MỘT số QUY TRÌNH SUY DIỄN TRONG hệ mờ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒ KHÁNH LÊ MỘT SỐ QUY TRÌNH SUY DIỄN TRONG HỆ MỜ Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60.48.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TSKH Bùi Công Cường Hà Nội – 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Một số quy trình suy diễn hệ Mờ” cơng trình nghiên cứu riêng tơi, không chép Nội dung luận án trình bày từ kiến thức tổng hợp cá nhân, tổng hợp từ nguồn tài liệu có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Kết nghiên cứu trình bày luận văn chưa công bố cơng trình khác Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm, sai, tơi xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2009 Học viên thực Hồ Khánh Lê LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com iii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TSKH Bùi Công Cường, người hướng dẫn khoa học, tận tình bảo, giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội giảng dạy truyền đạt kiến thức cho Cuối cùng, xin cảm ơn người thân bạn bè đồng nghiệp chia sẻ, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng với tất nỗ lực thân, luận văn thiếu sót Kính mong nhận ý kiến đóng góp quý Thầy, Cô bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2009 Học viên thực Hồ Khánh Lê LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com iv MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN .iii MỤC LỤC iv BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG I - CƠ SỞ LOGIC MỜ 1.1 Logic rõ xuất logic mờ 1.2 Các phép toán tập mờ 1.2.1 Phép phủ định 1.2.2 T - chuẩn 1.2.3 T - đối chuẩn 10 1.3 Một số vấn đề liên quan toán tử Logic Mờ 15 1.3.1 Phép đối ngẫu 16 1.3.2 Quan hệ t - chuẩn t - đối chuẩn 16 1.3.3 Một số qui tắc với phép hội phép tuyển 17 1.4 Phép kéo theo 19 1.4.1 Định nghĩa phép kéo theo 19 1.4.2 Một số dạng hàm kéo theo cụ thể 20 1.4.3 Đồ thị số hàm kéo theo quan tâm 26 1.5 Quan hệ mờ phép hợp thành 27 1.5.1 Quan hệ mờ 27 1.5.2 Phép hợp thành 28 CHƯƠNG – LUẬT MỜ VÀ HỆ SUY DIỄN MỜ 29 2.1 Hệ mờ sở luật mờ 29 2.1.1 Định nghĩa luật mờ 29 2.1.2 Định nghĩa hệ mờ sở luật mờ 31 2.2 Hệ suy diễn mờ 32 2.2.1 Kiến trúc hệ suy diễn mờ 32 2.2.3 Các bước suy diễn mờ 33 2.2.4 Một số phương pháp suy diễn hệ mờ 38 CHƯƠNG III - LẬP LUẬN XẤP XỈ TRONG HỆ MỜ TRÊN CƠ SỞ CÁC LUẬT MỜ41 3.2 Mơ hình ngôn ngữ - Linguistic models (LM) 41 3.3 Suy diễn với mô hình mờ 42 3.4 Mơ hình Mamdani (Constructive) Logical (Destructive) 44 3.4.1 Phương pháp lập luận Mandani 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com v 3.4.2 Phương pháp lập luận logic 48 3.5 Mơ hình ngơn ngữ với tập hợp đầu 53 3.6 Mơ hình Takagi – Sugeno – Kang (TSK) 55 3.6.1 Mơ hình 55 3.6.2 Một số ví dụ mơ hình TSK đơn giản 57 CHƯƠNG – BỘ CÔNG CỤ LOGIC MỜ CỦA MATLAB VÀ CÀI ĐẶT THỬ THUẬT TOÁN 59 4.1 Giới thiệu chung môi trường MATLAB 59 4.2 Bộ công cụ Logic Mờ (Fuzzy logic toolbox) 60 4.2.1 Giới thiệu 60 4.2.2 Các tính FLT 63 4.2.3 Xây dựng hệ suy diễn GUI FLT 63 4.2.4 Cấu trúc hệ suy diễn mờ Matlab 65 4.3 Bài tốn ví dụ cài đặt thử thuật toán 1, 65 4.3.1 Bài toán điều khiển tín hiệu đèn giao thơng 66 4.3.2 Tiêu chí ràng buộc 67 4.3.3 Thiết kế điều khiển giao thông mờ 68 KẾT LUẬN 74 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vi BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đầy đủ LM Linguistic Model TSK Takagi – Sugeno – Kang Model FIS Fuzzy Inference System FLT Fyzzy Logic Toolbox DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Các cặp đối ngẫu với n(x) = 1-x 17 Bảng 2.1: Phương pháp giải mờ trung bình tâm với m = 39 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.2: Đồ thị t-chuẩn yếu T0 7  Hình 1.2: Đồ thị t-chuẩn Lukasiewiez 7  Hình 1.3: Đồ thị t-chuẩn T2 8  Hình 1.4: Đồ thị t-chuẩn t(x,y) = x*y 8  Hình 1.5: Đồ thị t-chuẩn 8  Hình 1.5: Đồ thị t-chuẩn Min-Nilpotent 8  Hình 1.6: Đồ thị t-chuẩn T4 9  Hình 1.7: Giao tập mờ dạng tích 10  Hình 1.8: Giao tập mờ dạng 10  Hình 1.8: Đồ thị hàm t-đối chuẩn SN 12  Hình 1.9: Đồ thị T-đối chuẩn SM 13  Hình 1.10: Đồ thị T-đối chuẩn SP 13  Hình 1.11: Đồ thị T-đối chuẩn S2 13  Hình 1.13: Đồ thị T-đối chuẩn S4 13  Hình 1.14: Đồ thị T-đối chuẩn SL 14  Hình 1.15: Đồ thị T-đối chuẩn S0 14  LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vii Hình 1.16: Hợp hai tập mờ dạng Max 15  Hình 1.17: Hợp hai tập mờ dạng Lukasewiez 15  Hình 1.18: Đồ thị IQL= 1-x+x2y 23  Hình 1.19: Đồ thị IQL= max(y,1-x) 23  Hình 1.20: Đồ thị I(x,y)=max(1-x,min(x,y)) 26  Hình 1.21: Đồ thị hàm I(x,y) - Godeh 26  Hình 1.22: Đồ thị hàm I(x,y) - Goguen 27  Hình 2.1: Động điều khiển tốc độ khơng khí 30  Hình 2.2: Cấu trúc hệ suy diễn mờ 32  Hình 2.3: Giải mờ phương pháp cực đại 36  Hình 2.4: Giải mờ phương pháp trung bình 36  Hình 2.5: Giải mờ theo phương pháp trung bình tâm 36  Hình 2.6: Hàm thuộc hợp thành dạng đối xứng 36  Hình 2.7: Giải mờ trung bình tâm với m=2 37  Hình 3.1: Phân phối kết hợp luật R1(x,y): IF U Bi THEN V Di 44  Hình 3.2: Phương pháp lập luận Mamdani/Constructive 47  Hình 3.3: Kết tính tốn đầu hình phương pháp Mamdani 47  Hình 3.4: Sơ đồ khối phương pháp lập luận lơgic 51  Hình 3.5: Tính tốn kết đầu hình phương pháp logic 51  Hình 3.6: Biểu diễn quan hệ mờ R tương ứng với phương pháp Mamdani 52  Hình 3.7: Sơ đồ khối chế suy diễn đơn giản 54  Hình 3.8: Biểu diễn hình học hệ suy diễn ví dụ 58  Hình 4.1: Cửa sổ soạn thảo phân lớp Mờ- Neuron thích nghi 61  Hình 4.2: Hệ thống suy diễn Mờ thiết kế Simulink 62  Hình 4.3: Mơ hình cấu trúc GUI Matlab 64  Hình 4.4: Cấu trúc FIS 65  Hình 4.5: Hàm thuộc biến mờ biến vào Arrival 69  Hình 4.6: Hàm thuộc biến mờ biến vào Queue 69  Hình 4.7: Hàm thuộc biến mờ biến Extention 69  Hình 4.8: Biểu diễn hình học hệ suy diễn dạng Mamdani 73  Hình 4.9: Biểu diễn hình học hệ suy diễn dạng lập luận logic 73  LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Từ năm đầu thập kỷ 90 nay, hệ điều khiển mờ mạng nơron (Fuzzy system and neuron network) nhà khoa học, kỹ sư sinh viên lĩnh vực khoa học kỹ thuật đặc biệt quan tâm nghiên cứu ứng dụng vào sản xuất Tập mờ logic mờ (Fuzzy set and Fuzzy logic) dựa suy luận người thơng tin “khơng xác” “khơng đầy đủ” hệ thống để hiểu biết điều khiển hệ thống cách xác Điều khiển mờ bắt chước cách xử lý thông tin điều khiển người đối tượng, vậy, điều khiển mờ giải thành công vấn đề điều khiển phức tạp trước chưa giải Hiện nay, nói, cơng nghệ tính tốn mờ lĩnh vực nghiên cứu phát triển mạnh mẽ nhất, đánh dấu đời hàng loạt phương pháp kỹ thuật ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Việc tích hợp kỹ thuật logic mờ với phương pháp phân tích khác ngày diễn mạnh mẽ Logic mờ ứng dụng rộng rãi để giải nhiều tốn khoa học ứng dụng Những lĩnh vực kể vận trù học, hỗ trợ định, điều khiển, nhận dạng mẫu, kinh tế, quản lý, xã hội học, mơ hình thống kê, máy học, thiết kế khí, chế tạo, phân lớp, suy luận, thu nhận thông tin, quản lý sở liệu, chuẩn đoán y tế, hệ sở tri thức, … Đặc biệt lĩnh vực xử lý tri thức, cơng nghệ tính tốn mờ tỏ vơ hiệu Do tri thức người thường biểu diễn thể ngôn ngữ, câu hỏi, phát biểu giới xét Vấn đề việc xử lý tri thức không việc liên kết tri thức, phát biểu giới xét, mà việc đánh giá đắn chúng Logic hình thức cổ điển cho phép đánh giá phát biểu giới đúng, sai Tuy nhiên, thực tế, đánh giá phát biểu có sai khó khơng muốn nói phi thực tế Lấy ví dụ: tri thức dạng “Áp suất cao”, “Thể tích nhỏ”, “Quả táo đỏ”, việc xác định cách xác trị chân lý chúng hay sai khó từ “cao”, “nhỏ” hay “đỏ” hồn tồn có tính chất mơ hồ Từ Zadeh mở rộng logic mệnh đề thành logic mờ, đó, mệnh đề P gán cho trị chân lý υ(P), giá trị đoạn [0, 1], biểu diễn mức độ đắn mệnh đề LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn với mục tiêu tìm hiểu quy trình suy diễn mờ tập trung vào nội dung sau: Chương I tìm hiểu sở logic mờ, nhắc lại khái niệm, định nghĩa toán tử logic mờ t-chuẩn, t-đối chuẩn, phép phủ định, phép kéo theo, hàm thuộc, phép hợp thành… Chương II luận văn tìm hiểu khái niệm, định nghĩa luật mờ hệ mờ sở luật mờ Giới thiệu kiến thức kiến trúc, bước suy diễn hệ suy diễn mờ tìm hiểu số phương pháp suy diễn hệ mờ Chương III sâu vào nghiên cứu kỹ phương pháp lập lập xấp xỉ hệ mờ Tìm hiểu lại mơ hình ngơn ngữ, mơ hình Mamdani đặc biệt mơ hình Takagi – Sugeno – Kang với đầu hệ suy diễn biến mờ đơn mà hàm đầu Chương IV giới thiệu lại công cụ logic mờ phần mềm Matlab – công cụ với đầy đủ tính để thiết kế xây dựng hệ suy diễn mờ hữu ích Đồng thời giới thiệu tốn thiết kế hệ suy diễn điều khiển tín hiệu đèn giao thông, sử dụng để cài đặt thử kết cho thuật toán giới thiệu chương III luận văn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG I - CƠ SỞ LOGIC MỜ Để tiến hành phép tốn logic mệnh đề, cần phải có phép tốn logic mờ Đó phép tốn phủ định, t - chuẩn tương ứng với phép hội, t - đối chuẩn ứng với phép tuyển, phép kéo theo mờ Trong chương này, nhắc lại khái niệm sở logic mờ tìm hiểu hệ suy diễn mờ Do giới hạn luận văn nên có nhiều khái niệm, chứng minh khơng trình bày hết nội dung viết Kiến thức sở logic mờ xem thêm tài liệu [1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 18] Trước hết, bắt đầu việc tìm hiểu tốn tử mờ số tính chất đặc trưng chúng 1.1 Logic rõ xuất logic mờ Logic rõ (logic thông thường) ta quen thuộc hàng ngày với khái niệm rõ ràng từ cho ta kết luận dứt khoát [9] Chẳng hạn quan cần tuyển dụng người làm việc, tiêu chuẩn tuyển chọn có tiêu chuẩn sau: Nếu người cao từ 1,6m trở lên thuộc loại người cao chấp nhận, cịn 1,6m thuộc loại người thấp bị loại Như có người có đủ tất tiêu chuẩn khác cao 1,59m bị loại Logic suy nghĩ rõ ràng theo sơ đồ “máy tính” 1.6m sau: Như vậy, điểm 1,6m điểm tới hạn để định, 1,6m trở lên thuộc loại người cao, 1,6m loại người thấp Loại Nhận Những suy nghĩ logic mờ (logic không rõ): sống hàng ngày, đặc biệt nhiều tượng (nếu khơng nói tất cả) thể ngôn ngữ đưa ta đến khái niệm logi không rõ, logic mờ, chẳng hạn: Anh trông cao Cô trông LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 63 cho xPC Target hay dùng cho mục đích xử lý tốc độ phép toán dấu phảy động FLT Matlab giải vấn đề như: - Tạo soạn thảo hệ thống suy diễn Mờ cách: + Thông qua giao diện người sử dụng đồ hoạ: GUI + Dùng khối dòng lệnh + Cho phép tích hợp hệ thống Mờ (suy diễn Mờ) với công cụ Simulink + Xây dựng suy diễn Mờ công cụ C (gọi từ ngôn ngữ lập trình C đến Matlab) 4.2.2 Các tính FLT - Hỗ trợ việc tuỳ biến luật hàm thuộc để tạo hệ suy diễn Mờ - Bộ GUIs (giao diện đồ hoạ với người sử dụng ) riêng để vận dụng cho hệ thống đồ hoạ, xem phân tích kết tương tác - Xây dựng hệ suy diễn chuẩn kiểu Mamdani Sugeno - Sự định hàm thuộc chuẩn thơng qua kỹ thuật luyện mạng neuron thích nghi phân nhóm Mờ - Khả nhúng hệ suy diễn Mờ vào mơ hình Simulink sử dụng khối điều khiển Logic Mờ (Fuzzy Logic Controller) - Khả tạo tệp C cách linh động thông qua Real-Time Workshop - Mô tơ Logic Mờ sử dụng mã nguồn file C cho phép ta định dạng suy diễn Mờ cách độc lập nhúng vào trình ngoại trú khác 4.2.3 Xây dựng hệ suy diễn GUI FLT Trong FLT, hệ suy diễn Mờ gồm phần: Mờ hoá biến vào, áp dụng toán tử Mờ cho giả thiết, áp dụng phép kéo theo cho giả thiết đến kết quả, gộp kết luật giải Mờ Trong môi tường Matlab, hệ thống suy diễn Mờ hoàn chỉnh cung cấp cho ta phần: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 64 Hình 4.3: Mơ hình cấu trúc GUI Matlab - Bộ soạn thảo (FIS Editor): hiển thị thông tin chung hệ suy diền Mờ: biến vào, biến ra, tên biến FLT không giới hạn số lượng biến vào, nhiên, số lượng biến vào phải phụ thuộc vào nhớ cho phép máy tính Nếu số lượng biến vào lớn số lượng hàm thành viên q nhiều khó phân tích sử dụng công cụ GUI - Bộ soạn thảo hàm thuộc (Membership function Editor) sử dụng để định nghĩa dạng hàm thuộc ứng với biến - Bộ soạn thảo luật (Rule Editor) dùng để soạn thảo danh sách luật - xác định hành trạng hệ thống - Quan sát luật quan sát bề mặt sử dụng để quan sát Trái với soạn thảo, công cụ đọc Quan sát luật là hình ảnh sở Matlab hiển LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 65 thị đồ thị suy diễn Mờ giai đoạn sau Nó hoạt động luật, ảnh hưởng hàm thuộc kết trả Quan sát bề mặt cho phép hiển thị độc lập biến hai biến vào 4.2.4 Cấu trúc hệ suy diễn mờ Matlab Cấu trúc FIS (Fuzzy Inference System) đối tượng Matlab bao gồm tất thơng tin hệ suy diễn Cấu trúc lưu trữ bên công cụ GUI Các hàm truy nhập getfis, setfis cho ta dễ dàng kiểm tra cấu trúc Ta lấy thơng tin cấu trúc Fis cách sử dụng cú pháp structure.field Mọi thông tin hệ suy diễn đưa chứa đựng cấu trúc FIS bao gồm tên biến, hàm thuộc xác định… Ta xem mơ hình cấu trúc FIS công cụ Logic mờ bao gồm thành phần sau: FIS name type andMethod orMethod defuzzyMethod impMethod aggMethod input output rule Input name range mf Output name range mf Rules antecedent consequent weight connections Input MFs name type params Input MFs name type params Output MFs name type params Hình 4.4: Cấu trúc FIS Bên cạnh cách xây dựng hệ suy diễn mờ dựa vào công cụ giao tiếp với người sử dụng GUI cách thuận tiện cơng cụ Logic Mờ cung cấp cho người sử dụng hàm, lệnh để truy nhập làm việc trực tiếp từ cửa sổ lệnh Matlab 4.3 Bài tốn ví dụ cài đặt thử thuật toán 1, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 66 4.3.1 Bài tốn điều khiển tín hiệu đèn giao thơng Điều khiển kiểm sốt giao thông thành phố trở thành vấn đề lớn nhiều nước Với số lượng ngày tăng xe đường, Bộ Giao thông vận tải quan tìm nhiều cách biện pháp khắc phục Các biện pháp phát triển tuyến đường thành phố; xây dựng đường vịng Ví dụ đường vòng trong, vòng đường đường vịng ngồi; giới thiệu xe lửa thành phố vận chuyển nhanh nhẹ; hạn chế xe lớn thành phố cao điểm, phát triển điều khiển giao thông tinh vi hệ thống điều khiển Đối với toán điều chỉnh thời đèn xanh, đỏ ngã tư đường có nhiều phương pháp áp dụng [15], phương pháp tuân theo logic cổ điển thường dùng hai phương pháp: - Điều chỉnh theo thời gian: tức toán đặt ngã tư đường có mức độ ưu tiên việc điều chỉnh đèn tuỳ vào thời gian cao điểm đoạn đường mà thêm bớt thời gian đèn xanh, đỏ - Điều chỉnh theo hướng: tức ngã tư có phân biệt mức độ ưu tiên Với hướng có mức độ ưu tiên cao thời gian đèn xanh nhiều hơn, ngược lại Bên cạnh có xét thêm yếu tố thời gian cao điểm Ngồi ra, cịn nhiều phương án kết hợp vói nhiều yếu tố liên quan khoảng cách rộng ngã tư,… Song có vấn đề đặt việc áp dụng phương pháp nhiều bất lợi Bởi việc thống kê số liệu liên quan đến toán ngã tư khác nhau, dẫn đến việc thống kê không xác làm cho thời gian chết ngã tư nhiều Việc tính tốn lượng xe lại vào cao điểm với ngày tuần hay với ngày năm… Đã có phương pháp để nghiên cứu giải pháp cho vấn đề chuyên gia áp dụng phương pháp thích nghi (adaptation) Trong phương pháp này, người ta không cố định thời gian T đèn xanh định, mà biến TN thời gian đèn xanh thời điểm thứ N đó, TN khơng phải số TN khác phụ thuộc vào lượng xe thông qua số thời điểm trước Tức thời gian TN xác định cách quan sát k thời điểm trước Đây cịn gọi phương án Markov LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 67 Nếu sử dụng phương pháp phải tiến hành cơng việc quan sát trước dùng cách thức định tính Hơn nữa, khó sử dụng để tính toán ước lượng cho nhiều yếu tố bất định xảy thực tế như: thời tiết, cao điểm,… Vì vậy, việc áp dụng phương pháp suy diễn mờ cho phép làm việc với biến ngơn ngữ, tính tốn theo xác xuất lớn cho kết tốt phương pháp khác Bài toán lập hệ suy diễn để điều chỉnh thời gian đèn xanh đèn đỏ ngã tư đường cao tốc có ý ưu tiên số tình như: lượng xe từ hướng Đông, Tây, Nam Bắc, thời tiết, cao điểm … dẫn đến cần thuật giải suy diễn Mờ Đây ví dụ thường thấy nghiên cứu áp dụng thuật toán suy diễn mờ nhiều người quan tâm Trước đây, người ta áp dụng thuật toán suy diễn dạng Max-min (Mandani) Max-Prod (Sugeno) sử dụng t-chuẩn, t-đối chuẩn thơng thường Trong [15], Kok Khiang Tan cộng giới thiệu phần mềm thực hệ thống kiểm sốt giao thơng thơng minh đèn sử dụng cơng nghệ logic mờ có khả bắt chước trí thơng minh người cho phép điều khiển đèn giao thông Ở giới hạn luận văn xin giới thiệu lại thiết kế toán kiểm soát đèn giao thông sử dụng luật để cài đặt thử cho thuật toán suy diễn (đã giới thiệu chương III) 4.3.2 Tiêu chí ràng buộc Giả sử thiết lập tiêu chí cho hệ giao thông sau: i) Ngã tư bốn đường giao với đường giao thơng đến từ phía bắc, tây, nam phía đơng; ii) Khi giao thơng từ phía Bắc di chuyển phía Nam, giao thơng từ phía Tây Đơng dừng lại, ngược lại; iii) Khơng có quyền rẽ trái; iv) Bộ điều khiển logic mờ quan sát mật độ giao thơng phía Bắc phía Nam bên mật độ phía Tây phía Đơng bên khác; v) Làn xe Đông - Tây giả thiết cách tiếp cận chính; LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 68 vi) Thời gian tối thiểu tối đa đèn màu xanh giây 20 giây tương ứng 4.3.3 Thiết kế điều khiển giao thông mờ Một điều khiển logic mờ thiết kế cho ngã 4: bắc, nam, đông tây hình Trong điều khiển đèn giao thơng hai biến đầu vào mờ lựa chọn: lưu lượng xe bên đến (Arrival) số lượng xe bên hàng đợi (Queue) Nếu phía bắc phía nam màu xanh hướng Arrival bên phía tây phía đơng coi Queue ngược lại Biến mờ biến gia hạn thời gian cần thiết cho ánh sáng màu xanh bên đến (Extension) Như dựa điều kiện giao thông luật mờ xây dựng cho đầu điều khiển mờ kéo dài không kéo dài thời gian đèn màu xanh Nếu khơng có gia hạn thời gian trạng thái đèn xanh tại, đèn giao thông thay đổi sang pha khác 4.3.3.1 Hàm thuộc biến vào biến Với điều khiển tín hiệu đèn giao thơng, có hàm thuộc cho biến vào hệ thống Bảng sau biến mờ biến Arrival, Queue Extention, sử dụng chữ đầu để viết tắt cho biến mờ Arrival Queue Extention Almost AN Very small VS Zero Z Few F Small S Short S Many MY Medium M Medium M Too many TMY Large L Longer L LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 69 Biểu diễn hình học cho hàm thuộc biến vào hình: Hình 4.5: Hàm thuộc biến mờ biến vào Arrival Hình 4.6: Hàm thuộc biến mờ biến vào Queue Hình 4.7: Hàm thuộc biến mờ biến Extention Trục y biểu diễn cho giá trị độ thuộc biến mờ Đối với biến vào mờ trục x tín hiệu cảm biến số lượng xe Với biến chiều dài thời gian kéo dài vài giây Thiết kế cho hàm thuộc thực theo quan sát chuyên gia hệ thống môi trường Tuy nhiên, độ rộng trọng tâm hàm thuộc dễ dàng thay đổi thiết kế lại theo điều kiện trạng thái giao thông khác LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 70 Ví dụ đường giao tắc nghẽn, số lượng xe ô tô tập mờ "Quá nhiều" hay "lớn" cần tăng lên Mặt khác, đường giao rộng nghẽn chiều rộng hàm thuộc giảm bớt Ta quan sát thấy điều khiển logic mờ chuyển đổi từ tập mờ khác thực dễ dàng từ hành động kiểm soát sang hành động khác, thế, cần có những tập mờ trùng Nếu khơng có chồng chéo tập mờ hành động kiểm soát bị tương tự điều khiển hoa trị hai (điều khiển bước) Mặt khác có nhiều chồng chéo tập mờ, có nhiều việc mờ hóa điều làm nhiễu hành động điều khiển 4.3.3.2 Bộ luật mờ Cơ chế suy diễn điều khiển logic mờ giống với trình lập luận người Dựa vào ý kiến chuyên gia việc kiểm sốt lưu lượng nhiều ta có dạng luật theo cách sau: IF giao thơng từ phía bắc thành phố ĐƠNG AND giao thơng từ phía tây VẮNG THEN thời gian cho phép chuyển động giao thơng từ phía bắc DÀI Hoặc luật khác: IF giao thơng từ phía bắc thành phố TRUNG BÌNH AND giao thơng từ phía tây TRUNG BÌNH THEN cho phép chuyển động bên BÌNH THƯỜNG Điểm mạnh logic mờ sử dụng lý luận gần quy tắc ĐÔNG, VẮNG, TRUNG BÌNH, BÌNH THƯỜNG, DÀI, v.v Dựa vào thiết kế hàm thuộc mờ, biến ngôn ngữ, mờ tự nhiên, thực máy tính thơng qua cơng nghệ logic mờ Trong phát triển điều khiển logic mờ, sử dụng luật tương tự số ví dụ đưa đây: Nếu có nhiều xe ô tô (TMY) phía bên đến nhỏ, số lượng xe tơ (VS) xếp hàng thời gian thêm cho đèn màu xanh dài (L) Nếu có khơng có xe tơ (AN) phía bên đến nhỏ số lượng xe tơ (VS) bên đợi khơng thêm thời gian đèn màu xanh (Z) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 71 Các luật rút ngắn sau: Nếu ARIVAL TMY QUEUE VS THEN Extension L NẾU ARIVAL F QUEUE VS THEN Extension S NẾU ARIVAL AN QUEUE VS THEN Extension Z Trong "ARIVAL" "QUEUE" giả thiết "Extention" đèn xanh kết luận Các luật dễ dàng phát triển theo điều kiện giao thông ngã tư để đơn giản ta biểu diễn quy tắc ma trận: ARIVAL QUEUE AN F MY TMY VS Z S M L S Z S M L M Z X S M L Z Z Z S Tương ứng với ma trận luật cho ta 16 luật điều khiển tín hiệu đèn giao thông hệ suy diễn mờ: If (Arival is AN) and (QUEUE is VS) then (Extention is Z) If (Arival is AN) and (QUEUE is S) then (Extention is Z) If (Arival is AN) and (QUEUE is M) then (Extention is Z) If (Arival is AN) and (QUEUE is L) then (Extention is Z) If (Arival is F) and (QUEUE is VS) then (Extention is S) If (Arival is F) and (QUEUE is S) then (Extention is S) If (Arival is F) and (QUEUE is M) then (Extention is Z) If (Arival is F) and (QUEUE is L) then (Extention is Z) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 72 If (Arival is MY) and (QUEUE is VS) then (Extention is M) 10 If (Arival is MY) and (QUEUE is S) then (Extention is M) 11 If (Arival is MY) and (QUEUE is M) then (Extention is S) 12 If (Arival is MY) and (QUEUE is L) then (Extention is Z) 13 If (Arival is TMY) and (QUEUE is VS) then (Extention is L) 14 If (Arival is TMY) and (QUEUE is S) then (Extention is M) 15 If (Arival is TMY) and (QUEUE is M) then (Extention is M) 16 If (Arival is TMY) and (QUEUE is L) then (Extention is S) Thiết kế hệ suy diễn với luật vào FLT, cấu trúc FIS dạng Mamdani – thuật toán - sau thiết kế có nội dung: Name = traffic Type = mamdani NumInputs = InLabels = Arival QUEUE NumOutputs = OutLabels = Extention NumRules = 16 AndMethod = OrMethod = max ImpMethod = AggMethod = max DefuzzMethod = centroid LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 73 cho ta kết biểu diễn hình học hình 4.8 Hình 4.8: Biểu diễn hình học hệ suy diễn dạng Mamdani Với hệ suy diễn trên, áp dụng phương pháp lập luận logic – thuật toán 2, kết xác định mức đốt luật việc tích hợp tập mờ đầu khác cho kết sau: Hình 4.9: Biểu diễn hình học hệ suy diễn dạng lập luận logic LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 74 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu thực đồ án, hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TSKH Bùi Cơng Cường, em hồn thành yêu cầu luận văn tốt nghiệp tìm hiểu phép tốn logic mờ nói chung số quy trình suy diễn mờ nói riêng Luận văn tập trung mở rộng tìm hiểu phương pháp lập luận xấp xỉ hệ mờ dựa sở luật mờ, hệ mờ dạng TSK mơ hình tìm hiểu có nhiều ưu điểm tính Để hoàn thành đề tài trên, em thực hiện: nghiên cứu tài liệu có liên quan đến đề tài (xem danh mục tài liệu tham khảo); Tham gia sinh hoạt Xemina Viện Toán học Hà nội; Nghe buổi chuyên đề khoa Toán ứng dụng, Đại học Bách Khoa Hà Nội; Tham dự hội thảo trường thu "Hệ mờ ứng dụng" lần thứ 1,2,3 Hà Nội; Tham khảo nghiên cứu sử dụng phầm mềm Matlab… Một phần kết từ nghiên cứu bước đầu trình bày 03 báo (xem danh mục cơng trình tác giả) Từ kết nghiên cứu cho phép đưa thuật toán suy diễn cài đặt vào điều khiển mờ, khơng cần khảo sát lại đặc tính tốn học chung thuật toán mà phải xét tới đặc điểm riêng toán thực tế Các thuật tốn kết hợp với mạng nơ-ron mờ đưa vào ứng dụng trí tuệ nhân tạo (như hệ chuyên gia, hệ hỗ trợ định, ) giúp cho hệ thống suy diễn cho kết đắn xác hơn, phù hợp với yêu cầu người chuyên gia yêu cầu thực tế hệ thống suy diễn Các thuật tốn dùng cơng cụ Simulink Matlab sử dụng để cài đặt vào điều khiển với senso nhận tín hiệu điều khiển bên biến đầu vào giá trị ngưỡng Đây ứng dụng nhiều chuyên gia ngành điện tử, công nghệ thông tin qua tâm Tuy vậy, phần lớn kết đạt trình nghiên cứu dừng lại mức độ lý thuyết thử nghiệm Để áp dụng thực tế cịn cần phải khảo sát, phân tích kỹ mơ hình hố tốn cụ thể Đây bước phát triển đề tài mà hạn chế thời gian thực kiến thức tác giả nên chưa triển khai Ngồi ra, mở rộng bổ sung cơng cụ Logic Mờ kết hợp với công cụ Neuron Network Toolbox Matlab hướng phát triển đề tài, với mong muốn tạo điều khiển, ứng dụng suy diễn Mờ vào nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 75 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Bùi Cơng Cường Hồ Khánh Lê – Một số thuật toán suy diễn mờ công cụ Logic Mờ Matlab (phần I) – Preprint 2002/17 Viện Toán học Hà Nội, 05/2002 Bui Cong Cuong, Nguyen Hoang Phuong, Ho Khanh Le, Bui Truong Son and Le Quang Phuc - Adding some new fuzzy Inference Methods to “Fuzzy Logic Toolbox” of Matlab In Proceeding of the Third International conference on Intelligent technologies and Third Vietnam – Japan Symposium on Fuzzy Systems and Applications, INTECH/VJFUZZY’2002, CNRS, 2002, pp 143-148 Bui Cong Cuong, Nguyen Hoang Phuong, Ho Khanh Le, Bui Truong Son, and Koichi Yamada (2003) - Fuzzy Inference Methods Employing T-norm with threshold and their Implementation, J Advanced computational Intelligence and Intel Informatics 7(2003), N03, pp 362-369 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bùi Cơng Cường Nguyễn Dỗn Phước (2001), Hệ Mờ, mạng Neuron ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2001 Bùi Công Cường (2000), Kiến thức sở Hệ Mờ, Trường thu “Hệ Mờ ứng dụng” lần thứ nhất, Viện Toán học, Hà Nội, 8/2000 Bùi Công Cường Hồ Khánh Lê (2002), “Một số thuật toán suy diễn mờ công cụ Logic Mờ Matlab (phần I)” , Preprint 2002/17, Viện Toán học Hà Nội, 05/2002 Đặng Minh Hoàng (2000), Đồ họa với Matlab5.3, NXB Thống kê, TPHCM, 2000 Hồ Khánh Lê (2002), Bước đầu tìm hiểu cài đặt bổ sung công cụ Logic Mờ Matlab, Đồ án tốt nghiệp, Khoa công nghệ tin học, Viện Đại học Mở Hà Nội, 2002 Phạm Văn Lợi (2001), Một số dạng suy rộng phép hội, phép tuyển, phép kéo theo logic mờ vài ứng dụng, Luận văn Thạc sỹ toán học, Viện tốn học, 2001 Phan Xn Minh, Nguyễn Dỗn Phước (1997), Lý thuyết điều khiển Mờ, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1997 Nguyễn Hoàng Phương, Bùi Cơng Cường, Nguyễn Dỗn Phước, Phan Xn Minh Chu Văn Hỷ (1998), Hệ Mờ ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1998 Nguyễn Trọng Thuần (2000), Điều khiển Logic ứng dụng, tr 119-181, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2000 10 Nguyễn Hữu Tình, Lê Tấn Hùng, Phạm Thị Ngọc Yến, Nguyễn Thị Lan Hương (2001), Cơ sở Matlab ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2001 Tiếng Anh 11 Bui Cong Cuong (2002) – “Some Computing Procedure in Fuzzy System” The Proceeding of the school on Scientific Computing and Applications, March 4-6, 2002, HCM University Technology, pp 117-127 12 Bui Cong Cuong, Nguyen Hoang Phuong, Ho Khanh Le, Bui Truong Son and Le Quang Phuc (2002), “Adding some new fuzzy inference methods to LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 77 “Fuzzy Logic Toolbox” of Matlab”, Proceeding of the Third International conference on Intelligent technologies and Third Vietnam – Japan Symposium on Fuzzy Systems and Applications, INTECH/VJFUZZY’2002, CNRS, 2002, pp 143-148 13 Bui Cong Cuong, Nguyen Hoang Phuong, Ho Khanh le, Bui Truong Son, and Koichi Yamada (2003), “Fuzzy inference methods employing T-norm with threshold and their implementation”, J Advanced computational Intelligence and Intel Informatics, 7(2003), N03, pp 362-369 14 Duane Hanselman, Bruce Littlefield (1996) – Mastering Matlab – International Edition, 1996 15 Jyh-Shing, Joger Jang (1993), “ANFIS: Adaptive - network – based fuzzy inference system”, IEEE transactions on systems, Man, and Cybernetic, Vol 23, No 3, May-June 1993 16 Kok Khiang Tan, Marzuki Khalid and Rubiyah Yusof (1996), “Intelligent traffic lights control by fuzzy logic”, Malaysian Journal of Computer Science, Vol No 2, December 1996, pp 29-35 ISSN 0127-9084 17 Matlab – Graph (User’s guide) 18 Nobuyuki NAKAJIMA (2001) , “ Fuzzy logics and t-norms”, Proceeding of the second Vietnam-Japan Symposium on Fuzzy Systems and Applications VJFUZZY’2001, pp 34- 39 19 Sugeno, M and Kang, G T (1986) “Fuzzy modeling and control of multilayer incinerator”, Fuzzy Sets and Systems, Volume 18 , Issue , Elsevier North-Holland (April 1986), pp 329-346 20 Ronald R.Yager and Dimitar P.Filev (1998), Sugeno, M and Nguyen H T (Eds), “Fuzzy rule based models and apprroximate reasoning”, Fuzzy system: modelling and control, Kluwer Academic, Boston 1998, pp 91-133 21 Ronald R Yager, Dimitar Filev (1993), “On the issue of defuzzification and selection based on a fuzzy set”, Fuzzy Sets and Systems, Volume 55, Issue 3, Elsevier North-Holland, 10 May 1993, pp 255-271 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... luật IF - THEN mờ hình thành phần hệ suy diễn mờ giới thiệu sau 2.1.2 Định nghĩa hệ mờ sở luật mờ Hệ suy diễn mờ xem hệ mờ dựa sở luật mờ, mơ hình mờ, nhớ tương tự mờ điều khiển mờ sử dụng điều... luật mờ hệ mờ sở luật mờ Giới thiệu kiến thức kiến trúc, bước suy diễn hệ suy diễn mờ tìm hiểu số phương pháp suy diễn hệ mờ Chương III sâu vào nghiên cứu kỹ phương pháp lập lập xấp xỉ hệ mờ Tìm... Kiến trúc hệ suy diễn mờ 32 2.2.3 Các bước suy diễn mờ 33 2.2.4 Một số phương pháp suy diễn hệ mờ 38 CHƯƠNG III - LẬP LUẬN XẤP XỈ TRONG HỆ MỜ TRÊN CƠ SỞ CÁC LUẬT MỜ41 3.2