượng O.  Xác định tính giải được của bài toán suy diễn tính toán có dạng A → B với A ⊂ Attr(O) và B ⊂ Attr(O). Nói một cách khác, đối tượng có khả năng trả lời câu hỏi rằng có thể suy ra được các thuộc tính trong B từ các thuộc tính trong A không.  Thực hiện các tính toán  Thực hiện việc gợi ý bổ sung giả thiết cho bài toán  Xem xét tính xác định của đối tượng, hay của một sự kiện 2. Mô hình cho một C-Object Một C-Object có thể được mô hình hóa bởi một bộ: (Attrs, F, Facts, Rules) Trong đó: Attrs là tập hợp các thuộc tính của đối tượng, F là tập hợp các quan hệ suy diễn tính toán, Facts là tập hợp các tính chất hay các sự kiện vốn có của đối tượng, và Rules là tập hợp các luật suy diễn trên các sự kiện liên quan đến các thuộc tính cũng như liên quan đến bản thân đối tượng. Ví dụ: Đối tượng (C-Object) thuộc loại “TAM_GIAC” được biểu diễn theo mô hình trên gồm có:  Attrs = { GocA, GocB, GocC, a, b, c, ha, hb, hc, ma, mb, mc, pa, pb, pc, S, p, R, r, ra, rb, rc }  F = { GocA + GocB + GocC = Pi, a*sin(GocB) = b*sin(GocA), a^2 = b^2 + c^2 - 2*b*c*cos(GocA), . . . }  Facts = {}  Rules = { {GocA = GocB}⇒ {a = b}, {a = b} ⇒ {GocA = GocB}, {a^2 = b^2+c^2}⇒{GocA=pi/2}, {GocA=pi/2} ⇒ {a^2 = b^2+c^2, b ⊥ c}, } Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 9 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học 3. Các thành phần của mô hình COKB Mô hình cơ sở tri thức của các đối tượng tính toán (mô hình COKB) gồm 6 thành phần: (C, H, R, Ops, Funcs, Rules) Trong đó, (1) C là tập hợp các khái niệm về C-Object. (2) H là tập hợp các quan hệ phân cấp giữa các loại đối tượng. (3) R là tập hợp các khi niệm về các loại quan hệ trên C-Object. (4) Ops là tập hợp các toán tử. (5) Funcs là tập hợp các hàm. (6) Rules là tập hợp các luật. Trong mô hình này mỗi đối tượng tính toán (C-Object) có cấu trúc và được phân cấp dựa trên các thiết lập của đối tượng. Ngoài ra, mô hình này có 11 loại sự kiện sau: - Sự kiện loại 1: Sự kiện thông tin loại của đối tượng. - Sự kiện loại 2: Sự kiện về tính xác định của một đối tượng hay của một thuộc tính của đối tượng. - Sự kiện loại 3: Sự kiện về tính xác định của một đối tượng hay của một thuộc tính của đối tượng thông qua biểu thức hằng. - Sự kiện loại 4: Sự kiện về sự bằng nhau của một đối tượng hay một thuộc tính của đối tượng với một đối tượng hay một thuộc tính khác. - Sự kiện loại 5: Sự kiện về sự phụ thuộc giữa các đối tượng và các thuộc tính của các đối tượng thông qua một công thức tính toán hay một đẳng thức theo các đối tượng hay các thuộc tính. - Sự kiện loại 6: Sự kiện về một quan hệ trên các đối tượng hay trên các thuộc tính của các đối tượng. - Sự kiện loại 7: Sự kiện về tính xác định của một hàm. - Sự kiện loại 8: Sự kiện về tính xác định của một hàm thông qua một biểu thức hằng. - Sự kiện loại 9: Sự kiện về sự bằng nhau giữa một đối tượng với một hàm. - Sự kiện loại 10: Sự kiện về sự bằng nhau giữa một hàm với một hàm khác. Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 10 [...]... dụng mạng tính toán trong hóa học CHƯƠNG III MẠNG CÁC ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN 1 Mạng con, đối tượng tính toán Là một dạng biểu diễn tri thức về các vấn đề tính toán và được áp dụng một cách có hiệu quà để giải quyết một số dạng bài tóan Mỗi mạng tính tóan là một mạng ngữ nghĩa chứa các biến và những quan hệ có thể cài đặt sử dụng cho việc tính toán Một mạng tính toán (M,F) được gọi là một mạng con của mạng. .. not Solution_found then Bài toán không có lời giải; else Solution là một lời giải; Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 14 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG Chúng ta biết rằng trong hóa học, việc xem xét các phản ứng hóa học là một trong những vấn đề quan trọng Về mặt tri thức người ta đã biết được nhiều chất và các phản ứng hóa học có thể chuyển hóa từ một số chất này thành.. .Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học - Sự kiện loại 11: Sự kiện về sự phụ thuộc của một hàm theo các hàm hay các đối tượng khác thông qua một công thức tính toán Mô hình biểu diễn này sử dụng cách tiếp cận hướng đối tượng để biểu diễn tri thức Do đó, sử dụng mô hình này giúp dễ thiết kế các mô hình cho những ứng dụng cụ thể vá thiết kế các giải thuật Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 11 Ứng dụng. .. toán: O = { [FeS + ? = FeCl2 + ?], [CuSO4 + ? = ? + Na2SO4] } F = { tập các phương trình phản ứng hóa học } G = {} Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 17 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học KẾT LUẬN Qua bài viết trên cho chúng ta có cái nhìn khái quát về các phương pháp biểu diễn tri thức. Với mô hình COKB là một mô hình rất tốt cho việc biểu diễn các tri thức của con người, đặc biệt là các tri thức. .. ứng hóa học } G = {} Bài toán 4 : Hoàn thành các phương trình phản ứng sau: Mg + H2SO4 → Fe(OH)3 + H2SO4 → Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 16 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học K2CO3 + H2SO4 → Ba(NO3)2 + H2SO4 → Mô hình bài toán: O = { [Mg + H2SO4 = …], [Fe(OH)3 + H2SO4 = …], [K2CO3 + H2SO4 = …], [Ba(NO3)2 + H2SO4 = …] } F = { tập các phương trình phản ứng hóa học } G = {} Bài toán. .. chưa nhận ra được chất kết tủa ) Hướng phát tri n: - Tối ưu được phương trình phản ứng cần cho quá trình điều chế - Kế thừa để phát tri n thành bài toán Nhận biết chất hóa học Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 18 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học TÀI LỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Đỗ Văn Nhơn - Giáo trình môn Biểu diễn tri thức [2] PGS.TS Đỗ Văn Nhơn, Computational Networks for Knowledge Representation... có oxi” và “Axit không có oxi” là các khái niệm của “Axit” - “Bazơ tan” và “Bazơ không tan” là các khái niệm của “Bazơ” - “Muối trung hòa” và “Muối axit” là các khái niệm của “Muối” 1.3 Tập Funcs - tập hợp các hàm Cân bằng phương trình phản ứng hóa học 1.4 Tập Rules – tập hợp các luật Các loại phản ứng hóa học cơ bản: Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 15 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học - “Axit”... Ta có thể xem tri thức đó như một mạng tính toán mà mỗi phản ứng là một quan hệ của mạng Và áp dụng để giải 2 loại bài toán sau: - Nhận diện loại phương trình phản ứng? - Cho một số chất, hỏi có điều chế được một vài chất nào đó không? - Tìm các phương trình phản ứng để biểu diễn dãy các biến hóa sau: Zn → ZnO → ZnSO4 1 Thiết kế cơ sở tri thức cho miền hóa học vô cơ Tri thức được mô hình hóa bằng mô... H2 2 Thiết kế bộ suy diễn tự động của chương trình Về mặt tri thức người ta đã biết được nhiều chất và các phản ứng hóa học có thể chuyển hóa từ một số chất này thành các chất khác Ta có thể xem tri thức đó như một mạng tính toán mà mỗi phản ứng là một quan hệ của mạng (O, F, G) Bài toán 1 : Viết phương trình phản ứng (PTPU) biểu diễn các biến hóa sau: Zn → ZnO → ZnSO4 Mô hình bài toán: O = { [Zn,... đối tượng tính toán (O,F), với tập biến là M, tập giả thiết A ⊆ M, tập biến cần tính B ⊆ M Xuất : lời giải cho bài toán A → B 1 Solution ← empty; // Solution là dãy các quan hệ giữa các đối tượng // hay các đối tượng sẽ áp dụng 2 if B ⊆ A then begin Solution_found ← true; // khi bài toán là giải được goto 5; end else Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 13 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học Solution_found . CH1301059 Lớp cao học khóa 9 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học ` TP Hồ Chí Minh, tháng 3/2014 Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 2 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học MỤC LỤC MỤC LỤC. thuật. Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 11 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học CHƯƠNG III. MẠNG CÁC ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN 1. Mạng con, đối tượng tính toán Là một dạng biểu diễn tri thức về. này. Biểu diễn tri thức và ứng dụng Trang 4 Ứng dụng mạng tính toán trong hóa học CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN TRI THỨC CƠ BẢN 1. Logic mệnh đề và logic vị từ Dạng biểu diễn tri thức cổ điển