THU THẬP TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG PROLOG XÂY DỰNG HỆ CHUẨN ĐOÁN BỆNH THƯỜNG GẶP Ở TRẺ EM

HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN Mục lục: Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ CHUYÊN GIA VÀ BIỂU DIỄN TRI THỨC 3 1.1 Hệ chuyên gia 3 1.2 Biểu diễn tri thức 4 Chương 2 : THU THẬP TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG PROLOG XÂY DỰNG HỆ CHUẨN ĐOÁN BỆNH THƯỜNG GẶP Ở TRẺ EM 12 2.1 Thu thập tri thức các bệnh thường gặp ở trẻ em 12 2.2 Xây dựng cơ sở tri thức dựa trên luật 15 2.3 Xây dựng ứng dụng hệ chuẩn đoán bệnh trẻ em bằng Prolog và C# 19 2.4 Chương trình và kết quả thực nghiệm 21 Trang 1 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN LỜI MỞ ĐẦU Hệ chuyên gia là một trong những lĩnh vực của trí tuệ nhân tạo được nghiên cứu và phát triển từ giữa thập niên 60, góp phần tạo ra các hệ thống có khả năng trí tuệ của con người, giải quyết các vấn đề dựa trên một tập luật phân tích thông tin và đưa lời khuyên về trình tự các hành động cần thực hiện để giải quyết vấn đề. Nhiều hệ chuyên gia đã được thiết kế và xây dựng để phục vụ trong nhiều lĩnh vực y học, kế toán, điều khiển tiến trình (process control), dịch vụ tư vấn tài chính (financial service), tài nguyên con người (human resources), trong đó y khoa là một trong những lĩnh vực được áp dụng đầu tiên, cung cấp các công cụ hữu hiệu cho những áp dụng chẩn đoán bệnh, với mục đích trợ giúp các bác sĩ trong việc chuẩn đoán và điều trị bệnh. Hiện nay có nhiều chương trình chuẩn đoán bệnh dành cho người lớn mà ít có chương trình chuyên biệt phục vụ riêng cho trẻ em. Chính vì lý do đó em chọn đề tài xây dựng hệ chuyên gia chuẩn đoán và hướng dẫn điều trị những bệnh thường gặp ở trẻ em như các bệnh: sởi, quai bị, rubella, thủy đậu, sốt xuất huyết,… Chương trình cho phép chẩn đoán, đưa ra kết luận bệnh, các triệu chứng, biến chứng và cho lời khuyên chăm sóc bệnh của bé. Trang 2 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ CHUYÊN GIA VÀ BIỂU DIỄN TRI THỨC 1.1 Hệ chuyên gia 1.1.1 Khái niệm cơ bản Hệ chuyên gia là một chương trình máy tính mô hình hóa khả năng giải quyết vấn đề của các chuyên gia, sử dụng các tri thức và các thủ tục suy diễn để giải quyết các bài toán khó khăn đòi hỏi chuyên gia mới giải quyết được, làm việc giống như một chuyên gia thực thụ và cung cấp các ý kiến dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia con người đã được đưa vào Hệ chuyên gia. Ví dụ: hệ chuyên gia trong y học: với mục đích trợ giúp các bác sĩ trong việc chuẩn đoán bệnh và điều trị, hệ chuyên gia chẩn đoán hỏng hóc đường dây điện thoại,… 1.1.2 Cấu trúc Hệ chuyên gia Hệ chuyên gia làm việc như một chuyên gia thực thụ và có thể cung cấp các ý kiến tư vấn hỏng hóc dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia đã được đưa vào hệ chuyên gia. Hệ chuyên gia có các thành phần cơ bản sau: (1) Bộ giao tiếp ngôn ngữ tự nhiên (2) Động cơ suy diển (3) Cơ sở tri thức (4) Cơ chế giải thích WHY-HOW (5) Bộ nhớ làm việc (6) Tiếp nhận tri thức Bộ phận giải thích sẽ trả lời hai câu hỏi là WHY và HOW, câu hỏi WHY nhằm mục đích cung cấp các lý lẻ để thuyết phục người sử dụng đi theo con đường Trang 3 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN suy diễn của hệ chuyên gia. Câu hỏi HOW nhằm cung cấp các giải thích về con đường mà hệ chuyên gia sử dụng để mang lại kết quả. Hình 1. Các thành phần của hệ chuyên gia 1.2 Biểu diễn tri thức 1.2.1 Khái niệm biểu diễn tri thức Biểu diễn tri thức là cách thể hiện tri thức trong máy dưới dạng sao cho bài toán có thể được giải tốt nhất. Biểu diễn tri thức trong máy phải : + Thể hiện được tất cả các thông tin cần thiết + Cho phép tri thức mới được suy diễn từ tập các sự kiện và luật suy diễn. + Cho phép biểu diễn các nguyên lý tổng quát cũng như các tình huống đặc trưng. Trang 4 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN + Bắt lấy được ý nghĩa ngữ nghĩa phức tạp + Cho phép lý giải ở mức tri thức cao hơn 1.2.2 Các loại tri thức Dựa vào cách thức con người giải quyết vấn đề, các nhà nghiên cứu đã xây dựng các kỹ thuật để biểu diễn các dạng tri thức khác nhau trên máy tính. Để giải quyết vấn đề, chúng ta chỉ chọn dạng biễu diễn nào thích hợp nhất. Sau đây là các dạng biểu diễn tri thức thường gặp. • Tri thức thủ tục mô tả cách thức giải quyết một vấn đề. Loại tri thức này đưa ra giải pháp để thực hiện một công việc nào đó. Các dạng tri thức thủ tục tiêu biểu thường là các luật, chiến lược, lịch trình, và thủ tục. • Tri thức khai báo cho biết một vấn đề được thấy như thế nào. Loại tri thức này bao gồm các phát biểu đơn giản, dưới dạng các khẳng định logic đúng hoặc sai. Tri thức khai báo cũng có thề là một danh sách các khẳng định nhằm mô tả đầy đủ hơn về đối tượng hay một khái niệm khái niệm nào đó. • Siêu tri thức mô tả tri thức về tri thức. Loại tri thức này giúp lựa chọn tri thức thích hợp nhất trong số các tri thức khi giải quyết một vấn đề. Các chuyên gia sử dụng tri thức này để điều chỉnh hiệu quả giải quyết vấn đề bằng cách hướng các lập luận về miền tri thức có khả năng hơn cả. • Tri thức heuristic mô tả các "mẹo" để dẫn dắt tiến trình lập luận. Tri thức heuristic còn được gọi là tri thức nông cạn do không bảm đảm hoàn toàn chính xác về kết quả giải quyết vấn đề. Các chuyên thường dùng các tri thức khoa học như sự kiện, luật, … sau đó chuyển chúng thành các tri thức heuristic để thuận tiện hơn trong việc giải quyết một số bài toán. • Tri thức có cấu trúc mô tả tri thức theo cấu trúc. Loại tri thức này mô tả mô hình tổng quan hệ thống theo quan điểm của chuyên gia, bao gồm khái niệm, Trang 5 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN khái niệm con, và các đối tượng; diễn tả chức năng và mối liên hệ giữa các tri thức dựa theo cấu trúc xác định. 1.2.3 Biểu diễn tri thức bằng luật dẫn 1.2.3.1 Khái niệm 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 điều kiện & hành động: "NẾU điều kiện xảy ra THÌ hành động sẽ được thi hành". Chẳng hạn : NẾU đèn giao thông là đỏ THÌ bạn không được đi thẳng, NẾU máy tính đã mở mà không khởi động được THÌ kiểm tra nguồn điện, v.v… Một cách tổng quát luật dẫn có dạng như sau: P 1 ∧ P 2 ∧ ∧ Pn  Q Tùy vào các vấn đề đang quan tâm mà luật sinh có những ngữ nghĩa hay cấu tạo khác nhau : • Trong logic vị từ : P 1 , P 2 , , Pn, Q là những biểu thức logic. • Trong ngôn ngữ lập trình, mỗi một luật sinh là một câu lệnh. IF (P 1 AND P 2 AND AND Pn) THEN Q. Để biểu diễn một tập luật dẫn, người ta phải chỉ rõ hai thành phần chính sau: (1) Tập các sự kiện F (Facts): F = { f1, f2, fn } (2) Tập các quy tắc R (Rules) áp dụng trên các sự kiện dạng như sau : Trang 6 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN f1 ^ f2 ^ ^ fi  q Trong đó, các fi, q đều thuộc F 1.2.3.2 Cơ chế suy luận trên các luật sinh 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. 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, chẩn đoán xem máy tính đã bị hỏng hóc ở đâu. Ví dụ: Trình bày một vận dụng của phương pháp hệ luật dẫn trong việc biểu diễn tri thức cho một hệ cơ sở tri thức ứng dụng “Chẩn đoán các vấn đề gây ra lỗi để sửa chửa máy tính”. Tập các sự kiện: • Ổ cứng là "hỏng" hay "hoạt động bình thường" • Hỏng màn hình. • Lỏng cáp màn hình. • Tình trạng đèn ổ cứng là "tắt" hoặc "sáng" • Có âm thanh đọc ổ cứng. • Tình trạng đèn màn hình "xanh" hoặc "chớp đỏ" • Không sử dụng được máy tính. • Điện vào máy tính "có" hay "không". Trang 7 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN Tập các luật: R1. Nếu ( (ổ cứng "hỏng") hoặc (cáp màn hình "lỏng")) thì không sử dụng được máy tính. R2. Nếu (điện vào máy là "có") và ( (âm thanh đọc ổ cứng là "không") hoặc tình trạng đèn ổ cứng là "tắt")) thì (ổ cứng "hỏng"). R3. Nếu (điện vào máy là "có") và (tình trạng đèn màn hình là "chớp đỏ") thì (cáp màn hình "lỏng"). Để xác định được các nguyên nhân gây ra sự kiện "không sử dụng được máy tính", ta phải xây dựng một cấu trúc đồ thị gọi là đồ thị AND/OR như sau : Hình 2. Cơ chế suy diễn của suy diễn lùi Như vậy là để xác định được nguyên nhân gây ra hỏng hóc là do ổ cứng hỏng hay cáp màn hình lỏng, hệ thống phải lần lượt đi vào các nhánh để kiểm tra các điều kiện như điện vào máy "có", âm thanh ổ cứng "không".Tại một bước, nếu giá trị cần xác định không thể được suy ra từ bất kỳ một luật nào, hệ thống sẽ yêu cầu người dùng trực tiếp nhập vào. Chẳng hạn như để biết máy tính có điện không, Trang 8 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN hệ thống sẽ hiện ra màn hình câu hỏi "Bạn kiểm tra xem có điện vào máy tính không (kiểm tra đèn nguồn)? (C/K)". Để thực hiện được cơ chế suy luận lùi, người ta thường sử dụng ngăn xếp (để ghi nhận lại những nhánh chưa kiểm tra). 1.2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm của biểu diễn tri thức bằng luật dẫn Ưu điểm: Biểu diễn tri thức bằng luật đặc biệt hữu hiệu trong những tình huống hệ thống cần đưa ra những hành động dựa vào những sự kiện có thể quan sát được. Nó có những ưu điểm chính yếu sau đây: • Các luật rất dễ hiểu nên có thể dễ dàng dùng để trao đổi với người dùng (vì nó là một trong những dạng tự nhiên của ngôn ngữ). • Có thể dễ dàng xây dựng được cơ chế suy luận và giải thích từ các luật. • Việc hiệu chỉnh và bảo trì hệ thống là tương đối dễ dàng. • Có thể cải tiến dễ dàng để tích hợp các luật mờ. • Các luật thường ít phụ thuộc vào nhau. Nhược điểm: • Các tri thức phức tạp đôi lúc đòi hỏi quá nhiều (hàng ngàn) luật sinh. Điều này sẽ làm nảy sinh nhiều vấn đề liên quan đến tốc độ lẫn quản trị hệ thống. • Thống kê cho thấy, người xây dựng hệ thống trí tuệ nhân tạo thích sử dụng luật sinh hơn tất cả phương pháp khác (dễ hiểu, dễ cài đặt) nên họ thường tìm mọi cách để biểu diễn tri thức bằng luật sinh cho dù có phương pháp khác thích hợp hơn! Đây là nhược điểm mang tính chủ quan của con người. Trang 9 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN • Cơ sở tri thức luật sinh lớn sẽ làm giới hạn khả năng tìm kiếm của chương trình điều khiển. Nhiều hệ thống gặp khó khăn trong việc đánh giá các hệ dựa trên luật sinh cũng như gặp khó khăn khi suy luận trên luật sinh. Dạng biểu diễn tri thức cổ điển nhất trong máy tính là logic, với hai dạng phổ biến là logic mệnh đề và logic vị từ. Cả hai kỹ thuật này đều dùng ký hiệu để thể hiện tri thức và các toán tử áp lên các ký hiệu để suy luận logic. Logic đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu một công cụ hình thức để biểu diễn và suy luận tri thức. Em xin nói chi tiết về logic vị từ. Logic vị từ là sự mở rộng của logic mệnh đề nhằm cung cấp một cách biểu diễn rõ hơn về tri thức. Logic vị từ dùng ký hiệu để biểu diễn tri thức. Logic vị từ, cũng giống như logic mệnh đề, dùng các ký hiệu để thể hiện tri thức. Những ký hiệu này gồm hằng số, vị từ, biến và hàm. Hằng số: Các hằng số dùng để đặt tên các đối tượng đặc biệt hay thuộc tính. Nhìn chung, các hằng số được ký hiệu bằng chữ viết thường, chẳng hạn an, bình, nhiệt độ. Hằng số an có thể được dùng để thể hiện đối tượng An, một người đang xét. Vị từ: Một mệnh đề hay sự kiện trong logic vị từ được chia thành 2 phần là vị từ và tham số. Tham số thể hiện một hay nhiều đối tượng của mệnh đề; còn mệnh đề dùng để khẳng định về đối tượng. Chẳng hạn mệnh đề "Nam thích Mai" viết theo vị từ sẽ có dạng: thích(nam, mai) Với cách thể hiện này, người ta dùng từ đầu tiên, tức "thích", làm vị từ. Vị từ cho biết quan hệ giữa các đối số đặt trong ngoặc. Đối số là các ký hiệu thay cho các đối tượng của bài toán. Theo quy ước chuẩn, người ta dùng các chữ thường để thể hiện các đối số. Trang 10 [...]... CHƯƠNG 2 : THU THẬP TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG PROLOG XÂY DỰNG HỆ CHUẨN ĐOÁN BỆNH THƯỜNG GẶP Ở TRẺ EM 2.1 Thu thập tri thức các bệnh thường gặp ở trẻ em 2.1.1 Bệnh sởi * Tri u chứng: sốt, phát ban lúc đầu ở mặt sau đó lan ra toàn thân, khi ban sởi biến mất sẽ để lại những vết thâm da Ngoài ra trẻ còn có một số tri u chứng kèm theo gồm chảy mũi, ho và đỏ mắt * Biến chứng: những biến chứng có thể gặp phải là... trẻ em Y Trẻ mắc bệnh sởi khi có những tri u chứng của bệnh sởi trieuchungsotxuathuyet(X) Trẻ mắc bệnh quai bị khi có những tri u chứng của bệnh quai bị ∀X trieuchungquaibi(X) → trieuchungbenhtreem(X, quaibi) Trẻ mắc bệnh rubella khi có những tri u chứng của bệnh rubella ∀X trieuchungrubella(X) → trieuchungbenhtreem(X, rubella) Trẻ mắc bệnh thủy đậu khi có những tri u chứng của bệnh thủy đậu ∀Xtrieuchungthuydau(X)... với hệ thống chuẩn đoán bệnh 2.3.2 Phát biểu dưới dạng logic vị từ về bệnh Phát biểu X là các tri u chứng của bệnh sởi Vị từ trieuchungsoi(X) X là các tri u chứng của bệnh quai bị trieuchungquaibi(X) X là các tri u chứng của bệnh rubella trieuchungrubella(X) X là các tri u chứng của bệnh thủy đậu trieuchungthuydau(X) X là các tri u chứng của bệnh sốt xuất huyết X là các tri u chứng của một loại bệnh trẻ. .. Giải quyết được bài toán xây dựng hệ chuyên gia chuẩn đoán một số bệnh thường gặp ở trẻ em • Tìm hiểu kiến thức về các bệnh thường gặp của trẻ em • Tìm hiểu lập trình trí tuệ nhân tạo Prolog để có thể dựa vào đó phát tri n tri thức, mô tả vấn đề bằng suy diễn logic để tìm ra các câu trả lời cho vấn đề, truy vấn cơ sở tri thức bằng các câu hỏi yes/no và số liệu • Kết hợp SWI -Prolog với C# trên môi trường... bệnh Trang 18 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS ĐỖ VĂN NHƠN 2.3 Xây dựng ứng dụng hệ chuẩn đoán bệnh trẻ em bằng Prolog và C# 2.3.1 Công cụ phát tri n hệ cơ sở tri thức Chọn ngôn ngữ lập trình trí tuệ nhân tạo Prolog (PROgramming in LOGic) để phát tri n tri thức, giải quyết các bài toán liên quan đến các đối tượng (object) và mối quan hệ (relation) giữa chúng Đồng thời kết hợp với ngôn ngữ lập trình... đậu ∀Xtrieuchungthuydau(X) → trieuchungbenhtreem(X, thuydau) Trẻ mắc bệnh sốt xuất huyết khi có những tri u chứng của bệnh sốt xuất huyết ∀X trieuchungsotxuathuyet (X) → trieuchungbenhtreem(X, sotxuathuyet) trieuchungbenhtreem(X,Y) ∀X trieuchungsoi(X) → trieuchungbenhtreem(X, soi) Trang 19 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS ĐỖ VĂN NHƠN 2.3.3 Mô tả các sự kiện về tri u chứng các loại bệnh Mã luật R1... trieuchungbenhtreem(X,quaibi): -trieuchungquaibi(X) R3 R4 trieuchungbenhtreem(X,rubella): -trieuchungrubella(X) R5 trieuchungbenhtreem(X,sotxuathuyet) : -trieuchungsotxuathuyet(X) Mã luật trieuchungbenhtreem(X,thuydau) : -trieuchungthuydau(X) Trang 20 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS ĐỖ VĂN NHƠN 2.4 Chương trình và kết quả thực nghiệm 2.4.1 Giao diện tra cứu tri u chứng bệnh quai bị Người dùng cần biết các tri u chứng của bệnh. .. chẩn đoán bệnh sởi trên SWI -Prolog Hệ thống chẩn đoán bệnh lần lượt đưa ra các câu hỏi về các tri u chứng bệnh của bé đã được thiết lập sẵn, người trả lời đưa ra câu trả lời là có (nhập “c.”) hay Trang 25 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS ĐỖ VĂN NHƠN không (nhập “k.”) ứng với mỗi tri u chứng bệnh chương trình đưa ra Cuối cùng hệ thống cho ra kết luận bệnh của bé, các tri u chứng tương ứng của bệnh. .. thân thiện và dễ dùng hơn Hướng phát tri n: • Xây dựng tập luật có thể xử lý bằng ngôn ngữ tự nhiên Trang 26 HV: HUỲNH THANH PHỤNG GVHD: PGS.TS ĐỖ VĂN NHƠN • Xử lý chương trình cho phép trả lời và hỏi đáp liên tiếp giữa SWI -Prolog và C# • Thu thập thêm các dữ liệu bệnh của trẻ em để mở rộng hệ chẩn đoán bệnh chuyên sâu hơn, cho nhiều đối tượng khác nhau và đưa ra chẩn đoán bệnh chính xác và cụ thể hơn... được, các biến chứng bệnh của bé và đưa ra lời khuyên cách chăm sóc bé như thế nào KẾT LUẬN Sau khi tìm hiểu và thực hiện đề tài này, em đã học được cách mô tả, biểu diễn và xử lý tri thức bằng logic dựa trên các sự kiện và luật Do thời gian có giới hạn nên chương trình chỉ mới chẩn đoán được một số bệnh thông thường ở trẻ em Em xin liệt kê một số kết quả em đạt được và hướng phát tri n cho đề tài . THU THẬP TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG PROLOG XÂY DỰNG HỆ CHUẨN ĐOÁN BỆNH THƯỜNG GẶP Ở TRẺ EM 2.1 Thu thập tri thức các bệnh thường gặp ở trẻ em 2.1.1 Bệnh sởi * Tri u chứng: sốt, phát ban lúc đầu ở. 12 2.1 Thu thập tri thức các bệnh thường gặp ở trẻ em 12 2.2 Xây dựng cơ sở tri thức dựa trên luật 15 2.3 Xây dựng ứng dụng hệ chuẩn đoán bệnh trẻ em bằng Prolog và C# 19 2.4 Chương trình và kết. VỀ HỆ CHUYÊN GIA VÀ BIỂU DIỄN TRI THỨC 3 1.1 Hệ chuyên gia 3 1.2 Biểu diễn tri thức 4 Chương 2 : THU THẬP TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG PROLOG XÂY DỰNG HỆ CHUẨN ĐOÁN BỆNH THƯỜNG GẶP Ở TRẺ EM 12 2.1 Thu