Tiểu luận môn biểu diễn tri thức và suy luận Cơ sở lý thuyết về hệ chuyên gia và mạng các đối tượng tính toán

Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn MỤC LỤC Hệ cơ sở tri thức là chương trình máy tính được thiết kế để mô hình hóa khả năng giải quyết vấn đề của chuyên gia con người. Đây là hệ thống dựa trên tri thức, cho phép mô hình hóa các tri thức của chuyên gia, dùng tri thức này để giải quyết vấn đề phức tạp thuộc cùng lĩnh vực. Với cơ sở lý thuyết được trình bày sau đây, ta sẽ biết về sự quan trọng của cơ sở tri thức trong một hệ giải toán, có thể nói, cơ sở tri thức là một phần không thể thiếu trong các hệ chuyện gia như hệ giải toán thông minh, vấn đề đặt ra là làm sao để chúng ta biến những tri thức tự nhiên của con người thành một mảng tri thức mà máy tính có thể hiểu và suy luận như một chuyên gia. Có rất nhiều cách để biểu diễn tri thức trong máy tính nhưng bài báo cáo này chỉ đề cập đến một phương pháp biểu diễn hiệu quả nhất trong các hệ giải toán thông minh đó là Mạng tính toán và Mạng các đối tượng tính toán. Nội dung bài tiểu luận gồm 2 phần chính: • Cơ sở lý thuyết về hệ chuyên gia và mạng các đối tượng tính toán. • Phần mềm giải bài tập Vật lý 8 - mạch điện một chiều không đổi. Em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn đã cung cấp cho em những kiến thức cần thiết trong môn biểu diễn tri thức và suy luận làm cơ sở nền tảng cho em thực hiện tiểu luận này. HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096 Trang 1 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Hệ chuyên gia 2.1.1. Hệ chuyên gia là gì? Hệ chuyên gia là một hệ thống chương trình máy tính chứa các thông tin tri thức và các quá trình suy luận về một lĩnh vực cụ thể nào đó để giải quyết các vấn đề khó hoặc hóc búa đòi hỏi sự tinh thông đầy đủ của các chuyên gia con người đối với các giải pháp của họ. Nói cách khác hệ chuyên gia là dựa trên tri thức của các chuyên gia con người giỏi nhất trong lĩnh vực quan tâm. • Tri thức của hệ chuyên gia bao gồm các sự kiện và các luật, các sự kiện được cấu thành một số nhiều thông tin khác nhau, được thu thập rộng rãi, công khai và được sự đồng tình của nhiều chuyên gia con người trong lĩnh vực. Các luật biểu thị sự quyết đoán chuyên môn của các chuyên gia trong lĩnh vực. • Mức độ hiệu quả của một hệ chuyên gia phụ thuộc vào kích thước và chất lượng của cơ sở tri thức mà hệ chuyên gia đó có được. • Mỗi hệ chuyên gia chỉ đặc trưng cho một lĩnh vực vấn đề nào đó như y khoa, tài chính, khoa học hay công nghệ v.v…, mà không phải là cho bất kỳ một lĩnh vực vấn đề nào. 2.1.2. Đặc trưng của hệ chuyên gia 4 đặc trưng cơ bản của hệ chuyên gia là: • Hiệu quả cao: khả năng trả lời với mức độ tinh thông bằng hoặc cao hơn so với chuyên gia con người trong cùng lĩnh vực. • Thời gian trả lời thỏa đáng: Thời gian trả lời hợp lý bằng hoặc nhanh hơn so với chuyên gia con người để đi đến cùng một quyết định. • Độ tin cậy cao: Không thể xảy ra sự cố hoặc giảm sút độ tin cậy khi sử dụng. • Dễ hiểu: Hệ chuyên gia giải thích các bước suy luận một cách dễ hiểu và nhất quán. HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096 Trang 2 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn 2.1.3. Cấu trúc của hệ chuyên gia Một hệ chuyên gia kiểu mẩu gồm các thành phần cơ bản sau: Hình 2.1 Cấu trúc hệ chuyên gia 2.2. Cơ sở tri thức (CSTT) 2.2.1. Khái niệm Tập hợp các tri thức liên quan đến vấn đề mà chương trình quan tâm giải quyết tạo thành một cơ sở tri thức. Cách tiếp cận khoa học và công nghệ về tri thức : • Trước đây mọi hoạt động liên quan đến việc hình thành tri thức và quá trình suy luận trên tri thức đều thuộc chức năng đặc biệt của bộ não con người. HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096 Trang 3 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn • Sự ra đời của máy tính điện tử -> một số công việc cần sử dụng trí óc có thể được thay thế và thực hiện được bởi máy tính. • Thành tựu bước đầu: Tự động hóa chứng minh logic, chơi cờ, phiên dịch,… • Con người tìm hiểu sâu hơn bản chất của hoạt động nhận thức của mình , hệ thống tri thức tích lũy được, thuộc tính của tri thức, đòi hỏi đối với tri thức. • Nghiên cứu đề xuất phương pháp khoa học và giải pháp công nghệ để: + Biểu diễn tri thức. + Thu thập và tìm kiếm tri thức. + Xử lý tri thức. + Quản trị tri thức. Vấn đề biểu diễn tri thức: tìm cách diễn đạt, thể hiện, mã hóa tri thức theo những dạng thức nhất định, thích hợp cho việc tổ chức lưu trữ và xử lý trên máy. Để biểu diễn tri thức ta sử dụng : + Các kiểu dữ liệu đơn giản. + Các kiểu dữ liệu có cấu trúc , các cấu trúc trừu tượng. + Các mô hình toán học, các cấu trúc toán học. + Các hệ logic toán học. + Ngôn ngữ đặc tả. 2.2.2. Các phương pháp biểu diễn tri thức HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096 Trang 4 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn Hình 2.2 Các phương pháp biểu diễn tri thức 2.2.3. Hệ cơ sở tri thức Hệ cơ sở tri thức là chương trình máy tính được thiết kế để mô hình hóa khả năng giải quyết vấn đề của chuyên gia con người. Hệ thống dựa trên tri thức, cho phép mô hình hóa các tri thức của chuyên gia, dùng tri thức này để giải quyết vấn đề phức tạp thuộc cùng lĩnh vực. Hai yếu tố chính trong hệ CSTT là: tri thức chuyên gia và lập luận. Cấu trúc của hệ CSTT: hai yếu tố chính trong hệ CSTT là cơ sở tri thức và động cơ suy diễn. • Cơ sở tri thức: là tập hợp các tri thức liên quan đến vấn đề mà chương trình quan tâm giải quyết. • Động cơ suy diễn: là phương pháp vận dụng tri thức trong cơ sở tri thức để giải quyết vấn đề. Sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa hai khối: HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096 Trang 5 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn Hình 2.3 Sơ đồ biểu diễn mối quan hệ giữa CSTT và động cơ suy diễn 2.3. Biểu diễn tri thức bằng mạng tính toán Có rất nhiều phương pháp biểu diễn tri thức nhưng trong hệ giải toán ở đây chỉ đề cập đến phương pháp Mạng tính toán vì nó thích hợp cho việc biểu diễn hệ tính toán cũng như giải bài toán vật lý. 2.3.1. Mạng tính toán Mạng tính toán là một dạng biểu diễn tri thức có thể dùng biểu diễn các tri thức về các vấn đề tính toán và được áp dụng một cách có hiệu quả để giải một số dạng bài toán. Mỗi mạng tính toán là một mạng ngữ nghĩa chứa các biến và những quan hệ có thể cài đặt và sử dụng được cho việc tính toán. Chúng ta xét một mạng tính toán gồm một tập hợp các biến cùng với một tập các quan hệ (chẳng hạn các công thức) tính toán giữa các biến. Trong ứng dụng cụ thể mỗi biến và giá trị của nó thường gắn liền với một khái niệm cụ thể về sự vật, mỗi quan hệ thể hiện một sự tri thức về sự vật. • Các quan hệ Cho M = {x 1 ,x 2 , ,x m } là một tập hợp các biến có thể lấy giá trị trong các miền xác định tương ứng D 1, D 2 , ,D m . Đối với mỗi quan hệ R ⊆ D 1 xD 2 x xD m trên các tập hợp D 1, D 2 , ,D m ta nói rằng quan hệ này liên kết các biến x 1 ,x 2 , ,x m , và ký hiệu là R(x 1 ,x 2 , ,x m ) hay vắn tắt là R(x) (ký hiệu x dùng để chỉ bộ biến < x 1 ,x 2 , ,x m >). Ta có HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096 Trang 6 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn thể thấy rằng quan hệ R(x) có thể được biểu diễn bởi một ánh xạ f R,u,v với u ∪ v = x, và ta viết : f R,u,v : u → v, hay vắn tắt là f : u → v. Đối với các quan hệ dùng cho việc tính toán, cách ký hiệu trên bao hàm ý nghĩa như là một hàm: ta có thể tính được giá trị của các biến thuộc v khi biết được giá trị của các biến thuộc u. Trong phần sau ta xét các quan hệ xác định bởi các hàm có dạng f : u → v, trong đó u ∩ v = ∅ (tập rỗng). Đặc biệt là các quan hệ đối xứng có hạng (rank) bằng một số nguyên dương k. Đó là các quan hệ mà ta có thể tính được k biến bất kỳ từ m- k biến kia (ở đây x là bộ gồm m biến < x 1 ,x 2 , ,x m >). Ngoài ra, trong trường hợp cần nói rõ ta viết u(f) thay cho u, v(f) thay cho v. Đối với các quan hệ không phải là đối xứng có hạng k, không làm mất tính tổng quát, ta có thể giả sử quan hệ xác định duy nhất một hàm f với tập biến vào là u(f) và tập biến ra là v(f); ta gọi loại quan hệ này là quan hệ không đối xứng xác định một hàm, hay gọi vắn tắt là quan hệ không đối xứng. Ví dụ: quan hệ f giữa 3 góc A, B, C trong tam giác ABC cho bởi hệ thức: A+B+C = 180 (đơn vị: độ) • Mạng tính toán và các ký hiệu Như đã nói ở trên, ta sẽ xem xét các mạng tính toán bao gồm một tập hợp các biến M và một tập hợp các quan hệ (tính toán) F trên các biến. Trong trường hợp tổng quát có thể viết: HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096 Trang 7 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn M = {x 1 ,x 2 , ,x n }, F = {f 1 ,f 2 , ,f m }. Đối với mỗi f ∈ F, ta ký hiệu M(f) là tập các biến có liên hệ trong quan hệ f. Dĩ nhiên M(f) là một tập con của M: M(f) ⊆ M. Nếu viết f dưới dạng: f : u(f) → v(f) thì ta có M(f) = u(f) ∪ v(f). • Bài toán trên mạng tính toán Cho một mạng tính toán (M,F), M là tập các biến và F là tập các quan hệ. Giả sử có một tập biến A ⊆ M đã được xác định và B là một tập biến bất kỳ trong M. Các vấn đề đặt ra là: 1. Có thể xác định được tập B từ tập A nhờ các quan hệ trong F hay không? Nói cách khác, ta có thể tính được giá trị của các biến thuộc B với giả thiết đã biết giá trị của các biến thuộc A hay không? 2. Nếu có thể xác định được B từ A thì quá trình tính toán giá trị của các biến thuộc B như thế nào? 3. Trong trường hợp không thể xác định được B, thì cần cho thêm điều kiện gì để có thể xác định được B. Bài toán xác định B từ A trên mạng tính toán (M,F) được viết dưới dạng: A → B, trong đó A được gọi là giả thiết, B được gọi là mục tiêu tính toán của bài toán. 2.3.2. Mạng các đối tượng tính toán Trong mục này trình bày một số khái niệm về mạng các đối tượng tính toán. Trong đó có khái niệm về quan hệ giữa các đối tượng. Ta gọi một quan hệ f giữa các biến của các đối tượng tính toán là một quan hệ giữa các đối tượng đó. Quan hệ này cho phép ta tính được một hay nhiều biến của các đối tượng từ một số biến khác. HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096 Trang 8 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn Ví dụ 1: Giả sử có 2 đối tượng O 1 , O 2 . Trong các biến của đối tượng O 1 có một biến, ký hiệu a, có liên hệ f với một biến của đối tượng O 2 , ký hiệu b, được xác định bởi hệ thức: a - b = 0. Chính xác hơn, ta viết hệ thức trên là: O 1 .a - O 2 .b = 0. Như vậy f là một quan hệ giữa 2 đối tượng O 1 và O 2 . Đây là một quan hệ đối xứng có hạng bằng 1. Ví dụ 2: Giả sử có 3 đối tượng O 1 , O 2 , O 3 . Giữa biến a của O 1 , biến a và b của O 2 , biến c của O 3 có một quan hệ f xác định bởi hệ thức: O 3 .c = O 1 .a + O 2 .a - O 2 .b. Ta có f là một quan hệ giữa các đối tượng O 1 , O 2 , O 3 . HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096 Trang 9 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn Bây giờ ta xét một bài toán mà việc tính toán có liên quan đến một số đối tượng tính toán và giữa các đối tượng nầy có những quan hệ nhất định. Việc giải bài toán sẽ dựa trên một mạng các đối tượng tính toán. Mạng các đối tượng tính toán bao gồm một tập hợp các đối tượng tính toán: O = {O 1 ,O 2 , , O n } và một tập hợp các quan hệ giữa các đối tượng: F = {f 1 ,f 2 , , f m }. Đặt: M(f i ) = tập hợp các biến có liên quan với nhau bởi quan hệ f i. M(F) = . M(O) = . M là tập hợp những biến được xem xét trên mạng, kể cả các biến thuộc các tập M(f i ). M i = M ∩ M(O i ), i=1,2, , m. HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096Trang 10 [...]... Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn Click vào nút Giải để hiển thị kết quả bài toán cũng lời giải HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096Trang 21 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn IV KẾT LUẬN Biểu diễn tri thức tính toán dưới dạng các đối tượng rất tự nhiên và gần gũi với cách nhìn và nghĩ của con người khi giải quyết các vấn đề tính toán có liên... cần tính • Vấn đề trên mạng các đối tượng HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096Trang 12 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn Cho một mạng các đối tượng tính toán (O,F), trong đó O là tập hợp các đối tượng tính toán và F là tập hợp các quan hệ giữa các đối tượng Xét một tập hợp biến M trên mạng: M(O) ⊇ M ⊇ M(F) Giả sử có một tập biến A ⊆ M đã được xác định (tức là tập gồm các. .. quan đến một số khái niệm về các đối tượng, ngoài ứng dụng được nêu trên mạng tính toán có thể áp dụng trong việc biểu diễn và giải một số bài toán trên các bài toán vật lý mở rộng Như đã nói mạng các đối tượng tính toán là một mô hình rất tốt cho việc biểu diễn các tri thức của con người Do đó việc đưa ra mô tả trực quan, có tính kế thừa, lan truyền thông tin và khó kiểm tra tính phi mâu thuẫn nhưng... R và các đối tượng khác : U, I • File luat_R1ntR2.txt: Biểu diễn các luật và công thức trong mạch 1 chiều, có 2 điện trở là R1 và R2 mắc nối tiếp và các đối tượng khác: U1, U2, U, I1, I2, I, R • File luat_R1ssR2.txt: Biểu diễn các luật và công thức trong mạch 1 chiều, có 2 điện trở là R1 và R2 mắc song song với nhau và các đối tượng khác: U1, U2, U, I1, I2, I, R • File luat_noitiep_songsong: Biểu diễn. .. 18 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn Trước hết bạn mở và chạy chương trình Giao diện chính của phần mềm sẽ hiện lên như sau: HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096Trang 19 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn Nhập vào giả thiết bài toán (loại mạch điện, giá trị thông số đã có, yêu cầu tính toán) HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096Trang 20 Tiểu luận: ... (giáo viên, học sinh) Tính toán đưa ra lời giải và đáp án Tốc độ giải nhanh 3.1.3 Kiến trúc hệ thống Hệ thống có kiến trúc khá đơn giản Giao diện nhận yêu cầu (giả thiết, kết luận) từ người dùng rồi gửi yêu cầu đó cho bộ suy diễn Bộ suy diễn căn cứ vào yêu cầu để tìm đến cơ sở tri thức phù hợp rồi suy diễn cho ra kết quả, trả về giao diện hiển thị cho người dùng 3.2 Thiết kế cơ sở tri thức HVTH: Võ Thị... Phạm Ngọc Ánh, “Xây dựng chương trình giải bài tập vật lý mạch điện một chiều ”, Báo cáo môn Các hệ cơ sở tri thức, 2013, tr 8-15, tr 20-26, tr 30-34 [3] Hồ Tấn Đạt, “Tìm mô hình COKB ứng dụng trong việc giải bài toán dòng điện một chiều”, Báo cáo môn Biểu diễn tri thức và ứng dụng, 2013, tr 13-14 [4] Nguyễn Đình Thuân, Các hệ cơ sở tri thức - KBS: Knowledge Based Systems”, Khoa CNTT-Đại học.. .Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn Theo cách ký hiệu trên, Mi là tập hợp những biến của đối tượng Oi được xem xét trên mạng các đối tượng tính toán Ngoài ra ta còn có: ⊇ M ⊇ hay , M(O) ⊇ M ⊇ M(F) Ví dụ sau đây sẽ minh họa cho các ký hiệu ở trên Ví dụ 3: Cho tam giác cân ABC, cân tại A, và cho biết trước góc đỉnh α, cạnh đáy a... được B Tương tự như đối với một mạng tính toán, bài toán xác định B từ A trên mạng (O,F) được viết dưới dạng: A → B, trong đó A được gọi là giả thiết, B được gọi là mục tiêu tính toán (hay tập biến cần tính) của bài toán Trường hợp tập B chỉ gồm có một phần tử b, ta viết vắn tắt bài toán trên là A → b HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096Trang 13 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS TS Đỗ... mối quan hệ giữa hai điện trở mắc với nhau, hay là hai mạch một bộ nối với nhau + 2_resistors{ R1 nt R2; R1 ss R2} 3.2.3 Tổ chức lưu trữ trên máy tính Tổ chức tri thức trên bộ nhớ phụ với dạng file *.txt ( có tất cả 4 file *.txt) Cụ thể: HVTH: Võ Thị Thúy Lan – CH1301096Trang 17 Tiểu luận: Biểu diễn tri thức và suy luận GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn • File luat.txt: Biểu diễn các luật và công thức trong . pháp biểu diễn hiệu quả nhất trong các hệ giải toán thông minh đó là Mạng tính toán và Mạng các đối tượng tính toán. Nội dung bài tiểu luận gồm 2 phần chính: • Cơ sở lý thuyết về hệ chuyên gia và. pháp Mạng tính toán vì nó thích hợp cho việc biểu diễn hệ tính toán cũng như giải bài toán vật lý. 2.3.1. Mạng tính toán Mạng tính toán là một dạng biểu diễn tri thức có thể dùng biểu diễn các tri. Văn Nhơn II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Hệ chuyên gia 2.1.1. Hệ chuyên gia là gì? Hệ chuyên gia là một hệ thống chương trình máy tính chứa các thông tin tri thức và các quá trình suy luận về một lĩnh