Tìm hiểu chương trình logic với luật giải thích trong biểu diễn tri thức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH BÙI VĂN PHỦ TÌM HIỂU CHƢƠNG TRÌNH LOGIC VỚI LUẬT GIẢI THÍCH TRONG BIỂU DIỄN TRI THỨC LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGHỆ AN, 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH BÙI VĂN PHỦ TÌM HIỂU CHƢƠNG TRÌNH LOGIC VỚI LUẬT GIẢI THÍCH TRONG BIỂU DIỄN TRI THỨC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Mã ngành: 8.48.02.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN NGỌC HIẾU NGHỆ AN, 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi dƣới hƣớng dẫn khoa học thầy TS Nguyễn Ngọc Hiếu Các kết nêu luận văn trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, đƣợc trích dẫn đầy đủ chƣa công bố công trình khoa học Ngày tháng năm 2018 Tác giả luận văn Bùi Văn Phủ LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến TS Nguyễn Ngọc Hiếu, người định hướng đề tài tận tình bảo tơi suốt q trình thực luận văn, từ ý tưởng đề cương, phương pháp giải vấn đề đến việc tạo điều kiện thuận lợi để thực luận văn Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Vinh, đặc biệt quý thầy cô trực tiếp giảng dạy, cung cấp kiến thức khoa học quý báu người động viên, giúp đỡ, khích lệ tơi thời gian thực luận văn Bản luận văn hoàn thành với động viên, giúp đỡ bạn bè lớp cao học Công nghệ thông tin K24 Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân tình tới tất bạn, người giúp đỡ tơi gặp khó khăn vướng mắc q trình thực luận văn Ngày tháng năm 2018 Học viên Bùi Văn Phủ MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết vấn đề nghiên cứu Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục tiêu 2.2 Mục tiêu cụ thể 3 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu 4 Nội dung nghiên cứu 5 Cấu trúc luận văn Chƣơng TỔNG QUAN VỀ LẬP TRÌNH LOGIC 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ SỞ CỦA NGƠN NGỮ BẬC NHẤT 1.2 CHƢƠNG TRÌNH LOGIC XÁC ĐỊNH 1.2.1 Cú pháp 1.2.2 Ngữ nghĩa 1.3 CHƢƠNG TRÌNH LOGIC THƠNG THƢỜNG 13 1.3.1 Cú pháp 13 1.3.2 Ngữ nghĩa 15 1.3.3 Một số tính chất nhƣợc điểm mơ hình bền vững 17 1.4 TIỂU KẾT CHƢƠNG 17 Chƣơng LẬP TRÌNH TẬP TRẢ LỜI ASP VỚI CÁC LUẬT GIẢI THÍCH 18 2.1 PHỦ ĐỊNH MẶC ĐỊNH VÀ PHỦ ĐỊNH MẠNH 19 2.2 CHƢƠNG TRÌNH LOGIC MỞ RỘNG VỚI TẬP TRẢ LỜI ASP 21 2.2.1 Cú pháp ASP 21 2.2.1.1 Literal điều kiện 21 2.2.1.2 Nguyên tố số Literal số 22 2.2.2 Ngữ nghĩa tập trả lời ASP 23 i 2.3 CÁC TÍNH CHẤT CỦA TẬP TRẢ LỜI 26 2.4 LUẬT GIẢI THÍCH CR TRONG LẬP TRÌNH LOGIC 27 2.4.1 Mơ hình hệ thống động 27 2.4.2 Cú pháp CR 33 2.4.3 Ngữ nghĩa CR 35 2.5 TIỂU KẾT CHƢƠNG 38 Chƣơng CÀI ĐẶT MƠ PHỎNG CÁC BÀI TỐN MINH HỌA VỚI CÁC LUẬT GIẢI THÍCH 39 3.1 CÀI ĐẶT CR-MODELS VÀ CHẠY DEMO ỨNG DỤNG 39 3.1.1 Cài đặt chƣơng trình 39 3.1.2 Cấu trúc chƣơng trình 40 3.1.3 Demo ứng dụng 41 3.2 BÀI TOÁN CHẨN ĐỐN BỆNH Ở NGƢỜI (Medical Diagnostics) 44 3.2.1 Tìm hiểu số bệnh thƣờng gặp ngày triệu chứng 45 3.2.2 Xây dựng bảng vị từ, hằng, kiện, luật 51 3.2.3 Xây dựng chƣơng trình Medical Diagnostics 57 3.2.4 Kết chạy chƣơng trình 61 3.3 BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN LỖI KHỞI ĐỘNG MÁY PC (PC Diagnostics) 63 3.3.1 Thu thập tri thức liên quan 65 3.3.2 Xây dựng luật kiện 72 3.3.3 Xây dựng chƣơng trình PC Diagnostics 78 3.3.4 Kết chạy chƣơng trình 82 3.4 TIỂU KẾT CHƢƠNG 85 KẾT LUẬN 86 Những kết đạt đƣợc 86 Hƣớng phát triển đề tài 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 ii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ Chƣơng trình logic Logic program Chƣơng trình logic Ground program Chƣơng trình logic phân tầng Stratified Program Chƣơng trình logic ràng buộc số Cardinality Constraint Program Cơ sở Herbrand Herbrand base Điểm bất động nhỏ Least fixpoint Lập trình logic Logic programming Literal âm Negative literal Mệnh đề Clause Mơ hình bền vững Stable model Mơ hình cực tiểu Minimal model Mơ hình nhỏ Least model Ngữ nghĩa mơ hình bền vững Stable model semantics Nguyên tố Atom Quy tắc Rule Sự kiện Fact Thể Ground instance Toán tử hệ trực tiếp The immediate consequence operator Vị từ Predicate iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ¬ Phủ định ∧ Và (phép hội logic) ∨ Hoặc (phép tuyển logic) ∩ Giao ∪ Hợp  Thuộc iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ASP Lập trình tập trả lời (Answer Set Programming) CNTT Cơng nghệ thơng tin CR-Model Tập trả lời chƣơng trình logic mở rộng với luật giải thích CR-Prolog Lập trình Prolog mở rộng với luật giải thích CR-Rule Luật giải thích (Consistency-Restoring) CSDL Cơ sở liệu ELP Chƣơng trình logic mở rộng FOL Ngôn ngữ bậc HĐH Hệ điều hành PC Máy tính để bàn (Personal Computer) v DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang Bảng 3.1 Chƣơng trình demo ứng dụng Test1.cr 42 Bảng 3.2 Chƣơng trình demo ứng dụng Test2.cr 44 Bảng 3.3 Kết chƣơng trình demo ứng dụng Test2.cr 44 Bảng 3.4 Tên cho toán chẩn đoán bệnh ngƣời 51 Bảng 3.5 Vị từ cho toán chẩn đốn bệnh ngƣời 54 Bảng 3.6 Nhóm bệnh cho toán chẩn đoán bệnh ngƣời 55 Bảng 3.7 Kết cho toán chẩn đoán bệnh ngƣời 61 Bảng 3.8 Tên cho toán chẩn đoán lỗi khởi động máy PC 72 Bảng 3.9 Vị từ cho toán chẩn đoán lỗi khởi động máy PC 73 Bảng 3.10 Tên định nhóm hỏng hóc 74 Bảng 3.11 Kết cho tốn chẩn đoán lỗi khởi động máy PC 82 vi 20 Ram Bộ nhớ RAM 21 Khe cắm ram Khe cắm RAM 22 Cổng nối tiếp Cổng nối tiếp 23 Card hình Card điều chế tín hiệu video 24 Khe cắm card hình Khe cắm card video Vị từ đƣợc sử dụng để biểu thị trạng thái thiết bị hệ thống Ví dụ, đèn nguồn sáng đƣợc biểu diễn thành Sáng(đèn nguồn) Bảng 3.9: Vị từ cho toán chẩn đoán lỗi khởi động máy PC Vị từ Stt Giải thích Thơng báo lỗi (X) Màn hình hiển thị thơng báo lỗi thiết bị X Tiếng kêu(X) Máy tính phát tiếng BIP có đặt điểm X Sáng(X) X có trạng thái mở (ví dụ: đèn nguồn) Lên (X) X có trạng thái lên (ví dụ: hình) Đọc(X) X đƣợc đọc (ví dụ: hệ điều hành) Bật(X) X đƣợc điều chỉnh trạng thái (ví dụ: nút chỉnh) Hoạt động(X) X trạng tháy chạy (ví dụ: quạt nguồn) Gắn đúng(X) X đƣợc gắn (ví dụ: dây cáp điện, cáp tín hiệu ) Nhóm hỏng hóc(X) Máy tính thuộc nhóm hỏng hóc X 10 Nguyên nhân(X) X nguyên nhân gây lỗi Các định bốn nhóm hỏng hóc: 73 Bảng 3.10: Tên định nhóm hỏng hóc Stt Hằng Lỗi Hệ điều hành Giải thích Tình trạng máy tính khơng vào đƣợc hệ điều hành Lỗi hình Tình trạng hình khơng có tín hiệu Lỗi nguồn Tình trạng khơng có nguồn điện vào Lỗi xử lý Tình trạng máy tính hỏng thiết bị xử lý 3.3.2.2 Xây dựng kiện luật Để xác định đƣợc lỗi PC, ngƣời dùng cần khai báo cho chƣơng trình trạng thái PC mà ngƣời dùng thu thập đƣợc Ví dụ đèn nguồn sáng, quạt nguồn quay, khơng lên hình… Các luật dùng để xác định nhóm hỏng hóc: ¬Sáng(đèn nguồn)∧¬Lên(màn hình)∧¬Quay(quạt nguồn)  Nhóm lỗi (nguồn) Sáng(đèn nguồn)∧¬Lên(màn hình)∧Tiế g kêu(1)  Nhóm lỗi (màn hình) Sáng(đèn nguồn)∧¬Lên(màn hình)∧¬Tiếng kêu(1)  Nhóm lỗi (bộ xử lý) Lên(màn hình)∧Tiếng kêu(1)∧¬Đọc(hệ điều hành)  Nhóm lỗi (hệ điều hành) Các luật dùng để chẩn đốn cho hỏng hóc từ nguồn điện: Nhóm lỗi (nguồn)∧Cắm đúng(cáp nguồn) Ngun nhân (nguồn) Nhóm lỗi (nguồn)∧¬Cắm đúng(cáp nguồn) Nguyên nhân (cáp nguồn) Các luật cho hỏng hóc liên quan đến hình máy tính: 74 Nhóm lỗi (màn hình)∧¬Cắm đúng(cáp hình) Ngun nhân (cáp hình) Nhóm lỗi(màn hình)∧Cắm đú g(cáp hình) Ngun nhân (cơng tắc hình) Nhóm lỗi(màn hình)∧Cắm đú g(cáp hình) ∧Bật Cơ g tắc mà hì h Ngun nhân (màn hình) Các luật cho hỏng hóc từ đơn vị xử lý: Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(1_1_3) Nguyên nhân(cmos) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(1_1_4) Nguyên nhân(bios) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(1_2_1) Nguyên nhân(Chip đồng hồ) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(1_3_1) Ngun nhân(bo mạch chính) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(1_4_2) Nguyên nhân(Khe cắm ram) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(2_0_0) Nguyên nhân(ram) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(3_2_4) Ngun nhân(chip bàn phím) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(3_3_4) Ngun nhân(Khe cắm card hình) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(3_4_0) Ngun nhân(card hình) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(4_2_4) Nguyên nhân(card mở rộng) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(4_3_4) Nguyên nhân(Pin cmos) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(4_4_1) Nguyên nhân(cổng nối tiếp) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(4_4_2) Nguyên nhân(cổng song song) Nhóm lỗi(bộ xử lý)∧Tiế g kêu(4_4_3) Nguyên nhân(cpu) 75 Các luật cho hỏng hóc từ đĩa cứng liệu: Nhóm lỗi(hệ điều hành)∧Thơng báo lỗi(đĩa cứng)∧Cắm đú g(cáp đĩa cứng)  Nguyên nhân(đĩa cứng) Nhóm lỗi(hệ điều hành)∧Thơng báo lỗi(đĩa cứng)∧ ¬Cắm đú g(cáp đĩa cứng)  Nguyên nhân(cáp đĩa cứng) Nhóm lỗi(hệ điều hành)∧ ¬Thơng báo lỗi(đĩa cứng)  Ngun nhân(hệ điều hành) 3.3.2.3 Chuyển luật kiện ngôn ngữ CR-Prolog Các luật trạng thái: sang(X): den_nguon quay(X): quat_nguon gan_dung(X): cap_nguon, cap_dia_cung len(X): man_hinh bat(X): cong_tac_nguon, cong_tac_man_hinh tieng_keu(X): mot_hai_mot (tiếng phát từ loa báo) doc(X): he_dieu_hanh thong_bao_loi(X): dia_cung (thơng báo lỗi đĩa cứng) Các luật xác định nhóm hỏng hóc: nhom_loi(nguon) :- not(sang(den_nguon)), not(quay(quat_nguon)), not(len (man_hinh)) nhom_loi(man_hinh):- sang(den_nguon), not(len (man_hinh)), tieng_keu(mot) 76 nhom_loi(bo_xu_ly):- sang(den_nguon), not(len(man_hinh)), not(tieng_keu (mot)) nhom_loi(he_dieu_hanh):- sang(den_nguon),len(man_hinh), not(doc(he_dieu_hanh)) Nhóm hỏng hóc nguồn: nguyen_nhan(cap_nguon):- nhom_loi(nguon), not(gan_dung(cap_nguon)) nguyen_nhan(nguon):- nhom_loi(nguon), gan_dung(cap_nguon) Nhóm hỏng hóc hình: nguyen_nhan(cap_man_hinh):- nhom_loi(man_hinh), not(gan_dung (cap_man_hinh)) nguyen_nhan(cong_tac_man_hinh):- nhom_loi(man_hinh), gan_dung(cap_man_hinh), not(bat (cong_tac_man_hinh)) nguyen_nhan(man_hinh):- nhom_loi(man_hinh), gan_dung(cap_man_hinh), bat(cong_tac_man_hinh) Nhóm hỏng hóc từ thiết bị xử lý: nguyen_nhan(cmos):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(mot_mot_ba) nguyen_nhan(bios):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(mot_mot_bon) nguyen_nhan(chip_dong_ho):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(mot_hai_mot) nguyen_nhan(bo_mach_chinh):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(mot_ba_mot) nguyen_nhan(khe_cam_ram):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(mot_bon_hai) 77 nguyen_nhan(chip_ban_phim):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(ba_hai_bon) nguyen_nhan(card_man_hinh):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(ba_bon_khong) nguyen_nhan(khe_cam_card_man_hinh):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(ba_ba_bon) nguyen_nhan(pin_cmos):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(bon_ba_bon) nguyen_nhan(cong_noi_tiep):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(bon_bon_mot) nguyen_nhan(cong_song_song):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(bon_bon_hai) nguyen_nhan(CPU):- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(bon_bon_ba) Nhóm hỏng hóc từ liệu: nguyen_nhan(he_dieu_hanh) :- nhom_loi(he_dieu_hanh), not(thong_bao_loi(dia_cung)) nguyen_nhan(cap_dia_cung) :- nhom_loi(he_dieu_hanh), not(thong_bao_loi(dia_cung)), not(gan_dung(cap_dia_cung)) nguyen_nhan(dia_cung) :nhom_loi(he_dieu_hanh),thong_bao_loi(dia_cung), gan_dung(cap_dia_cung) 3.3.3 Xây dựng chương trình chẩn đốn lỗi khởi động máy PC (PC Diagnostics) pcd.cr t(bios;card_mo_rong;cmos;pin_cmos;bo_nho_cmos;dia_cung;cap_dia_cung; ban_phim;chip_ban_phim;bo_mach_chinh;chip_dong_ho;man_hinh;cong_ta 78 c_man_hinh;cap_man_hinh;he_dieu_hanh;cong_song_song;cap_nguon;quat _nguon;den_nguon;ram;khe_cam_ram;cong_noi_tiep;card_man_hinh;khe_c am_man_hinh) i(1 13) #domain t(X) #domain i(Y) % trạng thái đầu vào sang(den_nguon) %quay(quat_nguon) len(man_hinh) gan_dung(cap_nguon) %gan_dung(cap_man_hinh) %bat(cong_tac_man_hinh) tieng_keu(mot) %tieng_keu(ba_ba_bon) doc(he_dieu_hanh) %thong_bao_loi(dia_cung) %gan_dung(cap_dia_cung) % Luật nhóm hỏng hóc nhom_loi(nguon) :- not sang(den_nguon), not quay(quat_nguon), not len(man_hinh) nhom_loi(man_hinh) :- sang(den_nguon), not len(man_hinh), tieng_keu(mot) nhom_loi(bo_xu_ly) :- sang(den_nguon), not len(man_hinh), not tieng_keu(mot) 79 nhom_loi(he_dieu_hanh) :- sang(den_nguon), len(man_hinh), not doc(he_dieu_hanh) % Luật chẩn đoán CR rp(1): nguyen_nhan(cap_nguon) +- nhom_loi(nguon) rp(2): nguyen_nhan(nguon) +- nhom_loi(nguon),gan_dung(cap_nguon) rm(1): nguyen_nhan(cap_man_hinh) +- nhom_loi(man_hinh) rm(2): nguyen_nhan(cong_tac_man_hinh) +nhom_loi(man_hinh),gan_dung(cap_man_hinh) rm(3): nguyen_nhan(man_hinh) +- nhom_loi(man_hinh), gan_dung(cap_man_hinh),bat(cong_tac_man_hinh) rr(1): nguyen_nhan(bo_xu_ly)+- nhom_loi(bo_xu_ly) rr(2): nguyen_nhan(cmos)+- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(mot_mot_ba) rr(3): nguyen_nhan(bios)+- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(mot_mot_bon) rr(4): nguyen_nhan(chip_dong_ho)+- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(mot_hai_mot) rr(5): nguyen_nhan(bo_mach_chinh)+- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(mot_ba_mot) rr(6): nguyen_nhan(khe_cam_ram)+- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(mot_bon_hai) rr(7): nguyen_nhan(chip_ban_phim)+- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(ba_hai_bon) rr(8): nguyen_nhan(card_man_hinh)+- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(ba_bon_khong) rr(9): nguyen_nhan(khe_cam_man_hinh)+- nhom_loi(bo_xu_ly), 80 tieng_keu(ba_ba_bon) rr(10): nguyen_nhan(pin_cmos)+- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(bon_ba_bon) rr(11): nguyen_nhan(cong_noi_tiep)+- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(bon_bon_mot) rr(12): nguyen_nhan(cong_song_song)+- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(bon_bon_hai) rr(13): nguyen_nhan(cpu)+- nhom_loi(bo_xu_ly), tieng_keu(bon_bon_ba) ro(1): nguyen_nhan(he_dieu_hanh)+- nhom_loi(he_dieu_hanh) ro(2): nguyen_nhan(cap_dia_cung)+- nhom_loi(he_dieu_hanh), thong_bao_loi(dia_cung), not gan_dung(cap_dia_cung) ro(3): nguyen_nhan(dia_cung)+- nhom_loi(he_dieu_hanh), thong_bao_loi(dia_cung), gan_dung(cap_dia_cung) % Luật ƣu tiên CR prefer(rp(Y+1),rp(Y)):-Y