TÌM HIỂU MÔ HÌNH COKB VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIẢI BÀI TOÁN VẬT LÝ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO THU HOẠCH BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN TÌM HIỂU MÔ HÌNH COKB VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIẢI BÀI TOÁN VẬT LÝ GVHD : PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN HVTH : NGÔ VĂN LINH MSHV : CH1301021 TP.HCM - 2014 BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN MỤC LỤC HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 Trang BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN PHẦN MỞ ĐẦU Ngày nay, lĩnh vực công nghệ thông tin phát triển vượt bậc, việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật giúp nâng cao hiệu quả giải quyết công việc một cách đáng kể. Trong đó, việc phát triển các hệ thống thông minh đang được phát triển mạnh và áp dụng nhiều nhất. Việc tổ chức các cơ sở tri thức cho các hệ thống này thì có nhiều phương pháp như: logic vị từ, luật dẫn, khung, đồ thị khái niệm, mạng ngữ nghĩa, mạng nơ ron, mạng đối tượng tính toán COKB,… Mỗi phương pháp có những ưu điểm riêng. Vì vậy, việc lựa chọn phương pháp nào sao cho phù hợp thì cũng rất quan trọng giúp cho hệ thống dễ thực hiện, hoạt động có hiệu quả. Trí tuệ nhân tạo có thể giải quyết vấn đề trong phạm vi rộng lớn khi có phương pháp làm việc hiệu quá và biểu diễn đúng đắn. Trong bài viết này, đề cập việc áp dụng mô hình COKB để biểu diễn tri thức và ứng dụng trong việc giải bài toán vật lý đơn giản. HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 Trang BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1 – MÔ HÌNH COKB 1.1 – ĐỊNH NGHĨA VỀ MÔ HÌNH COKB Mô hình biểu diễn tri thức COKB (Computational Object Knowledge Base) là một mô hình tri thức của các đối tượng tính toán. Mô hình COKB là một hệ thống gồm 6 thành phần chính được ký hiệu bởi bộ 6 như sau: (C, H, R, Opts, Funcs, Rules) Trong đó, + C là một tập hợp các khái niệ của các đối tượng tính toán. Mỗi đối tượng trong C là một lớp Com_Object. + H là một tập hợp các quan hệ phân cấp trong khái niệm + R là tập hợp các quan hệ trong khái niệm + Opts là một tập hợp các toán tử + Funcs là tập hợp các hàm + Rules là tập hợp các luật 1.1.1 – Tập hợp C (Các khái niệm về đối tượng tính toán) Các khái niệm được xây dựng trên các đối tượng. Mỗi khái niệm là một lớp các đối tượng tính toán có cấu trúc nhất định và được phân cấp theo sự thiết lập của cấu trúc đối tượng, bao gồm: - Các đối tượng (hay khái niệm) nền: là các đối tượng (hay khái niệm) được mặc nhiên thừa nhận. Ví dụ: như một số đối tượng kiểu boolean (logic), số tự nhiên, số nguyên (integer), số thực (real) hay một số kiểu tự định nghĩa. - Các đối tượng cơ bản (hay khái niệm) cơ bản cấp 0: có cấu trúc rỗng hoặc có cấu trúc thiết lập trên một số thuộc tính kiểu khái niệm nền: Các đối tượng (hay khái niệm) này làm nền cho các đối tượng (hay khái niệm) cấp cao hơn. Ví dụ: đối tượng DIEM có kiểu mô tả không có cấu trúc thiết lập. - Các đối tượng (hay khái niệm) cấp 1: Các đối tượng này chỉ có các thuộc tính kiểu khái niệm nền và có thể được thiết lập trên một danh sách nền các đối tượng cơ bản. Ví dụ: đối tượng DOAN[A,B] trong đó A, B là các đối tượng cơ bản loại DIEM, thuộc tính a biểu thị độ dài đoạn thẳng có kiểu tương ứng là “real”. - Các đối tượng (hay khái niệm) cấp 2: Các đối tượng này có các thuộc tính kiểu khái niệm nền và các thuộc tính loại đối tượng cấp 1, có thể được thiết lập trên một danh sách nền các đối tượng cơ bản. Ví dụ: đối tượng TAMGIAC[A,B,C] trong đó A,B,C là các đối tượng cơ bản loại DIEM, các thuộc tính như GocA, a, S có kiểu tương ứng là “GOC[C,A,B]”, “DOAN[B,C]”, “real”. - Các đối tượng (hay khái niệm) cấp n>0: Các đối tượng này có các thuộc tính kiểu khái niệm nền và các thuộc tính loại đối tượng cấp thấp hơn, có thể được thiết lập trên một danh sách nền các đối tượng thấp hơn. HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 Trang BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN Cấu trúc bên trong của mỗi lớp đối tượng: - Kiểu đối tượng. Kiểu nầy có thể là loại kiểu thiết lập trên một danh sách nền các đối tượng cơ bản. - Danh sách các thuộc tính, mỗi thuộc tính có kiểu thực, kiểu đối tượng cơ bản hay kiểu đối tượng cấp thấp hơn. - Quan hệ trên cấu trúc thiết lập. Quan hệ nầy thể hiện các sự kiện về sự liên hệ giữa đối tượng và các đối tượng nền (tức là các đối tượng thuộc danh sách đối tượng nền). - Tập hợp các điều kiện ràng buộc trên các thuộc tính. - Tập hợp các tính chất nội tại liên quan đến các thuộc tính của đối tượng. Mỗi tính chất nầy cho ta một sự kiện của đối tượng. - Tập hợp các quan hệ suy diễn - tính toán. Mỗi quan hệ thể hiện một qui luật suy diễn và cho phép ta có thể tính toán một hay một số thuộc tính nầy từ một số thuộc tính khác của đối tượng. - Tập hợp các luật suy diễn trên các loại sự kiện khác nhau liên quan đến các thuộc tính của đối tượng hay bản thân đối tượng. Mỗi luật suy diễn có dạng: {các sự kiện giả thiết}  {các sự kiện kết luận} - Cùng với cấu trúc trên, đối tượng còn được trang bị các hành vi cơ bản trong việc giải quyết các bài toán suy diễn và tính toán trên các thuộc tính của đối tượng, bản thân đối tượng hay các đối tượng liên quan được thiết lập trên nền của đối tượng (nếu đối tượng được thiết lập trên một danh sách các đối tượng nền nào đó) 1.1.2 – Một tập hơp H (các quan hệ phân cấp giữa các loại đối tượng) Trên tập hợp C ta có một quan hệ phân cấp theo đó có thể có một số khái niệm là sự đặc biệt hóa của các khái niệm khác, chẳng hạn như một tam giác cân cũng là một tam giác, một hình bình hành cũng là một tứ giác. Có thể nói rằng H là một biểu đồ Hasse khi xem quan hệ phân cấp trên là một quan hệ thứ tự trên C. Cấu trúc của một quan hệ phân cấp: [<tên lớp đối tượng cấp cao>,<tên lớp đối tượng cấp thấp>] 1.1.3 – Một tập hợp R (các khái niệm về các loại quan hệ trên các C-Object) Mỗi quan hệ được xác định bởi <tên quan hệ> và các loại đối tượng của quan hệ, và quan hệ có thể có một số tính chất trong các tính chất sau đây: tính chất phản xạ, tính chất đối xứng, tính chất phản xứng và tính chất bắc cầu. Ví dụ: Quan hệ cùng phương trên 2 đoạn thẳng có các tính chất phản xạ, đối xứng và bắc cầu. Cấu trúc của một quan hệ: [<tên quan hệ>,<loại đối tượng>,<loại đối tượng>,…],{<tính chất>,<tính chất>} 1.1.4 – Tập hợp Opts (các toán tử) Các toán tử thể hiện các quy tắc tính toán nhất dịnh trên các biến thực cũng như trên các đối tượng. Chẳng hạn như các phép toán số học, các phép tính toán trên các đối tượng đoạn, góc tương tự đối với các biến thực hay các phép tính toán vecto, tính toán ma HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 Trang BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN trận,… Trong trường hợp các phép toán 2 ngôi thì phép toán có thể có các tính chất như tính giao hoán, tính kết hợp, tính nghịch đảo, tính trung hòa. 1.1.5 – Tập hợp Funcs (các hàm) Tập hợp Funcs trong mô hình COKB thể hiện tri thức về các hàm hay nói cách khác là thể hiện tri thức về các khái niệm và các quy tắc tính toán trên các biến thực cũng như trên các loại C-Object, được xây dựng thông qua các quan hệ tính toán dạng hàm. Mỗi hàm được xác định bởi <tên hàm>, danh sách các đối số và một quy tắc định nghĩa hàm về phương diện toán học. 1.1.6 – Tập hợp Rules (các luật) Mỗi luật cho ta một quy tắc suy luận để từ các sự kiện đang biết suy ra được các sự kiện mới thông qua việc áp dụng các định luật, định lý hay các quy tắc tính toán nào đó. Mỗi luật suy diễn r có thể được mô hình hóa dưới dạng: r: {sk 1 , sk 2 , …,sk n }  {sk m+1 , sk m+2 , …,sk n } Cấu trúc của một luật: [Kind, BasicO, Hypos, Goals] Trong đó, + Kind: loại luật + BaseO: tập các đối tượng cơ bản + Hypos: tập các sự kiện giả thuyết của một luật + Goals: tập các sự kiện kết luận của một luật 1.2 – TỔ CHỨC CƠ SỞ TRI THỨC THEO COKB Cơ sở tri thức được tổ chức bởi một hệ thống tập tin văn bản có cấu trúc dựa trên một số từ khóa và quy ước về cú pháp, thể hiện các thành phần trong mô hình tri thức COKB. Hệ thống này bao gồm các tập tin sau: - Tập tin Object.txt: Lưu trữ tất cả các khái niệm đối tượng của cơ sở tri thức. - Tập tin Hierarchy.txt: Lưu lại các biểu đồ Hasse thể hiện quan hệ phân cấp đặc biệt hóa giữa các loại đối tượng C-Object. - Tập tin Relation.txt: Lưu trữ tất cả các quan hệ cũng như các tính chất giữa các loại đối tượng. - Tập tin Operation.txt: Lưu trữ các thông tin, cơ sở tri thức của thành phần toán tử trên các đối tượng C-Object. - Các tập tin với tên tập tin có dạng “<tên khái niệm C-Object>.txt” để lưu trữ cấu trúc của loại đối tượng <tên khái niệm C-Object>. Ví dụ: tập tin “TAM_GIAC.txt” lưu trữ cấu trúc của loại đối tượng tam giác. - Tập tin FACTS.txt: lưu trữ thông tin về các loại sự kiện khác nhau. - Tập tin RULES.txt: lưu trữ hệ luật của cơ sở tri thức HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 Trang BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN Mối liên hệ về cấu trúc thông tin trong cơ sở tri thức có thể được minh họa trên sơ đồ sau đây: Hình 1 - Mỗi quan hệ giữa các thành phần trong COKB 1.3 – CẤU TRÚC CÁC TẬP TIN LƯU TRỮ TRONG COKB Các tập tin lưu trữ các thành phần trong cở sở tri thức các C-Object được ghi dưới dạng các văn bản có cấu trúc dựa trên một số từ khóa và qui ước về cú pháp khá đơn giản và tự nhiên. Dưới đây là phần liệt kê cấu trúc của các tập tin: - Cấu trúc tập tin “Objects.txt” begin_Objects <tên lớp đối tượng 1> <tên lớp đối tượng 2> end_Objects - Cấu trúc tập tin “RELATIONS.txt” begin_Relations [<tên quan hệ>, <loại đối tượng>, <loại đối tượng>, ], <tính chất>, <tính chất>, [<tên quan hệ>, <loại đối tượng>, <loại đối tượng>, ], <tính chất>, <tính chất>, end_Relations - Cấu trúc tập tin “Hierarchy.txt” begin_Hierarchy HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 Trang BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN [<tên lớp đối tượng cấp cao>, <tên lớp đối tượng cấp thấp>] [<tên lớp đối tượng cấp cao>, <tên lớp đối tượng cấp thấp>] end_Hierarchy - Cấu trúc tập tin “<tên khái niệm C-Object>.txt” begin_object: <tên khái niệm C-Object>[các đối tượng nền] <các đối tượng nền> : <kiểu>; <các đối tượng nền> : <kiểu>; begin_variables <tên thuộc tính> : <kiểu>; <tên thuộc tính> : <kiểu>; end_variables begin_constraints end_constraints begin_properties <sự kiện> <sự kiện> end_properties begin_computation_relations begin_relation flag=<0 hoặc 1> Mf={các thuộc tính} rf=1 vf={ghi thuộc tính kết quả nếu flag = 0} expf= `biểu thức tính toán` cost = <trọng số của sự tính toán> end_relation end_computation_relations HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 Trang BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN begin_rules begin_rule kind_rule = "<loại luật>"; hypothesis_part: {các sự kiện giả thiết của luật} goal_part: { các sự kiện kết luận của luật hoặc là "Object"} end_rule end_rules end_object begin_inside_net parameters: objects: facts: end_inside_net - Cấu trúc tập tin “Operators.txt” begin_Operators [<toán tử>, [các kiểu toán hạng], <kiểu kết quả>, <quitắc tính toán>] [<toán tử>, [các kiểu toán hạng], <kiểu kết quả>, <quitắc tính toán>] end_Operators - Cấu trúc tập tin “FACTS.txt” begin_Facts 1, <cấu trúc sự kiện>, <cấu trúc sự kiện>, 2, <cấu trúc sự kiện>, <cấu trúc sự kiện>, end_Facts - Cấu trúc tập tin “RULES.txt” begin_rules begin_rule HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 Trang BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN kind_rule = "<loại luật>"; <các tên đối tượng> : <kiểu đối tượng>; <các tên đối tượng> : <kiểu đối tượng>; hypothesis_part: {các sự kiện giả thiết của luật} goal_part: { các sự kiện kết luận của luật hoặc là "Object"} end_rule end_rules 1.4 – NGÔN NGỮ ĐẶC TẢ THEO MÔ HÌNH COKB Ngôn ngữ đặc tả theo mô hình COKB được xây dựng để biểu diễn cho các tri thức có dạng COKB. Ngôn ngữ này bao gồm các thành phần : - Tập hợp các kí tự : chữ, số và các ký tự đặc biệt. - Từ vựng : từ khóa và tên. - Các kiểu dữ liệu : Các kiểu dữ liệu cơ bản và các loại có cấu trúc. - Các biểu thức và câu. - Các câu lệnh. - Cú pháp quy định cho các thành phần của mô hình COKB. Một số cấu trúc của các định nghĩa cho các biểu thức, C-Object, relations, facts và function. Định nghĩa của các biểu thức: expr ::= expr | rel-expr | logic-exper expr ::= expr add-operator term | term term ::= term mul-operator factor | factor factor ::= factor | element ^ factor | element HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 Trang 10 [...]... thế: Định luật Ôm trong đoạn mạch mắc song song: Các điện trở mắc nối tiếp Trong đoạn mạch, có nhiều điện trở mắc nối tiếp thì ta có công thức tính: Điện trở tương đương: Cường độ dòng điện: Hiệu điện thế: Định luật Ôm trong đoạn mạch mắc nối tiếp: 2.3 – MÔ HÌNH COKB TRONG GIẢI BÀI TOÁN VẬT LÝ 2.3.1 – Mô hình biểu diễn tri thức cho ứng dụng Mô hình tri thức hệ Giải bài toán Vật lý có cấu trúc: BAITOANVATLY... CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN CHƯƠNG 2 - ỨNG DỤNG 2.1 – PHÁT BIỂU BÀI TOÁN Để đơn giản hóa việc giải các bài toán về mạch điện một chiều với các kiểu mắc nối tiếp và mắc song song, cũng đồng thời là công cụ giúp học sinh kiểm tra lại kết quả các dạng bài tập một cách nhanh chóng Bài toán Giải bài toán Vật lý trong mạch điện một chiều với các điện trở mắc song song và nối tiếp Hệ thống có kiến... cầu của đề bài • Bước 6: Kết luận : + Nếu Bước 4 đúng : Bài toán không thể giải được(vì không có luật phù hợp) + Nếu Bước 2 đúng : Dùng suy diễn lùy để đưa ra các luật thừa và đưa ra kết luận 2.4 - ỨNG DỤNG TRONG GIẢI BÀI TOÁN VẬT LÝ • Quy trình xử lý dữ liệu - Lấy dữ liệu đầu vào HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 public int purpose() { …………… } - Bộ suy diễn duyệt qua các luật trong tập tin tìm ra kết... điểm trên mô hình COKB là mô hình lý tưởng để biểu diễn tri thức thay thế cho các mô hình biểu diễn tri thức thông thường Ngoài ra, với sự hỗ trợ của công cụ Maple phần mềm đại số tính toán là ngôn ngữ lập trình chính đã hỗ trợ một phần rất lớn cho mô hình COKB 1.8 – QUI TRÌNH XÂY DỰNG MỘT HỆ THỐNG CƠ SỞ TRI THỨC THEO MÔ HÌNH COKB 1.8.1 – Cấu trúc hệ thống Một hệ thống cơ sở tri thức, hỗ trợ tìm kiếm,... lựa chọn mô hình biểu diễn nào tùy thuộc vào miền tri thức vấn đề cần xử lý Mô hình COKB là một công cụ biểu diễn tri thức có thể được dùng để thiết kế và cài đặt hệ thống thông minh cho vấn đề cơ bản trên cơ sở tri thức Mục đích của mô hình là cung cấp một cách thức tự nhiên để biểu diễn tri thức Các phương pháp mô hình hóa vấn đề và giải thuật cho giải quyết tự động biểu diễn theo cách nghĩ và viết... loại trong bước 1 và bước 2 Từ các mô hình của từng loại, chúng ta có thể xây dựng một mô hình chung các vấn đề cho hệ thống để giải quyết chúng Giai đoạn 5: Tạo một ngôn ngữ truy vấn cho mô hình Ngôn ngữ này giúp thiết kế cách thức trao đổi thông tin giữa hệ thống và người sử dụng Giai đoạn 6: Thiết kế giao diện của phần mềm và lập trình phần mềm Giai đoạn 7: Kiểm tra, duy trì và phát triển các ứng dụng. .. trình và thiếu phần mềm hỗ trợ Trong khi ưu điểm của mô hình COKB là: - Cấu trúc tường minh giúp dễ dàng thiết kế các modun truy cập cơ sở tri thức - Thích hợp cho việc thiết kế một cơ sở tri thức với các khái niệm có thể được biểu diễn bởi các đối tượng tính toán - Tiện lợi cho việc thiết kế các modun giải bài toán tự động - Thích hợp cho việc định dạng ra một ngôn ngữ khai báo bài toán và đặc tả bài toán. .. của con người Mô hình COKB với cấu trúc uyển chuyển, linh hoạt, giúp dễ dàng chia nhỏ các mô đun trong khi xây dựng cơ sở tri thức Thích hợp cho việc thiết kế với các khái niệm có thể tổ chức thành đối tượng tính toán, phù hợp với việc định dạng ra ngôn ngữ đặc tả tính toán Do tính uyển chuyển tùy vào bài toán cụ thể, người sử dụng mô hình có thể tinh gọn hay tổ chức các cấu trúc bên trong từng thành... với suy luận để tìm ra các quy tắc phải và thực tế cho việc giải quyết vấn đề HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 Trang 16 BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN + Các thành phần giải quyết vấn đề: hỗ trợ giải thích các giai đoạn, các khái niệm trong quá trình giải quyết vấn đề + Bộ nhớ làm việc: lưu trữ các sự kiện và các quy tắc trong quá trình tìm kiếm và khấu trừ + Quản lý tri thức: hỗ... kế các thuật toán suy luận để giải quyết vấn đề và thiết kế giao diện của hệ thống có thể được phát biểu bởi ba bước cho mô hình: HỌC VIÊN: NGÔ VĂN LINH – CH1301021 Trang 17 BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN + Bước 1: Phân loại các giả thuyết để xác định các đối tượng tương ứng có liên quan tới nó + Bước 2: Phân loại các kiểu dữ liệu dựa trên mô hình COKB + Bước 3: Mô hình hóa các vấn . Định luật Ôm trong đoạn mạch mắc nối tiếp: 2.3 – MÔ HÌNH COKB TRONG GIẢI BÀI TOÁN VẬT LÝ 2.3.1 – Mô hình biểu diễn tri thức cho ứng dụng Mô hình tri thức hệ Giải bài toán Vật lý có cấu trúc: BAITOANVATLY. THỨC VÀ SUY LUẬN TÌM HIỂU MÔ HÌNH COKB VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIẢI BÀI TOÁN VẬT LÝ GVHD : PGS.TS. ĐỖ VĂN NHƠN HVTH : NGÔ VĂN LINH MSHV : CH1301021 TP.HCM - 2014 BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ. thể giải quyết vấn đề trong phạm vi rộng lớn khi có phương pháp làm việc hiệu quá và biểu diễn đúng đắn. Trong bài viết này, đề cập việc áp dụng mô hình COKB để biểu diễn tri thức và ứng dụng trong