Tiểu luận môn biểu diễn tri thức và suy luận Tìm hiểu về COKB-ONT và ứng dụng giải bài toán vật lý điện 1 chiều

Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH1301112 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC BIỂU DIỄN TRI THỨC & SUY LUẬN Đề tài: Tìm hiểu về COKB-ONT và ứng dụng giải bài toán vật lý điện 1 chiều Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn Học viên thực hiện: Lê Bảo Trung MSHV: CH1301112 TP Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2014 MỤC LỤC Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH1301112 2 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH1301112 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, với sự phát triển không ngừng của ngành công nghệ thông tin nói chung và khoa học máy tính nói riêng, nhu cầu áp dụng công nghệ thông tin vào dạy và học đã trở nên quan trọng và rất phổ biến trên nước ta và thế giới. Nhằm đáp ứng nhu cầu đó, một trong những vấn đề được đặt ra và quan tâm là làm thế nào máy tính có thể tư vấn, trợ giúp con người tìm cách giải quyết những bài toán trong nhiều lĩnh vực như: y khoa, giáo dục, khí tượng, thủy văn…. Trước bài toán được đặt ra, nhiều phương pháp nghiên cứu trong khoa học máy tính cũng đã nghiên cứu, thực hiện và đưa ra nhiều cách giải quyết khác nhau. Trong đó, hướng tiếp cận bằng biểu diễn tri thức và hệ chuyên gia dựa trên mô hình Ontology đã có nhiều ưu điểm và đạt được những kết quả khả quan đồng thời dễ dàng thiết kế và cài đặt. COKB-ONT hay còn gọi là Computational Object Knowledge Base Ontology, đã đưa ra một giải pháp về mô hình biểu diễn tri thức, được sử dụng như là một công cụ cho việc thiết kế hệ thống cơ sở tri thức, từ đó làm nền tảng để xây dựng các hệ giải toán, hệ chuyên gia tư vấn trên nhiều vấn đề, lĩnh vực khác nhau. Nội dung bài báo cáo sẽ lần lượt trình bày kiến thức cơ bản nền tảng về Ontology nói chung, mô hình COKB-ONT và những phương pháp suy luận, từ đó hướng đến áp dụng mô hình COKB để giải bài toán vật lý điện 1 chiều cơ bản. 3 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH1301112 I. GIỚI THIỆU Biểu diễn tri thức có vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống cơ sở tri thức (KBS) và hệ chuyên gia, đặc biệt là trong lĩnh vực giáo dục. Có rất nhiều mô hình khác nhau và các phương pháp biểu diễn tri thức đã được đề xuất và áp dụng trong nhiều lĩnh vực của khoa học. Ontology là một phương pháp mới cung cấp một cách tiếp cận hiện đại trong việc thiết kế các thành phần của KBS. Tuy nhiên, các ứng dụng thực tế của hệ thống thông minh mong đợi các mô hình công cụ mạnh mẽ và hữu ích hơn cho biểu diễn tri thức. Bài thu hoạch này sẽ trình bày về khái niệm tổng quan về Otology, mô hình Computational Object Knowledge Base Ontology (COKB-ONT) và quá trình xây dựng cơ sở tri thức dựa trên COKB-ONT để tạo ra một ứng dụng trong giáo dục và đào tạo về bài toán vật lý điện một chiều lớp 9. COKB-ONT đã được sử dụng để tạo ra nhiều ứng dụng trong giáo dục và đào tạo như một chương trình nghiên cứu và giải quyết các bài toán trong hình học phẳng được trình bày trong [6], một hệ thống hỗ trợ học tập kiến thức và giải quyết các bài toán hình học giải tích được trình bày trong [7],và một hệ thống cơ sở kiến thức trong đại số tuyến tính, vv Các chương trình này phải có kiến thức cơ bản phù hợp. Nó không chỉ cung cấp cho con người có thể đọc được mà còn là một phương pháp hiện đại như cách thức các giáo viên và học sinh thường viết. COKB-ONT gồm có mô hình, ngôn ngữ, đặc điểm kỹ thuật và phương pháp suy luận. Đây là phương pháp mới, hiện đại, thuận tiện cho việc học tập của người dùng và sử dụng bởi công cụ suy luận. Bên cạnh đó, các bài toán cũng được mô hình hóa dễ dàng để chúng tôi có thể thiết kế các thuật toán để tự động giải các bài toán và đề xuất một ngôn ngữ đơn giản để xác định chúng. COKB-ONT là một công cụ tự nhiên và hợp lý cho việc thiết kế cơ sở tri thức. Ngày nay, COKB-ONT thường được sử dụng để biểu diễn tri thức trong những phạm vi khác nhau như toán học, vật lý… 4 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH1301112 Bài thu hoạch này sẽ trình bày tổng quan về khái niệm Ontology trong lĩnh vực khoa học máy tính, qua đó mô tả mô hình tổng quát của COKB-ONT và phương pháp thiết kế cho các hệ thống cơ sở tri thức để giải quyết bài toán vật lý điện 1 chiều. 5 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH1301112 II. ONTOLOGY 1. Khái niệm Ontology Nguồn gốc của thuật ngữ “Ontology” xuất phát từ triết học, với ý nghĩa là sự diễn giải có hệ thống bản chất của sự vật. Ngày nay, nghĩa của từ ontology không còn bó hẹp trong phạm vi nhỏ mà được phát triển rộng hơn, sử dụng rộng rãi trong công nghệ tri thức, trí tuệ nhân tạo và khoa học máy tính, trong nhiều ứng dụng liên quan đến quản lý tri thức, xử lý ngôn ngữ tự nhiên, thương mại điện tử, truy xuất thông tin, giáo dục…. Trong trí tuệ nhân tạo, định nghĩa về ontology không có sự thống nhất, mà phụ thuộc vào quan điểm của người nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề nào đó. • “Một ontology là một đặc tả chính xác và hình thức về sự khái niệm hóa (conceptualisation) của một miền tri thức được quan tâm” (Gruber-1993). • “Ontology được xác định như một đặc tả hình thức của một khái niệm được chia sẻ” (Brost-1997). • “Một ontology có thể có nhiều dạng như cần thiết bao gồm một tập từ vừng và đặc tả ý nghĩa của chúng. Bao gồm các định nghĩa và một dấu hiệu chỉ ra cách mà các khái niệm tương quan với nhau, áp đặt một cấu trúc lên lĩnh vực và ràng buộc cách diễn đạt có thể của các thuật ngữ” (Uschold, Jasper-1999). Trong đó, có thể coi định nghĩa của (Gruber-1993) là định nghĩa tổng quát nhất, các định nghĩa sau đó có sự điều chỉnh và bổ sung thêm để phù hợp với bài toán được giải quyết. Định nghĩa này nhấn mạnh hai điểm chính: đó là các khái niệm được hình thức hóa và bởi vậy cho phép suy diễn (reasoning) bởi máy tính; thứ hai nó nhấn mạnh mỗi ontology được xây dựng cho một vài miền thông tin cần quan tâm, có như thế nó mới thể hiện được vai trò và tác dụng của nó. Ontology thể hiện sự hiểu biết chung về một miền, các ứng dụng có thể dùng sự hiểu biết chung này để giao tiếp với nhau. Ontology bao gồm các khái niệm (concepts), các quan hệ (relations), các thể hiện (instances) và axioms. Bởi vậy một ontology thường được biểu diễn dưới dạng bộ 4: 6 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH1301112 (C, R, I, A) Trong đó, • C là tập các khái niệm. • R là tập các quan hệ • I là tập các thể hiện. • A là tập các axiom. Trong ontology, các khái niệm được biểu diễn dưới dạng các lớp (Class), ví dụ : lớp Person biểu diễn cho khái niệm Người, lớp Student biểu diễn cho khái niệm Sinh viên. Các khái niệm chính là các đối tượng của miền thông tin (domain) được quan tâm mà chúng ta cần thể hiện. Quan hệ (Relations) bao gồm trước hết là quan hệ phân cấp (quan hệ cha-con) giữa các lớp, gọi là hierachical relation hay taxonomy. Ontology cung cấp hai loại thuộc tính (hay quan hệ) là thuộc tính đối tượng (object properties) và thuộc tính dữ liệu (datatype properties). Thuộc tính đối tượng cung cấp mối liên hệ giữa các lớp (như trong X dạy Y), còn thuộc tính dữ liệu kết nối thuộc tính của lớp với kiểu dữ liệu của nó (như trong X có tên kiểu xâu). Cuối cùng Axiom được sử dụng để cung cấp thông tin suy diễn về các lớp và thuộc tính, ví dụ để nói rằng hai lớp là tương đương hoặc về phạm vi giá trị của một thuộc tính (cardinality). Ví dụ: Một ontology đơn giản được sử dụng để biểu diễn quan hệ giữa Giáo viên (Lecturer) và Sinh viên (Student) trong một trường đại học. Cả Giáo viên và Sinh viên đều là các khái niệm con của khái niệm Người (Person). Giáo viên thì dạy Sinh viên. Người nào cũng có tên (name), tuổi (age), địa chỉ (address). Giáo viên có thêm thuộc tính năm giảng dạy (experimentYear), Sinh viên có thêm thuộc tính điểm số (mark). Một thể hiện của lớp Giáo viên là John, một thể hiện của lớp Sinh viên là Peter. 7 Person Person Person Person Lecturer Student expYear Person John Peter Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH1301112 Hình 2.3. Ví dụ về một Ontology đơn giản 2. Phân loại Ontology Tùy thuộc vào mục đích của web ngữ nghĩa mà ontology được thiết kế một cách khác nhau sao cho phù hợp với mô hình tổng thể của hệ thống trang web. Sau đây là một số loại ontology cơ bản thông dụng: • Ontology biểu diễn tri thức nắm giữ các biểu diễn của một mô hình ontology nguyên thủy, được dùng để chuẩn hóa tri thức trong một mô hình biểu diễn tri thức. Một ví dụ tiêu biểu của loại ontology này là Frame-Ontology (Gruber – 1993). • Meta – Ontology hay còn gọi là Core Ontology là những loại ontology có thể tái sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một điển hình của ontology này là mereology – Ontology (Borst – 1997). • Ontology lĩnh vực là những ontology có thể tái sử dụng trong một lĩnh vực nào đó. Nó cung cấp từ vựng về các khái niệm trong một lĩnh vực nào đó và các mối quan hệ, các hoạt động diễn ra trong lĩnh vực đó. Ngoài ra nó còn có các nguyên tắc và lý thuyết trong lĩnh vực đó. 8 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH1301112 • Ontology tác vụ cung cấp các từ vựng được hệ thống hóa các từ ngữ dùng để giải quyết một vấn đề liên quan đến tác vụ có hoặc không có trong một lĩnh vực nào đó. • Ontology tác vụ lĩnh vực là các ontology về tác vụ có thể tái sử dụng trong một lĩnh vực nào đó, nhưng không phải cho mọi lĩnh vực. • Ontology ứng dụng bao gồm các tri thức cần thiết để mô hình hóa một lĩnh vực cụ thể đặc biệt. Ta thấy các loại Meta – Ontology, Ontology lĩnh vực, Ontology ứng dụng nắm giữ tri thức một các tĩnh, có nghĩa là độc lập với cách giải quyết vấn đề. 3. Phương pháp xây dựng ontology Quy trình phát triển Ontology Trong những năm gần đây, một loạt các phương pháp luận khác nhau được thiết kế để trợ giúp cho việc tiến hành phát triển các nhiệm vụ được báo cáo trong tài liệu trí tuệ nhân tạo. Các phương pháp truyền thống gồm Cyc (Lenat & Guha 1990), Uschold và King (Uschold $ King 1995), Gruninger và Fox (Gruninger $ Fox 1995), Kactus (Kactus 1996),và Methontology (Fernandez-Lopez, Gomes-Perez & Juritso 1997). Các phương pháp luận cung cấp các chỉ dẫn chung và có cấu trúc. Nếu làm theo có thể tăng quy trình phát triển và cải tiến chất lượng cho kết quả cuối cùng. Theo như đánh giá phương pháp luận “Methontology” là phương pháp luận thiết kế ontology phổ biến nhất (được hỗ trợ môi trường WebODE). Quy trình phát triển Ontology là một quy trình gồm nhiều bước, tuy nhiên vẫn chưa có một phương pháp chuẩn hóa nào để phát triển các ontology. Quy trình phát triển gồm 7 bước do Stanford Center for Biomedical Informatics Research đưa ra (đây là nhóm phát triển phần mềm Protégé để trình diễn và soạn thảo Ontology). 9 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH1301112 Bước 1: Xác định lĩnh vực và phạm vi của Ontology Trong giai đoạn này cần xác định mục đích của việc xây dựng ontology là gì? Phục vụ đối tượng nào? Ontology sắp xây dựng cần có đặc điểm gì, liên quan đến lĩnh vực, phạm vi nào. Quá trình khai thác, quản lý và bảo trì ontology được thực hiện ra sao? Bước 2: Xem xét việc sử dụng lại các ontology có sẵn Cấu trúc của một Ontology bao gồm 3 tầng: tầng trừu tượng (Abstract), tầng miền xác định (Domain) và tầng mở rộng (Extension). Trong đó tầng trừu tượng có tính tái sử dụng rất cao, tầng miền xác định có thể tái sử dụng trong một lĩnh vực nhất định. Cộng đồng Ontology cũng đang lớn mạnh và có rất nhiều Ontology đã được tạo ra, với tâm huyết của nhiều chuyên gia. Do đó trước khi bắt đầu xây dựng ontology, cần xét đến khả năng sử dụng lại các ontology đã có. Nếu có thể sử dụng lại một phần các ontology đã có, chi phí bỏ ra cho quá trình xây dựng ontology sẽ giảm đi rất nhiều. Bước 3: Liệt kê các thuật ngữ quan trọng Ontology được xây dựng trên cơ sở các khái niệm trong một lĩnh vực cụ thể, vì vậy khi xây dựng ontology cần bắt đầu từ các thuật ngữ chuyên ngành để xây dựng thành các lớp trong ontology tương ứng. Tất nhiên không phải thuật ngữ nào cũng đưa vào ontology, vì chưa chắc đã định vị được cho thuật ngữ đó. Do đó cần phải liệt kê các thuật ngữ, để xác định ngữ nghĩa cho các thuật ngữ đó, cũng như cân nhắc về phạm vi của ontology. Việc liệt kê các thuật ngữ còn cho thấy được phần nào tổng quan về các khái niệm trong lĩnh vực đó, giúp cho các bước tiếp theo được thuận lợi. Bước 4: Xác định các lớp và phân cấp của các lớp Công việc xác định các lớp không chỉ đơn giản là tiến hành tìm hiểu về ngữ nghĩa của các thuật ngữ đã có để có được các mô tả cho thuật ngữ đó, mà còn phải định vị cho các lớp mới, loại bỏ ra khỏi ontology nếu nằm ngoài phạm vi của ontology hay hợp nhất với các lớp đã có nếu có nhiều thuật ngữ có ngữ nghĩa như nhau (đồng nghĩa, hay đa ngôn ngữ). Ngoài ra không phải thuật ngữ nào cũng mang tính chất như một lớp. 10 [...]... cơ sở tri thức Các công cụ suy luận Giải thích cho các thành phần Bộ nhớ làm việc 16 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH13 011 12 Người quản lý tri thức Giao diện - Cơ cấu của hệ thống Cơ sở tri thức chứa các kiến thức để giải quyết một số vấn đề trong một lĩnh vực tri thức cụ thể Các công cụ suy luận sẽ sử dụng những tri thức được lưu trữ trong cơ sở tri thức để giải quyết... bài toán và thiết kế thuật toán. Các bài toán được biểu diễn bằng cách sử dụng một mô hình được gọi là mạng lưới của C-Objects Việc thiết kế các thuật toán suy luận để giải quyết vấn đề và thiết kế giao diện của hệ thống có thể được phát tri n bởi ba bước cho mô hình: 27 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH13 011 12 Bước 1: Phân loại các bài toán như là bài toán khung, bài. .. tin vào các thuộc tính của lớp đó 12 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH13 011 12 III CƠ SỞ TRI THỨC TÍNH TOÁN ĐỐI TƯỢNG ONTOLOGY Có rất nhiều phương pháp đại diện cho tri thức [2], [4], [9].Những phương pháp này đang được quan tâm và hữu dụng cho nhiều ứng dụng, tuy nhiên chúng không đủ mạnh và rất khó sử dụng cho việc xây dựng hệ cơ sở tri thức trong các lĩnh vực tri thức. .. phần mềm và lập trình phần mềm Ứng dụng của chúng tôi đã được thực hiện bằng cách sử dụng các công cụ lập trình và hệ thống đại số 19 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH13 011 12 máy tính như Visual Basic, dot Net, C#, SQL Server Chúng dễ dàng được sử dụng cho sinh viên, để tìm kiếm, tự động truy vấn và giải toán Giai đoạn 7: Kiểm tra, duy trì và phát tri n các ứng dụng Giai... nhật tri thức vào cơ sở tri thức Họ cũng hỗ trợ để tìm kiếm tri thức và kiểm tra tính thống nhất của tri thức 17 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH13 011 12 Các thành phần giao diện của hệ thống được yêu cầu phải có một ngôn ngữ đặc biệt cho việc trao đổi thông tin giữa các hệ thống và người học, giữa hệ thống và giáo viên b) Kỹ thuật thiết kế Quá trình phân tích và thiết... I và hiệu điện thế U Ta có: Cường độ dòng điện có giá trị như nhau tại mọi điểm: o I = I1 = I2 Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch bằng tổng các hiệu điện thế trên mỗi đèn 30 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH13 011 12 U = U1+U2 Suy ra, Đoạn mạch gồm 2 điện trở mắc nt có điện trở tương đương = tổng các điện o - trở thành phần o R = R1 + R2 Tri thức giữa 2 đoạn mạch điện. .. doanmach : d1 Hypothesis : d1.I ~ ;d1.U ~ Conclusion : d1.R ~ End NewRule RuleType: Ohm Element : doanmach : d1 35 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH13 011 12 Hypothesis : d1.I ~ ; d1.R ~ Conclusion : d1.U ~ End NewRule RuleType: Ohm Element : doanmach : d1 Hypothesis : d1.U ~ ; d1.R ~ ... để sử dụng cho sinh viên, để tìm kiếm, tự động truy vấn và giải quyết vấn đề Giai đoạn 7: Kiểm tra, duy trì và phát tri n các ứng dụng Giai đoạn này là tương tự như trong các hệ thống máy tính khác IV ỨNG DỤNG MÔ HÌNH COKB TRONG BÀI TOÁN ĐIỆN 1 CHIỀU VẬT LÝ 9 1 Yêu cầu bài toán: Input: Nhập vào các yếu tố đã biết trong một mạch điện một chiều, các yếu tố ở đây có thể là điện trở, cường độ dòng điện, ... đề, để tìm kiếm hoặc để trả lời cho truy vấn Nó phải xác định được bài toán và sử dụng chiến lược phù hợp với suy luận để tìm ra các quy tắc chính xác và các sự kiện để giải quyết bài toán đó Bộ nhớ làm việc lưu trữ các sự kiện và các quy tắc trong quá trình tìm kiếm và suy luận Thành phần giải thích dùng để giải thích các giai đoạn, các khái niệm trong quá trình giải toán Người quản lý tri thức: mục... gọn: 31 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH13 011 12 { C,R,Rules} o Tập hợp các đối tượng tính toán C: Gồm đối tượng đoạn mạch, hiệu điện thế U, điện trở R, cường độ dòng điện I Trong đó, U,I,R được biểu diễn chung là đối tượng cơ bản mang giá trị là số thực Đối tượng đoạn mạch chứa 1 bộ các đối tượng cơ bản U,I,R • C = {doanmach, base} , ta có các đối tượng được biểu diễn . DIỄN TRI THỨC & SUY LUẬN Đề tài: Tìm hiểu về COKB-ONT và ứng dụng giải bài toán vật lý điện 1 chiều Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn Học viên thực hiện: Lê Bảo Trung MSHV: CH13 011 12 TP. tháng 3 năm 2 014 MỤC LỤC Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH13 011 12 2 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH13 011 12 LỜI NÓI ĐẦU Hiện. của COKB-ONT và phương pháp thiết kế cho các hệ thống cơ sở tri thức để giải quyết bài toán vật lý điện 1 chiều. 5 Bài thu hoạch Biểu diễn tri thức & Suy luận HVTH: Lê Bảo Trung – CH13 011 12 II.