ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA KHOA HỌC MÁY TÍNH Tiểu luận môn : CÔNG NGHỆ TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG Lớp Cao Học CH8- Chuyên Ngành KHMT Đề tài: ỨNG DỤNG MẠNG NGỮ NGHĨA VÀO ĐIỀU CHẾ HÓA HỌC GVHD: GS.TSKH.Hoàng Văn Kiếm HVTH: Nguyễn Thị Kim Anh Mã Số HV: CH1301078 TP HCM 10/2014 GVHD : GS. TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 MỤC LỤC 1. Khái niệm 5 2. Cơ chế suy diễn 6 3. Đặc điểm 7 4. Ưu nhược điểm 7 II. Ứng dụng mạng ngữ nghĩa trong tin học 8 1.Hệ chuyên gia 8 2. Ứng dụng mạng ngữ nghĩa để giải các bài toán 10 III. Ứng dụng vào bài toán Điều chế chất hóa học 11 IV. Xây dựng chương trình Điều chế chất hóa học 12 1. Cài đặt chương trình 12 2. Các chức năng trong chương trình 17 KẾT LUẬN 21 HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 2 GVHD : GS. TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghệ phát triển nhanh chóng như hiện nay, việc ứng dụng công nghệ thông tin vào trong mọi lĩnh vực là một trong những nhu cầu cấp thiết và tất yếu. Đặc biệt là trong lĩnh vực thương mại điện tử, quản lý, số lượng thông tin và dữ liệu cần quản lý sẽ tăng lên gấp bội, dẫn tới công việc quản lý trở nên phức tạp, khó khăn hơn. Do đó, việc ứng dụng công nghệ thông tin lại càng cấp thiết hơn, cùng với sự hỗ trợ của các phần mềm quản lý, nó giúp chúng ta quản lý mọi việc dễ dàng, nhanh chóng, đáp ứng mọi yêu cầu lưu trữ và truy xuất dữ liệu, tiết kiệm được thời gian và chi phí cho công việc. Công nghệ tri thức có thể xem là một nhánh nghiên cứu của trí tuệ nhân tạo, phân tích tri thức lĩnh vực và chuyển nó thành những mô hình tính toán đưa vào máy tính để phục vụ những nhu cầu cần thiết. Hay nói cách khác là việc ứng dụng, biểu diễn các thông tin, các suy diễn đời thường của con người vào trong máy tính. Xây dựng cho máy tính trở thành như một con người thực sự, và có thể giải quyết vấn đề như con người. Công nghệ tri thức đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc phát triển Công nghệ thông tin, nâng cao sự hữu dụng của máy tính, giúp con người gần gũi với máy tính hơn. Đồng thời, công nghệ tri thức còn góp phần thúc đẩy nhiều ngành khoa học khác phát triển, khả năng phát triển khoa học dựa trên tri thức liên ngành. 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 trên bằng việc sử dụng mạng ngữ nghĩa. Và một phần nhỏ trong bài thu hoạch này là cân bằng phản ứng oxi hóa khử. Thông qua những buổi giảng dạy và hướng dẫn của thầy Hoàng Kiếm, giúp em nắm được kiến thức tổng quát và hiểu hơn về việc quản lý tri thức, các hệ cơ sở tri thức, cũng như khai mỏ dữ liệu và khám phá tri thức. Và trong bài thu hoạch này, em xin trình bày chi tiết việc áp dụng mạng ngữ nghĩa vào bài toán điều chế chất hóa và cẩn bằng phản ứng oxi khóa khử. Do khả năng và kiến thức có hạn, nên HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 3 GVHD : GS. TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 bài viết cũng chỉ dừng ở mức điều chế đơn giản và khái quát. Em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Kiếm đã giảng dạy và hướng dẫn để hoàn thành bài viết rất bổ ích và lý thú này. Nội dung của bài viết ngoài phần mở đầu và kết luận, có 4 mục sau: I. Mạng ngữ nghĩa II. Ứng dụng mạng ngữ nghĩa trong tin học III.Ứng dụng vào bài toán Điều chế chất hóa học IV.Xây dựng chương trình Điều chế chất hóa học HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 4 GVHD : GS. TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 I. Mạng ngữ nghĩa 1. Khái niệm 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 1.1: 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 - Thêm một đối tượng tổng quát hơn Ta có thể mở rộng mạng ngữ nghĩa ở Hình 1.1 như sau: - Thêm “Cá voi” thể hiện một loài động vật có vú mới. - Thêm “Mèo Garfield” cũng là một loài mèo (nhân vật hoạt hình). - Thêm “Loài vật” một đối tượng tổng quát hơn. HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 5 Động vật có vú Con mèo lông trên cạn có sống đuôi có là GVHD : GS. TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 Hình 1.2: Phát triển mạng ngữ nghĩa Tính chất quan trọng của mạng ngữ nghĩa là tính kế thừa. Nó cho phép các nút được bổ sung sẽ nhận các thông tin của các nút đã có trước, và cho phép mã hóa tri thức một cách dễ dàng. Để minh họa cho tính kế thừa của mạng ngữ nghĩa, ta hãy xét một câu hỏi trên đồ thị Hình 1.2. Ta muốn biết mèo “Garfield” có đuôi hay không? Hình 1.3: Các bước thực hiện phép toán trên mạng ngữ nghĩa 2. Cơ chế suy diễn 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 HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 6 Động vật có vú Con mèo lông có sống đuôi có là Cá voi trên cạn Garfield là Loài vật là là dưới nước sống Người dùng Garfield Con mèo Động vật có vú Đuôi có đuôi? có đuôi? có đuôi? Có Có Có Có GVHD : GS. TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 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). 3. Đặc điểm - Mạng ngữ nghĩa là một phương pháp biểu diễn tri thức, được xây dựng dựa trên phương pháp đồ thị để biểu diễn các mối liên hệ giữa các tri thức tổng quát, các khái niệm, các sự việc - Do mạng ngữ nghĩa là một loại đồ thị cho nên ta có thể dùng những thuật toán của đồ thị trên mạng ngữ nghĩa như thuật toán tìm liên thông, tìm đường đi ngắn nhất,… để thực hiện các cơ chế suy luận. Điểm đặc biệt của mạng ngữ nghĩa so với đồ thị thông thường chính là việc gán một ý nghĩa cho các cung. Cung nối giữa hai đỉnh cho biết giữa hai khái niệm tương ứng có sự liên hệ như thế nào. Việc gán ngữ nghĩa vào các cung của đồ thị đã giúp giảm bớt được số lượng đồ thị cần phải dùng để biễu diễn các mối liên hệ giữa các khái niệm. - Một đặc điểm quan trọng của mạng ngữ nghĩa là tính kế thừa. Chính đặc tính kế thừa của mạng ngữ nghĩa đã cho phép ta có thể thực hiện được rất nhiều phép suy diễn từ những thông tin sẵn có trên mạng. - Cơ chế suy diễn áp dụng trong mạng ngữ nghĩa là thực hiện theo thuật toán loang truyền đơn giản theo hai bước sau: • Kích hoạt các đỉnh đã cho ban đầu (các đỉnh đã có giá trị) • Nếu một đỉnh chưa xác định nối với n đỉnh khác (thông qua những mối liên hệ). Và trong đó có n-1 đỉnh đã xác định thì đỉnh đó cũng được xác định. Lặp lại bước này cho đến khi xác định được tất cả các đỉnh. 4. Ưu nhược điểm a. Ưu điểm : • Mạng ngữ nghĩa rất linh động, có thể thêm vào mạng các đỉnh hoặc cung mới để bổ sung các tri thức cần thiết • Mạng ngữ nghĩa có tính trực quan cao nên rất dễ hiểu • Mạng ngữ nghĩa cho phép các đỉnh có thể kế thừa các tính chất từ các đỉnh khác thông qua các cung loại “là’ từ đó có thể tạo ra các liên kết “ngầm” giữa những đỉnh không có liên kết trực tiếp với nhau. HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 7 GVHD : GS. TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 • Mạng ngữ nghĩa hoạt động khá tự nhiên theo cách thức con người ghi nhận thông tin. b. Nhược điểm : • Vẫn chưa có một chuẩn nào quy định các giới hạn cho các đỉnh và cung của mạng. Điều đó đồng nghĩa với người dùng có thể gắn bất kỳ khái niệm nào cho đỉnh hoặc cung. • Tính thừa kế trong mạng có thể dẫn đến khả năng mâu thuẩn tri thức II. Ứng dụng mạng ngữ nghĩa trong tin học Mạng ngữ nghĩa mà một cách biểu diễn tri thức dưới dạng đồ thị trực quan. Tuy nhiên để biểu diễn mạng ngữ nghĩa dưới dạng tri thức trong tin học là một vấn đề phức tạp. Sau đây là một số ứng dụng của mạng ngữ nghĩa trong tin học. 1.Hệ chuyên gia a. Khái niệm - Trong cuộc sống có rất nhiều tri thức được hình thành dựa trên nền tảng một hệ thống các thông tin riêng biệt tách rời. Những thông tin này thường không có cấu trúc, không có tính hệ thống và thường không có quan hệ với nhau. Việc tổng hợp các thông tin tách rời, riêng biệt để hình thành nên một tri thức là việc làm mà các chuyên gia đã thực hiện được và qua đó họ có thể lý giải được sự việc và có những nhận định chính xác về các hiện tượng xẩy ra. Tuy nhiên giới hạn của con người trong việc ghi nhớ và suy luận đã thúc đẩy việc tạo ra các hệ thống mà có thể thay thế các chuyên gia trong việc tổng hợp thông tin và đưa ra những nhận định chính xác dựa trên các hiện tượng xẩy ra dựa vào những công thức suy luận sẵn có là cần thiết. Những hệ thống đó được gọi là hệ chuyên gia. - Yếu tố quan trọng để xây dựng một hệ chuyên gia là thông tin. Thông tin có thể là đối tượng, có thể là mối liên hệ giữa các đối tượng đó. Thông tin càng nhiều càng chi tiết thì độ chuẩn xác của hệ chuyên gia càng cao. b. Ưu khuyết điểm - Hệ chuyên gia là một ứng dụng được con người xây dựng nên để phục vụ con người trong việc tổng hợp thông tin và đưa ra những nhận định dựa vào quá trình suy luận logic. Do đó bên cạnh những ưu điểm thì hệ chuyên gia còn tồn tại rất HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 8 GVHD : GS. TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 nhiều khuyết điểm và cần sự khắc phục để các hệ chuyên gia ngày càng trở nên hoàn thiện hơn. Ưu điểm : - Lưu trữ lượng thông tin lớn - Tốc độ suy luận nhanh, độ chính xác cao - Dễ tiếp thu thông tin mới Khuyết điểm : - Không có khả năng đánh giá thông tin đầu vào - Thông tin đầu vào yêu cầu phải đúng chuẩn và rỏ ràng - Không có khả năng hình thành tri thức mới từ những thông tin đã có c. Quá trình xây dựng Quá trình xây dựng một hệ chuyên gia trải qua các bước sau: (1) Tiếp nhận thông tin: các thông tin trong quá trình này là các thông tin thô. Được lưu trữ theo một định dạng nhất định (thường là theo định dạng của Logic vị từ). Thông tin càng phong phú thì hệ thống càng có độ tin cậy cao (2) Phân loại thông tin: đây là quá trình sắp xếp các thông tin theo một quy luật sẵn có. Trong quá trình này người xây dựng hệ chuyên gia cần phải thực hiện công việc chính xác, vì nếu như thông tin được chọn lọc và sắp xếp sai lệch thì hệ thống sẽ không có độ tin cây cao. (3) Xây dựng giao diện cho hệ thống. Đây là bước không ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống nhưng là bước quan trong để đưa hệ thống đến với con người. Hệ thống càng thân thiện thì giá trị hệ thống càng cao. Trong quá trình xây dựng hệ thống. d. Một số hệ chuyên gia tiêu biểu (1) Hệ chuyên gia trong lĩnh vực y tế dùng để chẩn đoán bệnh. Thông thường một chứng bệnh sẽ có một số lượng triệu chứng nhất định. Thông tin đưa vào cho hệ thống là các triệu chứng và các mối kết hợp và liên hệ. Dựa vào các mối liên hệ mà hệ thống sẽ sắp xếp các thông tin thành một liên kết các triệu chứng. Khi nhận được thông tin đầu vào qua một số triệu chứng, hệ chuyên gia sẽ phân tích và tìm kiếm ra kết quả chẩn đoán bệnh. HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 9 GVHD : GS. TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 (2) Hệ chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật dùng để chẩn đoán hỏng hóc của máy móc. Tương tự như trên, các thông tin sẽ được tiếp nhận và tính toán đánh giá để hình thành nên tri thức. (3) Hệ chuyên gia trong lĩnh vực khoa học tự nhiên dùng để giải đáp các quy luật biến đổi của giới tự nhiên dựa trên những quy luật cố định và bền vững. 2. Ứng dụng mạng ngữ nghĩa để giải các bài toán e. Mục tiêu - Trong toán học việc tìm hiểu và chứng minh một tiền đề, một định lý, là một quá trình phức tạp với một hệ thống các dẫn chứng, luận chứng, và các luận chứng luận cứ đó lại có quan hệ đến nhau. Việc kết hợp các dẫn chứng, luận chứng đó sẽ tạo ra được những tri thức khác nhau và hổ trợ cho việc giải quyết bài toán. Giải quyết được vấn đề đó, mạng ngữ nghĩa được xem như một cách thức để giải quyết các vấn đề trong toán học. - Ứng dụng mạng ngữ nghĩa trong giải quyết các bài toán có ý nghĩa rất lớn vì nó không chỉ mang tính trực quan mà còn biểu hiện được các mối quan hệ rỏ ràng, qua đó có thể phát hiện được những sai lệch trong quá trình dẫn chứng một cách dễ dàng f. Quá trình xây dựng Để xây dựng chương trình giải một bài toán bằng mạng ngữ nghĩa cần áp dụng các bước sau: (1) Xác định các đối tượng, các mối liên hệ có trong bài toán - Từ những thông tin có trước của bài toán, việc xác định các đối tượng và các mối liên hệ không phức tạp, tuy nhiên mạng ngữ nghĩa cho bài toán có thể đưa ra được đáp án chính xác hay không phụ thuộc vào mật độ thông tin (số lượng đối tượng và mối liên hệ giữa các đối tượng). Ví dụ: Khi xây dựng mạng ngữ nghĩa cho bài toán hình học, các đối tượng của mạng ngữ nghĩa là các thông tin liên quan đến cạnh, góc. Còn các mối liên hệ là các thông tin miêu tả tính chất của các đối tượng trong mạng như tổng các góc, quy tắc về chiều dài các cạnh tương ứng với các góc, (2) Loại các đối tượng, các mối liên hệ dư thừa HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 10 [...]... combox Chất cần điều chế - Cuối cùng, nhấn nút Điều chế, và kết quả quá trình điều chế thông qua các phương trình phản ứng xuất hiện ở listbox Quá trình điều chế HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 18 GVHD : GS TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 Hình 2.1: Điều chế chất FeSO4 * Chức năng cân bằng phản ứng hóa học (Phản ứng oxi – hóa khử): - Nhập phương trình phản ứng cần cân bằng vào textbox Ví... ngôn ngữ C# 2.1 Giao diện của chương trình - Màn hình điều chế chất hóa học HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 17 GVHD : GS TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 - Màn hình cân bằng phản ứng hóa học (Phản ứng oxi hóa – khử) 2.2 Cách sử dụng chương trình * Chức năng điều chế chất hóa học: - Chọn các chất tham gia có trong dữ kiện bài toán vào ô Chất ban đầu - Tiếp theo, chọn chất cần điều chế ở... hai đối tượng không làm giá trị mạng ngữ nghĩa sai những sẽ làm mạng phình ra không cần thiết III Ứng dụng vào bài toán Điều chế chất hóa học Bài toán ví dụ: Từ quặng pyrit sắt (FeS 2), nước biển (NaCl), không khí (O 2) và nước (H2O) Tìm các phương trình phản ứng để điều chế chất FeSO4 Giả sử ta có mạng ngữ nghĩa để giải bài toán điều chế trên như hình sau: HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang... tri n của chương trình là: - 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 - Đồng thời, hoàn thiện chức năng Cân bằng phản ứng hóa học Tài liệu tham khảo chính: (1) Slides chuyên đề Công Nghệ Tri Thức và Ứng dụng – GS.TSKH Hoàng Kiếm (2) Giáo trình Các hệ cơ sở tri thức - GS.TSKH Hoàng Kiếm, TS Đỗ Phúc, TS Đỗ Văn Nhơn (3) en.wikipedia.org/wiki/Semantic_network... 2 (SO) 4 + SO 2 + H 2 O - Nhấn nút Cân bằng và kết quả xuất hiện (nếu có thể cân bằng) Trong chương trình demo này, chỉ thực hiện cân bằng phản ứng hóa học theo phương pháp cân bằng electron - Muốn thêm phương trình phản ứng vào cơ sở dữ liệu sử dụng cho chức năng Điều chế Nhập phản ứng vào ô textbox (chọn nút Cân bằng nếu có thể cân bằng) và nhấn nút Thêm vào dữ liệu HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim... chương trình Điều chế chất hóa học 1 Cài đặt chương trình 1.1 Cài đặt mạng ngữ nghĩa sử dụng mảng 2 chiều - Cột: ứng với mỗi phương trình phản ứng khác nhau (đỉnh hình chữ nhật) - Dòng: ứng với mỗi hợp chất hóa học (gồm các chất tham) (đỉnh hình eclipse) Phần tử M[i, j] = -1 nghĩa là ứng với phương trình phản ứng cột j có hợp chất ứng với dòng i (hợp chất ở vế trái – chất tham gia) Và ngược lại M[i, j] =... CNTT&UD - 2014 Hình 2.2: Cân bằng phản ứng hóa học Hình 2.3: Phản ứng có chất hóa học là tổ hợp của 2 chất khử HVTH : CH1301078 – Nguyễn Thị Kim Anh Trang 20 GVHD : GS TSKH Hoàng Văn Kiếm CNTT&UD - 2014 KẾT LUẬN Qua bài viết trên cho chúng ta có cái nhìn khái quát về phương pháp biểu diễn tri thức của mạng ngữ nghĩa Cũng giống như các phương pháp khác, mạng ngữ nghĩa cũng có ưu khuyết điểm của nó Vì... hoạt thì thuật toán dừng, không tìm được lời giải 1.2 Cài đặt mạng ngữ nghĩa sử dụng mảng 1 chiều Cũng tương tự như cách cài đặt trên, nhưng chỉ sử dụng mảng 1 chiều để lưu thông tin mạng ngữ nghĩa Và danh sách L chứa các chất ở vế trái (chất tham gia) của tất cả các phương trình phản ứng L = {(1), (2), (3), (4), (5)} Mảng biểu diễn mạng ngữ nghĩa ban đầu: FeS2 O2 SO2 Fe2O3 Fe SO3 H2O NaCl H2 0 0 0 0... giải Sử dụng mảng 1 chiều tiết kiệm được không gian lưu trữ hơn so với mảng 2 chiều Do đó, em sử dụng cài đặt mảng 1 chiều cho chương trình demo Điều chế này 1.3 Giới thiệu CSDL Cấu trúc XML được sử dụng để lưu trữ dữ liệu của các phương trình phản ứng, và các chỉ số electron (dùng để cân bằng phản ứng hóa học bằng phương pháp electron) như sau: - Cấu trúc xml lưu trữ các phương trình phản ứng (equation.xml):... thác ưu điểm của nó và hạn chế khuyết điểm tối đa trong các chương trình ứng dụng của mình Trong chương trình demo Điều chế trên, em chỉ dừng lại ở mức cơ bản do thời gian có hạn Quá trình suy diễn để tìm ra được các phương trình phản ứng cần cho quá trình điều chế, nhưng các phương trình đó chưa được tối ưu (phản ứng đắt tiền trong thực tế, chưa nhận ra được chất kết tủa ) Hướng phát tri n của chương . đầu và kết luận, có 4 mục sau: I. Mạng ngữ nghĩa II. Ứng dụng mạng ngữ nghĩa trong tin học III .Ứng dụng vào bài toán Điều chế chất hóa học IV.Xây dựng chương trình Điều chế chất hóa học HVTH. Cơ chế suy diễn 6 3. Đặc điểm 7 4. Ưu nhược điểm 7 II. Ứng dụng mạng ngữ nghĩa trong tin học 8 1.Hệ chuyên gia 8 2. Ứng dụng mạng ngữ nghĩa để giải các bài toán 10 III. Ứng dụng vào bài toán Điều. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA KHOA HỌC MÁY TÍNH Tiểu luận môn : CÔNG NGHỆ TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG Lớp Cao Học CH8- Chuyên Ngành KHMT Đề tài: ỨNG DỤNG