phương pháp toán trong tin học – ứng dụng lập trình prolog trong hệ chuyên gia

Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia LỜI CÁM ƠN Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn đã tận tình truyền thụ cho chúng em những kiến thức về Phương pháp toán trong tin học. Tuy thời gian học không nhiều nhưng chúng em đã học hỏi được từ thầy những kiến thức cơ bản của môn học. Vì thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế nên bài thu hoạch chắc chắn còn những khiếm khuyết. Em rất mong thầy lượng thứ và hướng dẫn để chúng em có thể hoàn thiện tốt hơn. Kính chúc thầy và gia đình sức khoẻ dồi dào. Chúc thầy thành công hơn nữa trên con đường khoa học và trong công tác giảng dạy. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2010 Học viên : Hoàng Lê Nhật Anh SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 1 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU 3 I.1 Đặt vấn đề 3 I.2 Mục đích, yêu cầu khi thực hiện đề tài 4 I.3 Các bước thực hiện 4 I.4 Kết quả dự kiến 4 CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 II.1 Hệ chuyên gia 5 II.1.1 Định nghĩa hệ chuyên gia 5 II.1.2 Hoạt động của hệ chuyên gia 5 II.1.3 Những thành phần cơ bản của một hệ chuyên gia 6 II.1.4 Biểu diễn tri thức trong hệ chuyên gia 7 II.2 UML 8 II.2.1 Lý thuyết UML 8 II.2.2 Các quy ước trong UML 9 II.2.3 Các sơ đồ trong UML 10 CHƯƠNG III PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 11 III.1 Thông tin về các loại biển báo 11 III.2 Mô hình Usecase 15 III.3 Biểu đồ tuần tự 15 III.4 Biểu đồ hoạt động 16 CHƯƠNG IV XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN 18 IV.1 Xây dựng hệ chuyên gia với Prolog 18 IV.2 Thiết kế chương trình 18 IV.3 Xây dựng tập các sự kiện và luật 21 IV.4 Một số thủ tục sử dụng trong chương trình 26 IV.5 Demo Chương trình 27 28 KẾT LUẬN 29 Các kết quả đạt được 29 Công việc chưa thực hiện được 29 Hướng phát triển 29 Tài liệu tham khảo 30 SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 2 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia CHƯƠNG I GIỚI THIỆU I.1 Đặt vấn đề Hằng ngày, có rất nhiều vấn đề, sự kiện, tình huống nảy sinh từ hoạt động, giao tiếp của mỗi người. Không phải ai khi tiếp xúc với tình huống xảy ra đối với mình họ cũng đưa ra những biện pháp giải quyết hợp lý, nhất là khi nó vượt ra khỏi tầm hiểu biết của bản thân. Nhiều trường hợp chúng ta không biết được nguyên nhân nãy sinh tình huống như vậy và hướng giải quyết như thế nào. Có lẽ trong trường hợp này tốt nhất là chúng ta phải tự tìm hiểu hoặc nhờ tư vấn của những người am hiểu, chuyên gia về lĩnh vực đó. - Máy tính và vấn đề giải quyết tình huống của con người . Ban đầu máy tính được thiết kế chỉ với mục đích đơn giản là giúp con người tính toán trên phép tính số học đối với các con số. Nhưng với sự phát triển nhanh theo từng ngày, máy tính không còn là một công cụ tính toán đơn giản nữa mà nó trở thành một công cụ đa tiện ích, từ giải quyết công việc kinh doanh, buôn bán, trao đổi thông tin đến vui chơi giải trí…Máy tính trở nên thông minh hơn khi người ta xây dựng các chương trình mô phỏng trí tuệ con người hay còn gọi là trí tuệ nhân tạo. Các chương trình này có khả năng suy nghĩ, giải quyết các vấn đề giống như một chuyên gia (expert) thuộc về một lĩnh vực nào đó. - Xây dựng hệ chuyên gia về nhận biết biển báo giao thông. Khi tham gia giao thông trên đường nhất là đường có nhiều phương tiện qua lại, thì chúng ta thường thấy rằng có rất nhiều biển báo được cắm ở hai bên nhằm chỉ dẫn cho người điều khiển phương tiện cách thực hiện đúng luật giao thông tại nơi quy định, sao cho bảo đảm sự an toàn tuyệt đối đối với mình và mọi người. Nhưng có một điều là có rất nhiều người tham gia giao thông khi gặp các biển báo, họ không biết biển báo này là biển báo gì, cách thực hiện các chỉ dẫn như thế nào cho đúng luật. Vì vậy, có rất nhiều tai nạn SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 3 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia giao thông xẩy ra khi người tham gia giao thông không thực hiện đúng luật tại nơi có đặt biển báo, làm thiệt hại về người và của. Với những kiến thức về Hệ chuyên gia, Logic học, Lập trình Prolog cũng như các kiến thức liên quan khác. Em đã xây dựng một chương trình mô phỏng một chuyên gia, có khả năng nhận biết các biển báo giao thông, bằng cách hỏi người sử dụng thông tin về biển báo đó. I.2 Mục đích, yêu cầu khi thực hiện đề tài - Mục đích của đề tài: Từ những hiểu biết vốn có và tìm hiểu qua phương tiện truyền thông đài, báo, internet … về biển báo giao thông. Một cơ sở dữ liệu đã được xây dựng bao gồm các luật để nhận biết hình dáng, đặc điểm, tên của các biển báo. Từ đó xây dựng chương trình giao tiếp có khả năng tiếp nhận các sự kiện (facts) mà người dùng cung cấp. Sau khi xử lý các sự kiện bằng cách sử những thông tin được lưu trong cơ sở dữ liệu. Chương trình sẽ thông báo kết quả lên màn hình, về tên biển báo giao thông, và hướng dẫn cho người sử dụng biết trong quá trình tham gia giao thông cần phải xử lý như thế nào khi gặp biển báo này. I.3 Các bước thực hiện  Xây dựng cơ sở luật và cơ sở sự kiện, từ đó xây dựng một cơ sở dữ liệu của chương trình.  Tìm giải pháp xử lý các luật và sự kiện để trả lời câu hỏi mà người dùng đặt ra.  Xây dựng giao diện để nhập dữ liệu đầu vào và hiện thông tin trả lời sau khi xử lý. I.4 Kết quả dự kiến Chương trình có thể cung cấp thông tin về các loại biển báo giao thông từ những thông tin do người dùng cung cấp. SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 4 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT II.1 Hệ chuyên gia II.1.1 Định nghĩa hệ chuyên gia Hệ chuyên gia (Expert System) là một chương trình máy tính thông minh sử dụng tri thức và các thủ tục suy luận để giải những bài toán khó đòi hỏi những chuyên gia mới làm được. Hệ chuyên gia là một trong những ứng dụng thuộc lĩnh vực trí tuệ nhân tạo. Là hệ thống có thể mô phỏng năng lực quyết đoán và hành động của một chuyên gia. Hệ chuyên gia sử dụng các tri thức của những chuyên gia để giải quyết các vấn đề khác nhau thuộc mọi lĩnh vực. II.1.2 Hoạt động của hệ chuyên gia Một hệ chuyên gia gồm ba thành phần chính là cơ sở tri thức (knowledge base), máy suy diễn (inference engine), và hệ thống giao tiếp với người sử dụng (user interface). Cơ sở tri thức chứa các tri thức để từ đó máy suy diễn tạo ra câu trả lời cho người sử dụng qua hệ thống giao tiếp. Hoạt động của hệ chuyên gia dựa trên tri thức Hình 1 . Hoạt động của hệ chuyên gia. SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 5 Máy suy diễn (Inference Engine) Cơ sở tri thức (Knowledege base) Hệ thống giao tiếp (User Interface) Người sử dụng (User) Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia Mỗi hệ chuyên gia chỉ đặc trưng cho một lĩnh vực vấn đề nào đó như y học, tài chính, khoa học hay công nghệ,…mà không phải cho bất cứ một lĩnh vực nào. II.1.3 Những thành phần cơ bản của một hệ chuyên gia - Cơ sở tri thức là nền tảng của hệ chuyên gia Biểu diễn tri thức trong lĩnh vực cần xử lý. Có nhiều phương pháp biểu diễn tri thức, phổ biến nhất là theo luật. Trong phần cơ sở tri thức thì tri thức được mô tả bao gồm các đối tượng có liên quan, trong nhiều trường hợp cần thiết thì cơ sở tri thức này lưu giữ các chiến lược giải quyết bài toán và các vấn đề liên quan đến nó. Hình 2. Thành phần của hệ chuyên gia - Máy suy diễn Là bộ phận quan trọng của hệ chuyên gia, máy suy diễn là một cơ chế lập luận được cài đặt trọng hệ chuyên gia để giải quyết các vấn đề cụ thể. Bộ phận này này sẽ sử dụng các đối tượng nằm trong cơ sở tri thức để tạo ra các SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 6 Máy suy diễn Máy suy diễn Bộ nhớ làm việc Bộ nhớ làm việc Lịch công việc Cơ sở tri thức các luật Cơ sở tri thức các luật Khả năng giải thích Khả năng giải thích Khả năng thu nhận tri thức Khả năng thu nhận tri thức Giao diện người sử dụng Giao diện người sử dụng Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia suy diễn theo các phương pháp mà nó đã định. Có thể thấy rằng là máy suy diễn cũng là hạt nhân trong hệ chuyên gia. - Hệ thống giao tiếp Còn gọi là bộ đối thoại làm nhiệm vụ giao tiếp giữa hệ chuyên gia và người sử dụng. Thành phần này là tri thức từ người sử dụng như các câu hỏi, các yêu cầu mà trong nhiều trường hợp là các đề nghị người sử dụng cân thiệp vào từng nơi tiếp xúc. Giao diện đưa ra các kết luận, lời giải thích cho người sử dụng. Lí do quan trọng chính vì sự can thiệp để tiến tới độ xử lý. - Lịch công việc (agenda). Danh sách các luật ưu tiên do máy suy diễn tạo ra thỏa mãn các sự kiện, các đối tượng có mặt trong bộ nhớ làm việc. - Bộ nhớ làm việc (working memory). Cơ sở dữ liệu toàn cục chứa các sự kiện phục vụ cho các luật. - Khả năng giải thích (explaination facility). Giải nghĩa cách lập luận của hệ thống cho người sử dụng. - Khả năng thu nhận tri thức (Aquisition facility). Cho phép người sử dụng bổ sung các tri thức vào hệ thống một cách tự động thay vì tiếp nhận tri thức bằng cách mã hóa tri thức một cách tường minh. Khả năng thu nhận tri thức là yếu tố mặc nhiên của nhiều hệ chuyên gia. II.1.4 Biểu diễn tri thức trong hệ chuyên gia Tri thức của một hệ chuyên gia có thể được biểu diễn theo nhiều cách khác nhau. Thông thường có một số cách sau. - Biểu diễn tri thức bằng luật sản xuất: Các luật sản xuất thường được viết dưới dạng IF THEN, có hai dạng như sau: IF <điều kiện> THEN <hành động> Hoặc IF <điều kiện> THEN <kết luận> DO <hanh động> SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 7 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia - Biểu diễn tri thức nhờ mệnh đề logic - Biểu diễn tri thức nhờ mạng ngữ nghĩa - Biểu diễn tri thức nhờ ngôn ngữ nhân tạo Ngoài ra, còn có thể sử dụng các cách sau để biêu diễn tri thức: - Biểu diễn theo cặp đôi Thuộc tinh- Giá trị (Attribute-Value Pairs). Màu nền-Xanh - Biểu diễn nhờ bộ ba Đối tượng-Thuộc tính-Giá trị (O-A-V: Object- Atribute-Value Triples) Biển báo-Màu nền-Xanh - Biểu diễn theo kiểu bản ghi (Records) - Biểu diễn theo dạng khung (Frames). II.2 UML II.2.1 Lý thuyết UML UML là một ngôn ngữ bao gồm một bảng từ vựng và các quy tắc để kết hợp các từ vựng đó phục vụ cho mục đích giao tiếp. Một ngôn ngữ dùng cho việc lập mô hình là ngôn ngữ mà bảng từ vựng( các ký hiệu) và các quy tắc của nó tập trung vào việc thể hiện về mặt khái niệm cũng như vật lý của một hệ thống. Mô hình hoá mang lại sự hiểu biết về một hệ thống. Một mô hình không thể giúp chúng ta hiểu rõ một hệ thống, thường là phải xây dựng một số mô hình xét từ những góc độ khác nhau. Các mô hình này có quan hệ với nhau. SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh Oject Shape Color Biển #1 Tròn Xanh 8 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia UML sẽ cho ta biết cách tạo ra và đọc hiểu được một mô hình được cấu trúc tốt, nhưng nó không cho ta biết những mô hình nào nên tạo ra và khi nào tạo ra chúng. Đó là nhiệm vụ của quy trình phát triển phần mềm. II.2.2 Các quy ước trong UML - Actor (tác nhân) Bất cứ vật gì tương tác với hệ thống được xem như một Actor. Nó có thể có nhiều vai trò, và Actor không cần phải là một người hoặc một User, mà có thể là bất cứ vật gì tương tác với hệ thống. - Use Case (UC): Use Case mô tả ai đó sử dụng hệ thống như thế nào, mô tả tương tác giữa người sử dụng với hệ thống phần mềm để thực hiện các thao tác giải quyết công việc cụ thể nào đó. Use Case không cho biết hệ thống làm việc bên trong như thế nào. Nó không phải là thiết kế, cũng không phải là kế hoạch cài đặt, nó là một phần của vấn đề cần giải quyết. Tiến trình của hệ thống được chia nhỏ thành các Use Case để có thể nhận ra từng bộ phận của nó một cách rõ ràng và để nhiều người có thể cùng xử lý. Use Case là nền tảng của phân tích hệ thống. Việc tìm ra đầy đủ các UC đảm bảo rằng hệ thống sẽ xây dựng đáp ứng mọi nhu cầu của người sử dụng. Mỗi UC là tập hành động. Mỗi hành động là cái gì đó mà hệ thống làm, nó là hạt nhân được hệ thống thực hiện hoàn toàn hay không thực hiện phần nào. SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 9 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia II.2.3 Các sơ đồ trong UML - Sơ đồ trường hợp sử dụng Use Case diagram. Use Case diagram là sơ đồ cung cấp một cách nhìn tổng quan nhất về toàn bộ hệ thống. Trong đó bao gồm tất cả các tác nhân (Actor) và các trường hợp sử dụng (Use Case) có liên quan đến hệ thống. Sơ đồ này được cấu tạo từ ba yếu tố chính là Actor (tác nhân), trường hợp sử dụng (Use Case), các quan hệ. - Biểu đồ trình tự (sequence diagram) Biểu đồ trình tự là biểu đồ tương tác theo trật tự thời gian của các giao tiếp bằng thông điệp giữa các đối tượng, biểu đồ được đọc từ đỉnh xuống đáy. Mỗi Use Case có nhiều luồng dữ liệu. Mỗi biểu đồ trình tự biểu diễn một luồng dữ liệu. Biểu đồ trình tự bao gồm các phần tử để biểu diễn đối tượng, thông điệp và thời gian. Đối tượng trong biểu đồ được biểu diễn bằng hình chữ nhật, trong hình chữ nhật là tên của nó. Thời gian được biểu diễn bằng đường gạch gạch theo phương thẳng đứng (gọi là chu kỳ sống của đối tượng), bắt đầu từ đỉnh và kết thúc tại đáy biểu đồ. Hình chữ nhật dọc theo chu kỳ sống được gọi là hoạt động. Hoạt động biểu diễn thời gian thực thi một hành động tương ứng. Thông điệp được vẽ bằng mũi tên đóng đi từ chu kỳ sống của đối tượng này đến chu kỳ sống của đối tượng khác. Trên mũi tên là tên thông điệp. - Biểu đồ hoạt động Biểu đồ hoạt động là một phương tiện mô tả các dòng công việc. Như một công cụ phân tích, nó mô tả các dòng nghiệp vụ với nhiều mức độ chi tiết khác nhau. Ở mức thiết kế, biểu đồ hoạt động được dùng để mô tả chi tiết bên trong một thao tác. SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 10 [...].. .Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia CHƯƠNG III PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG III.1 Thông tin về các loại biển báo Hình 3: Biển báo cấm SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 11 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia Hình 4: Biển báo nguy hiểm SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 12 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong. .. thể hiện trình tự các hoạt động diễn ra giữa người sử dụng và Hệ chuyên gia trong quá trình hỏi SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 16 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia Hình 9: Biểu đồ hoạt động của hoạt động tư vấn về biển báo SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 17 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia CHƯƠNG IV XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH VÀ... Nhật Anh 14 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia III.2 Mô hình Usecase Hình 7: Mô hình Usecase của hệ thống III.3 Biểu đồ tuần tự Biểu đồ tuần tự thể hiện các bước thực hiện cơ bản của người sử dụng cần sự tư vấn về các loại Biển báo từ Hệ chuyên gia SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 15 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia Hình... lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia Hình 5: Biển chỉ dẫn SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 13 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia Hình 6: Biển hiệu lệnh Từ các hình dạng của các loại biển báo, ta có thể thiết kế hệ thống như sau: Hệ thống gồm có tác nhân là Người sử dụng và Hệ chuyên gia Người sử dụng cần tư vấn về các loại biển báo từ Hệ chuyên gia, và sẽ nhận được... chuyên gia Hình 12: Trường hợp không thành công SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 28 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia KẾT LUẬN Các kết quả đạt được - Công việc thực hiện được: Đã xây dựng được chương trình mô phỏng một chuyên gia về biển báo giao thông Chương trình có khả năng hận sự kiện từ người sử dụng cung cấp Từ các sự kiện đó, sau quá trình xử lý chương trình. .. người sử dụng có thể tăng thêm kiến thức của mình về luật giao thông SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 29 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] PGS-TSKH Phan Huy Khánh, Lập trình logic trong PROLOG PGS-TSKH Phan Huy Khánh, Hệ chuyên gia Dennis Merritt, Building Expert Systems in Prolog SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 30 ... kéo theo Hệ chuyên gia là một trong những ứng dụng thuộc lĩnh vực trí tuệ nhân tạo Vì vậy có thể dùng Prolog để xây dựng một hệ chuyên gia về một lĩnh vực nào đó IV.2 Thiết kế chương trình Chương trình được thết kế và thực thi trên môi trường ngôn ngữ lập trình Prolog Giao diện được trình bày trong chương trình sử dụng giao diện dòng lệnh của Prolog Phần cơ sở dữ liệu về nhận biết biển báo giao thông... Anh 23 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia % Các loại Biển báo hình tam giác viền đỏ bienbao(giao_nhau_duong_khong_uu_tien):htgvd(bien), conenmau(vang), hinhdactrung(muitenbicatngang) bienbao(giao_nhau_duong_cung_cap):htgvd(bien), conenmau(vang), hinhdactrung(chu_thap) bienbao(giao_nhau_co_den_giao_thong):htgvd(bien), conenmau(vang), hinhdactrung(den_giao_thong)... Lê Nhật Anh 26 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia IV.5 Demo Chương trình Từ cửa sổ chính của SWI -Prolog chọn file->Consult Cửa sổ OpenDialog hiện ra tiếp theo chọn tên file cần thực hiện, ở đây là bienbaogiaothong.pl Sau khi kiểm tra cú pháp không có lỗi, nội dung file được nạp vào bộ nhớ Trên cửa sổ dòng lệnh xuất hiện dấu hổi chờ người sử dụng nhập câu lệnh... màu đỏ và THEN IF Hình đặc trưng là hình người lái xe moto và SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 19 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia Hình đặc trưng bị gạch chéo Biển báo là biển cấm cấm xe mô tô THEN Từ sự mô tả ở trên, chúng ta có thể dễ dàng triển khai trong ngôn ngữ lập trình Prolog như sau theo kiểu cặp đôi (Attribute-Value pairs), bằng cách suy diễn ngược lại tạo . Anh 11 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia Hình 4: Biển báo nguy hiểm SVTH : Hoàng Lê Nhật Anh 12 Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog. năng thu nhận tri thức Giao diện người sử dụng Giao diện người sử dụng Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia suy diễn theo các phương pháp mà nó đã định giao tiếp (User Interface) Người sử dụng (User) Phương pháp Toán trong tin học – Ứng dụng lập trình Prolog trong Hệ chuyên gia Mỗi hệ chuyên gia chỉ đặc trưng cho một lĩnh vực vấn đề nào đó như y học, tài chính, khoa học