Thiết kế và cài đặt lớp tập mờ và ứng dụng trong các hệ thống mờ

i ĐẠI HỌC THÁI NGUY ÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC THẠC SĨ THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT LỚP TẬP MỜ VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ THỐNG MỜ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 01 Giáo viên hướng dẫn: PGS TSKH Nguyễn Xuân Huy Học viên: Triệu Thị Thu Hằng Lớp: Cao học K13B Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ kính trọng lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TSKH Nguyễn Xuân Huy - người tận tình hướng dẫn giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin cảm ơn thầy, cô giáo trường cung cấp kiến thức tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập rèn luyện thân Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, thầy giáo, cô giáo Phòng Sau đại học Trường Đại học Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông, Đại học Thái Nguyên, thầy giáo, cô giáo Viện Công Nghệ Thông Tin, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giảng dạy tạo điều kiện cho học tập làm việc môi trường nghiên cứu triển khai khoa học  công nghệ Viện để hoàn thành luận văn Xin cảm ơn gia đình, bạn bè hết lòng giúp đỡ, khích lệ, động viên để thu được kết bước đầu luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tự thân tìm hiểu, nghiên cứu Các tài liệu tham khảo trích dẫn thích đầy đủ Nếu không đúng, xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Học viên Triệu Thị Thu Hằng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii CÁC KÍ HIỆU vi CÁC TOÁN TỬ OVERLOAD TRONG LỚP TẬP MỜ vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG KHÁI NIỆM VỀ TẬP HỢP VÀ TẬP HỢP MỜ 1.1 Tập hợp 1.1.1 Khái niệm tập hợp 1.1.2 Mô tả tập hợp 1.1.3 Trật tự tập hợp 1.2 Các phép toán tập hợp 1.2.1 Phép hợp 1.2.2 Phép giao 1.2.3 Phép trừ 1.2.4 Biểu đồ Venn 1.2.5 Các tính chất phép toán tập hợp 1.2.6 Biểu diễn tập hợp 1.3 Tập mờ 12 1.3.1 Độ thuộc tập mờ 12 1.3.2 Thể độ thuộc 13 1.3.3 Trật tự tập mờ 14 1.4 Các phép toán tập mờ 14 1.4.1 Yêu cầu 14 1.4.2 Các hàm min, max bù 14 1.4.3 Minh họa 15 1.4.4 Phép hợp hai tập mờ 16 1.4.5 Phép giao hai tập mờ 17 1.4.6 Phép bù 17 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v 1.4.7 Ngưỡng toán tử cắt 19 1.4.8 Các tính chất phép toán tập mờ 20 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT LỚP TẬP MỜ 22 2.1 Thiết kế hướng đối tượng 22 2.2 Thiết kế lớp tập UniSet 22 2.2.1 Các trường liệu 22 2.2.2 Các phương thức 22 2.3 Thiết kế lớp tập mờ FSet 27 2.3.1 Đặt vấn đề 27 2.3.2 Các trường liệu 27 2.3.3 Các phương thức 28 Các thuật toán 43 2.4.1 Dạng thức thuật toán 43 2.4.2 Thuật toán hợp hai tập mờ 46 2.4.3 Thuật toán giao hai tập mờ 47 2.4.4 Thuật toán bù tập mờ 47 2.4.5 Thuật toán Cut tập mờ 48 2.4.6 Thuật toán CutToSet tập mờ 49 2.4.7 Các thuật toán so sánh hai tập mờ 50 CHƯƠNG CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG 52 3.1 Đặt vấn đề 52 3.2 Trại bò 52 3.2.1 Phát biểu toán 52 3.2.2 Thuật toán tổ chức liệu 53 3.2.3 Chương trình 54 3.2.4 Dữ liệu 54 3.2.5 Kết thực 54 3.3 Thực đơn hàng không 54 3.3.1 Phát biểu toán 54 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi 3.3.2 Thuật toán 55 3.3.3 Chương trình 56 3.3.4 Dữ liệu 56 3.3.5 Kết thực 56 3.4 Xử lý lỗi hệ thống 57 3.4.1 Phát biểu toán 57 3.4.2 Thuật toán 57 3.4.3 Chương trình 58 3.4.4 Dữ liệu 58 3.4.5 Kết thực 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii CÁC KÍ HIỆU KÍ HIỆU Ý NGHĨA aS Phần tử a thuộc tập S aS Phần tử a không thuộc tập S XY Tập X tập thực tập Y XY Tập X tập tập Y XY Giao hai tập X Y XY Hiệu tập X Y XY Hợp hai tập X Y X(a) Độ thuộc phần tử a tập mờ X X’ Phần bù tập X min(a,b) Trị nhỏ a b max(a,b) Trị lớn a b  Lượng tử tồn  Lượng tử với Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii CÁC TOÁN TỬ OVERLOAD TRONG LỚP TẬP MỜ Ý NGHĨA KÍ HIỆU S[a] Phần tử a thuộc tập S X Lớn hơn, bao thực * Nhân = toán tử gán *=, -=, +=, /= tính gán Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Như biết, suy luận đời thường suy luận khoa học, logic toán học đóng vai trò quan trọng Ngày nay, xã hội phát triển nhu cầu người ngày cao Do đó, tiến khoa học cao Suy luận logic mệnh đề cổ điển với hai giá trị (1), sai (0) không giải hết toán phức tạp nảy sinh thực tế [1], [3], [5] Ví dụ Quần áo gọi dầy, mỏng để máy giặt biết mà có chế độ tự động giặt sấy khô cho hợp lý ? Hai nhân viên hai quốc gia có mức lương, mà nhân viên quốc gia gọi lương cao, quốc gia gọi lương trung bình, tạm đủ sống Tại ? Làm để chuẩn bị hợp vị bữa ăn máy bay với yêu cầu đa dạng hành khách ? Giải câu hỏi nêu mang lại lợi ích cho nhiều công ty, nhiều tổ chức Những toán xuất ngày nhiều lĩnh vực điều khiển tối ưu, nhận dạng hệ thống, quản lý kinh tế xã hội Đó toán định với liệu không đầy đủ, không định nghĩa cách rõ ràng, tường minh (trong điều kiện thiếu thông tin chẳng hạn) Một cách tiếp cận mang lại nhiều kết thực tiễn nhà khoa học tiếp tục phát triển cách tiếp cận lý thuyết tập mờ (Fuzzy set theory), Lotfi Zadeh trường đại học California, Mỹ đề xuất vào năm 1965 [5] Công trình khai sinh ngành khoa học lý thuyết tập mờ nhanh chóng nhà nghiên cứu công nghệ chấp nhận ý tưởng Một số kết bước đầu hướng nghiên cứu góp phần tạo nên sản phẩm công nghiệp tiêu thụ thị trường Lý thuyết tập mờ ngày Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn phong phú hoàn chỉnh, tạo móng toán học vững để phát triển logic mờ (Fuzzy logic) Có thể nói logic mờ tảng để xây dựng hệ mờ thực tiễn, ví dụ công nghiệp sản xuất xi măng, sản xuất điện năng, hệ chuyên gia y học giúp chuẩn đoán điều trị bệnh, hệ chuyên gia xử lý tiếng nói, nhận dạng hình ảnh, [1, 2, 4] Công cụ chủ chốt logic mờ tiền đề hóa lập luận xấp xỉ với phép suy diễn mờ [1, 2] Nền tảng sở logic mờ lý thuyết tập mờ Vậy khuôn khổ khóa luận thạc sĩ, học viên chọn đề tài: Thiết kế cài đặt lớp tập mờ ứng dụng hệ thống mờ Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung vào hai nhóm đối tượng sau đây: - Lý thuyết tập mờ phép toán tập mờ [2], [5]; - Ứng dụng: cài đặt thử nghiệm số toán vận dụng tập mờ hệ thống kinh tế xã hội [1], [3], [4] Hướng nghiên cứu đề tài  Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến đề tài: Lý thuyết tập mờ, đối sánh tập mờ với tập rõ kinh điển, phép toán truyền thống phép toán mở rộng tập mờ  Cài đặt thử nghiệm lớp tập mờ kiểu liệu với phép toán tập mờ Vận dụng lớp để giải số toán ứng dụng thực tiễn Những nội dung nghiên cứu Luận văn tập trung vào nội dung sau đây: Về lý thuyết chủ yếu tìm hiểu, tổng hợp khái niệm sở lý thuyết tập mờ, đối sánh với lý thuyết tập hợp kinh điển Về hàm lượng Tin học, luận văn thiết kế cài đặt hai lớp liệu hai kiểu liệu UniSet Fset để xử lý tập tập mờ liên kết với tập Học viên cố gắng lựa chọn ký pháp tiện lợi cho việc triển khai chương trình ứng dụng phát triển thêm số hàm tiện ích để thu kiểu liệu Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 61 CPU: ROM: CP: CON: Chuyen gia 6, Trong so: Read: CPU: ROM: 82 CP: 50 CON: 21 Cut by 55 CPU: ROM: CP: CON: Chuyen gia 7, Trong so: Read: CPU: 98 ROM: 21 CP: 18 CON: 39 Cut by 55 CPU: ROM: CP: CON: Chuyen gia 8, Trong so: Read: CPU: 62 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 62 ROM: 54 CP: 36 CON: 47 Cut by 55 CPU: ROM: CP: CON: Chuyen gia 9, Trong so: Read: CPU: 81 ROM: 85 CP: 77 CON: 65 Cut by 55 CPU: ROM: CP: CON: Chuyen gia 10, Trong so: Read: CPU: 39 ROM: 79 CP: 24 CON: 10 Cut by 55 CPU: ROM: CP: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 63 CON: Sum: CPU: 33 ROM: 27 CP: CON: 13 Giai trinh ket qua * CPU: 33 * ROM: 27 * CON: 13 * CP: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 64 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Lý thuyết tập hợp kinh điển logic hai khái niệm tương đương theo nghĩa sau đây: x phần tử tập hợp S mệnh đề P(x) Với lý thuyết tập mờ ta thiết lập với khái niệm logic mờ theo nghĩa sau: x có độ thuộc m tập mờ F mệnh đề P(x) với độ chắn m Như vậy, kết nghiên cứu triển khai thu hai lĩnh vực, tập hợp logic trao đổi qua lại với Theo nghĩa trên, dựa kiểu liệu FSet ta xây dựng kiểu FBool quản lý liệu thuộc kiểu logic mờ Các kết thu khuôn khổ luận văn đóng góp sơ khởi vấn đề sau đây:  Tìm hiểu nội dung lý thuyết tập mờ theo ngữ cảnh so sánh với lý thuyết tập hợp kinh điển  Thiết kế cài đặt hai kiểu liệu nhúng môi trường C++ theo tiếp cận hướng đối tượng UniSet FSet phục vụ cho việc quản lý tập mờ  Chỉ khả ứng dụng hai kiểu liệu nói việc giải toán thực tế Qua trao đổi với nhà khoa học nghiên cứu tập mờ logic mờ, học viên nhận thức hai hướng phát triển đề tài sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 65  Tìm hiểu, tiến tới thiết kế cài đặt kiểu logic mờ với chế lập luận theo logic mờ công cụ lập trình  Mở rộng phạm vi ứng dụng tập mờ logic mờ Xây dựng toán cỡ lớn có tính thuyết phục Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Bùi Công Cường, Nguyễn Doãn Phước (2001), Hệ mờ, Mạng Neuron ứng dụng, Tuyển tập giảng, NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Nguyễn Thiện Luận (2015), Lý thuyết mờ ứng dụng Tin học, Tập 1: Cơ sở lý thuyết mờ, NXB Thống kê Tài liệu tiếng Anh [3] D Dubois, H Prade (1980), Fuzzy sets and systems: Theory and applications Academic press, New York [4] Othman, S and Etienne, S (2010), “Decision making using fuzzy logic for stock trading”, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Information Technology (ITSim), International Symposium Publications, Vol (2), pp 880 - 884 [5] Zadeh, L.A (1965), “Fuzzy sets”, Information and Control 8: pp 338–353 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 67 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: /* Tệp Cows.cpp Vitamin: A, C, D, E Muoi khoang: M Nguong: 29: khong bo sung 30 59: don vi 60 79: don vi 80 100: don vi Ngay thuc hien: 15/07/16 11:44 Hoc vien: Trieu Thu Hang */ #include #include #include "FSet.h" using namespace std; UniSet u(5); void Cows() { int i, j, k, sochat, socathe; const int mn = 300; Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 68 const int m = 4; char name[300]; FSet x, sum; int diem; int nguong[m] = {0, 80, 60, 30}; int donvi[m] = {0, 3, 2, 1}; ifstream f("cows.inp"); // Mo file input ofstream g("cows.out"); // mo file output f >> sochat; // Doc header: ten cac vitamin va khoang chat // Xuong dong moi f.getline(name,mn,'\n'); // doc den gap \n, doi \0 cout