Nội dung nghiên cứu là phân tích chế độ dinh dưỡng của trẻ em qua nhiều hình thức khác nhau, từ đó đề xuất giải pháp ứng dụng logic mờ xây dựng một hệ thống trợ giúp tư vấn dinh dưỡng làm việc theo nguyên lý suy diễn không chắc chắn của hệ chuyên gia dựa trên luật.
266 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA CITA 2017 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC” Nghiên cứu logic mờ đề xuất hệ trợ giúp tư vấn dinh dưỡng cho trẻ em Văn Đỗ Cẩm Vân, Trần Thị Kiều, Trần Thu Thủy Trường Cao đẳng Công nghệ Thông tin, Đại học Đà Nẵng vdcvan@cit.udn.vn.com Abstract Ngày nay, dinh dưỡng trẻ em trọng, nhằm giải mối quan tâm, lo lắng bậc phụ huynh có nhỏ Ngồi ra, vấn đề tin học hóa từ chương trình dạy học tới dinh dưỡng trẻ khuyến khích mở rộng, việc phát triển hệ thống dinh dưỡng tự động cần thiết khả thi Một xu nhiều người quan tâm nghiên cứu, ứng dụng lôgic mờ (Fuzzy Logic) sở lý thuyết tập mờ (Fuzzy Set) mở rộng lý thuyết tập rõ cổ điển Nội dung nghiên cứu phân tích chế độ dinh dưỡng trẻ em qua nhiều hình thức khác nhau, từ đề xuất giải pháp ứng dụng logic mờ xây dựng hệ thống trợ giúp tư vấn dinh dưỡng làm việc theo nguyên lý suy diễn không chắn hệ chuyên gia dựa luật Keywords: logic mờ, dinh dưỡng, biến mờ, tập mờ Đặt vấn đề Hiện nay, trường mầm non, xây dựng phần ăn cho bé chủ yếu thực tay (thủ công), việc thường thời gian độ đa dạng bữa ăn thấp không đảm bảo chế độ dinh dưỡng Trong vấn đề tin học hoá trường mầm non mở rộng khuyến khích phát triển, từ chương trình dạy học dinh dưỡng trẻ Trong toán xác định phần ăn, liệu đầu vào hệ thống khơng xác hay khơng rõ ràng Mỗi ăn bao gồm nhiều thành phần calo, đạm, chất béo… Mỗi phần lại có nhiều ăn, có nhiều thành phần Giá trị thành phần thường khơng xác q trình chế biến ăn chúng thường dao động khoảng cho trước Ngoài ra, điều kiện dinh dưỡng điều kiện biên không rõ ràng Chẳng hạn chấp nhận phần ăn lượng đạm nằm khoảng cho phép (được xác định trước) Chính vậy, việc sử dụng logic mờ tốn hồn tồn tự nhiên Nghiên cứu đề xuất hệ trợ giúp tư vấn dinh dưỡng thông qua phần ăn cho trẻ em độ tuổi mầm non logic mờ Nội dung nghiên cứu tóm tắt sau: sau phần đặt vấn đề bước phân tích hệ thống xác định phần ăn cho trẻ, đề xuất phương pháp giải vấn đề sử dụng logic mờ, phần cuối kết luận Phân tích hệ thống 2.1 Qui định chế độ dinh dưỡng trẻ em Dinh dưỡng hợp lí: phần ăn ngày phải đủ số lượng cân đối chất lượng [6] - Cân đối chất sinh lượng: đạm (protein), béo (lipit), đường (gluxit) Đỗ Cẩm Vân, Trần Thị Kiều, Trần Thu Thủy - Cân đối thức ăn có nguồn gốc động vật thực vật - Mỗi bữa ăn ngày trẻ cần đảm bảo đủ bốn nhóm thức ăn bản: + Nhóm lương thực (cung cấp lượng chủ yếu): gạo, mì, ngơ, khoai + Nhóm thức ăn: - Động vật (cung cấp đạm động vật): thịt, cá, trứng, tôm, cua - Thực vật (cung cấp đạm thực vật): đậu phụng, đậu tương + Nhóm dầu ăn, mỡ (cung cấp chất béo nguồn cung cấp lượng quan trọng) + Nhóm rau xanh, chín (cung cấp vitamin khoáng chất) - Rau: lá, củ, - Quả: chuối, cam, xoài, đu đủ … - Nhu cầu dinh dưỡng (nhu cầu lượng): - Đơn vị tính: + Kilocalo (Kcal); + Jun: 1Kcal = 4.184 Kjun - Thức ăn cung cấp lượng cho thể dạng protein, lipit, gluxit + gam protein cung cấp Kcal; + gam lipit cung cấp Kcal; + gam gluxit cung cấp Kcal - Tỉ lệ cân đối chất sinh lượng: + NL Protein cung cấp: 12 - 15 % Nguồn gốc động vật: 50% Nguồn gốc thực vật: 50% + NL Lipit cung cấp: 15 - 20 % Nguồn gốc động vật: 50% Nguồn gốc thực vật: 50% + NL Gluxit cung cấp: 66 - 75 % - Trẻ em: + Nhóm nhà trẻ (từ - tuổi): 1300 Kcal /ngày + Nhóm mẫu giáo (từ - tuổi): 1600 Kcal /ngày 2.2 Nguyên tắc bước xây dựng thực đơn cho trẻ 2.2.1 Nguyên tắc - Đảm bảo cho phần đủ lượng chất dinh dưỡng [3] 267 268 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA CITA 2017 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC” + Cả ngày: Lứa tuổi nhà trẻ: 1.100 - 1.500 Kcal/ngày Lứa tuổi mẫu giáo: 1.500 - 1.700 Kcal/ngày + Ở nhà trẻ - mẫu giáo: Lứa tuổi nhà trẻ: 660 - 1.050 Kcal/ngày Lứa tuổi mẫu giáo: 750 - 1.020 Kcal/ngày - Đảm bảo tỉ lệ cân đối chất sinh lượng Cân đối tỉ lệ đạm động vật thực vật, mỡ động vật dầu thực vật, cân đối loại vitamin chất khoáng (canxi phốtpho) - Đảm bảo phần trẻ trường: + Lứa tuổi nhà trẻ: chiếm 60 - 70% phần ngày + Lứa tuổi mẫu giáo: chiếm 50-60% phần ngày + Trong tỉ lệ: Bữa trưa = 30 - 35% Bữa chiều = 25 - 30% Bữa phụ = 1/2 bữa - Thực đơn xây dựng theo ngày, tuần, tháng theo mùa để dễ điều hòa thực phẩm - Xây dựng thực đơn cho nhiều ngày cần thay đổi ăn cho trẻ đỡ chán đảm bảo đủ chất dinh dưỡng - Thay đổi thực đơn không đơn thay đổi thực phẩm mà cần thay đổi dạng chế biến loại thực phẩm (luộc, kho, xào, rán, hấp ) - Trong ngày nên sử dụng thực phẩm giống cho chế độ ăn để tiện cho tiếp phẩm chợ - Có thực đơn bữa chính, bữa phụ phù hợp với mức đóng góp 2.2.2 Cách thức xây dựng 2.2.2.1 Lứa tuổi nhà trẻ Lượng calo ngày: 1300 Kcal/ngày Đặt: Calo* lượng calo hợp lý cho bữa trưa trường mầm non Đặt: Calo lượng calo cho phép cho bữa trưa trường mầm non Khi đó: Lượng calo hợp lý bữa ăn trưa trường mầm non: - Tại trường bữa trưa chiếm: 30 - 35% phần ngày (Bữa trưa + Bữa chiều + Bữa phụ = 60% - 70% ngày) - Lượng calo ứng với bữa trưa: Đỗ Cẩm Vân, Trần Thị Kiều, Trần Thu Thủy 269 1.300*30/100≤ Calo*≤ 1.300*35/100 390 ≤ Calo*≤ 455 Vậy lượng calo hợp lí cho bữa ăn trưa trường mầm non là: 390 ≤ Calo*≤ 455 Vì hệ thống sử dụng điều khiển mờ nên cần có không gian X tập giá trị lượng calo cho phép theo lứa tuổi Do vậy, để xây dựng hệ thống hiệu quả, sử dụng khoảng Calo cho phép [3] 2.2.2.2 Lứa tuổi mẫu giáo Lượng calo ngày: 1600 Kcal/ngày Đặt: Calo* lượng calo hợp lý cho bữa trưa trường mầm non Đặt: Calo lượng calo cho phép cho bữa trưa trường mầm non Lượng calo cho bữa ăn trưa trường mầm non: - Tại trường bữa trưa chiếm: 35 - 40% phần ngày (Bữa trưa + Bữa phụ = 50% - 60% ngày) - Lượng calo cho bữa trưa: 1600*35/100 ≤ Calo* ≤ 1600*40/100 560 ≤ Calo*≤ 640 Vậy lượng calo hợp lí cho bữa ăn trưa trường mầm non là: 560 ≤ Calo*≤ 640 Đề xuất giải pháp xây dựng hệ trợ giúp tư vấn dinh dưỡng thông qua phần ăn cho trẻ em độ tuổi mầm non 3.1 Xây dựng tập mờ hàm thành viên 3.1.1 Xác định liệu vào hệ thống Trước hệ thống hoạt động, liệu vào hệ thống bao gồm (tính tổng bữa ăn trưa): tổng lượng calori (đơn vị: Kcal), tổng lượng protein động vật (đơn vị: gam), tổng lượng protein thực vật (đơn vị: gam), tổng lượng lipit động vật (đơn vị: gam), tổng lượng lipit thực vật (đơn vị: gam), tổng lượng gluxit (đơn vị: gam), chi phí bữa ăn (đơn vị: VND), tổng độ dùng lại Cơng thức tính số đại lượng sử dụng hệ thống mờ: gam Protein cung cấp Kcal ; gam Lipit cung cấp Kcal; gam Gluxit cung cấp Kcal [3] Năng lượng thực phẩm chủ yếu (gần toàn bộ) cung cấp đại lượng Do đó, ta có: 4* Tổng lượng Protein + 9* Tổng lượng Lipit + 4* Tổng lượng Gluxit = Tổng lượng Calori Mặt khác, cấu lượng khuyến nghị P: L: G 12% - 15%: 15% - 20%: 66% - 75% [3] 270 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA CITA 2017 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC” Do đó, ta cần chuyển đại lượng Tổng Protein, Tổng Lipit, Tổng Gluxit thành đại lượng tỉ lệ Protein, tỉ lệ Lipit, tỉ lệ Gluxit sau: - Tỉ lệ protein: TL Protein = ((Khối lượng Protein Động vật + Khối lượng Protein Thựcvật)*4)/(Tổng Calorie) - Tỉ lệ lipid: TL Lipid = ((Khối lượngLipid Độngvật+Khối lượngLipid Thựcvật)*9)/ (Tổng Calorie) - Tỉ lệ Gluxit: TL Gluxit = (Lượng Gluxit*4)/(Tổng Calorie) Ngoài ra, cần tính thêm giá trị hai đại lượng: - Chi phí bữa ăn: Chi phí bữa ăn trưa = ∑ chi phí nguyên liệu thành phần - Tổng độ dùng lại: Độ dùng lại bữa ăn tính dựa độ dùng lại ăn tổ hợp nên bữa ăn Trong đó, độ dùng lại ăn lại tính dựa vào ngày cuối sử dụng Một ăn có ngày dùng cuối xa (trải qua thời gian dài không sử dụng) độ dùng lại ăn nhỏ, tức tỉ lệ chọn ăn cao Dựa vào tính chất này, xây dựng hàm số cho đại lượng độ dùng lại Ở đây, việc xây dựng hàm số biểu diễn cho đại lượng độ dùng lại cần thỏa mãn số yêu cầu sau đây: + Đảm bảo bữa ăn thỏa mãn yêu cầu dưỡng chất, giá tiền chọn vào thời điểm + Đảm bảo chương trình xây dựng thực đơn cho ăn thay đổi liên tục giúp cho trẻ không cảm thấy nhàm chán + Không giảm nhanh tạo điều kiện cho bữa ăn không thỏa mãn yêu cầu chọn sử dụng Bằng thực nghiệm, qua trình chọn hàm, chọn hàm cần tìm: hàm giảm 1/n, n khoảng thời gian hai lần sử dụng Do độ dùng lại tính theo cơng thức: Gọi ĐDL độ dùng lại ăn Gọi SNDL số ngày cách ngày cuối dùng ngày xếp lịch: SNDL = Ngày xếp lịch - Ngày dùng lại Khi đó, độ dùng lại ăn tính sau: ĐDL = 1/SNDL Tổng độ dùng lại bữa ăn: ĐDL bữa ăn trưa = ∑ ĐDL ăn/số ăn 3.3.2 Xác định biến mờ Trước hết tạo danh sách biến mờ {Xi, i = 1,…, L}, biến mờ xác định bốn Xi = {X, Ux, Tx, Mx}, đó: X tên biến mờ, chẳng hạn Calo, Protein, Lipid, Gluxit, ChiphiBuaAn, TongDoDung Tập UX [Ulow, Umedium, Uup] miền giá trị biến rõ Tx tập giá trị mờ biến mờ X, nhận từ hàm mờ MX tập hàm mờ ánh xạ giá trị rõ UX sang tập mờ TX Đỗ Cẩm Vân, Trần Thị Kiều, Trần Thu Thủy 271 Biến mờ Tỉ lệ Dinh Dưỡng gồm tập mờ: - Tỉ lệ dinh dưỡng thấp (TLDD.RatThap); - Tỉ lệ dinh dưỡng thấp (TLDD.Thap); - Tỉ lệ dinh dưỡng trung bình (TLDD.TrungBinh); - Tỉ lệ dinh dưỡng cao (TLDD.Cao); - Tỉ lệ dinh dưỡng cao (TLDD.RatCao) 3.3.3 Xây dựng hàm mờ µ cho tập mờ Hiện nay, trình xếp lịch ăn trường mầm non tồn chuẩn cấu lượng: - Chuẩn một: Tỉ lệ P:L:G = 12% - 15% : 15% - 20% : 66% - 75% - Chuẩn hai: Tỉ lệ P:L:G = 14% : 26% : 60% Đồng thời, lượng gạo (cung cấp lượng lớn calo bữa ăn) nhóm tuổi nhà trẻ nhóm tuổi mầm non cách xa, cần xây dựng điều khiển mờ cho đáp ứng nhu cầu nhóm tuổi hỗ trợ hai chuẩn nói Để thực điều này, xây dựng hai hàm thành viên cho factor “lượng calo” hai nhóm factor “tỉ lệ protein”, “tỉ lệ lipit”, “tỉ lệ gluxit” Hàm mờ μ cho biến X xác định tập mờ TX có dạng đồ thị hình 1, wUX giá trị rõ, S = [SL, SU] UX Tập tham số P = {a, b, c, d} xác định điểm đồ thị hàm mờ μ, “đúc”ra hàm thuộc theo ý muốn [1], [2], [8], [9] 0, wS w SL ( a S ) , w [ S L , a] L 1 ( b w ) , w [a, b] 1.0 i j ( w) b a 1, w [ b, c ] 1 ( w c ) , w [c, d ] d c SU w ( S d ) , w [ d , SU ] U µ(W) W SL a b c d Hình Đồ thị hàm mờ μ µ Calo Cao Calo thấp 0,77 Calo 0,23 37 38 38,86 39 40 Hình Đồ thị hàm mờ biến Calo 42 SU KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA CITA 2017 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC” 272 3.3.4 Xây dựng sở luật mờ Xây dựng sở luật mờ (Fuzzy-Rules Base) gồm luật đặt tên R1, R2… có dạng: Ri: IF THEN [CFRi] Trong với luật Ri, i=1, 2,…: - CFRi độ tin cậy luật Ri, giá trị nằm khoảng [0, 1] - vế trái luật, có dạng: P1 ^ P2 ^…^ Pn, n ≥ 1, Pi kiện - , vế phải luật, kiện kết chẩn đoán Q suy diễn từ trình áp dụng luật theo chế suy diễn lùi (BackChaining) [4], [5], [7]nếu tìm luật có Q bên phải với CF lớn xem thoả mãn, tiếp tục suy luận từ kiện nhận từ vế trái Q cho kiện lại kết luận để tìm luật khác sở luật mờ thoả mãn với ràng buộc CF tương ứng, từ suy kiện giả thiết cho ban đầu hoàn toàn đắn kết luận mong muốn i i Mỗi Pi, hay Q, vị từ (Predicate) có dạng is(Xi,v j) [CF j] với Xi biến mờ biểu diễn i i liệu đầu vào, v j giá trị mờ Để tìm độ tin cậy [CF j], cần tìm giá trị rõ biến mờ xuất luật, sau tiến hành vẽ đồ thị hàm mờ để xác định giá trị mờ cho giá i trị rõ tương ứng Sau tính hết độ tin cậy [CF j] hai vế trái phải, độ tin cậy CFRi i luật giá trị nhỏ (Minimum) xác định sau: CF(Ri) = (CF j) Chẳng hạn có luật mờ xây dựng từ biến mờ Calo, Lipid, Gluxit cho Bảng Bảng Tập luật mờ thu từ Calo, Lipid, Gluxit Luật IF Calo is And Protein is And Gluxit js And Lipid is THEN TLDinhDuong is CF R1 Low Low Low Low Very Low 0,23 R2 Low Mid Low Low Very Low 0,23 R3 Low Low Low Mid Very Low 0,09 R4 Low Low Mid Low Very Low 0,09 R5 Mid Mid Mid Mid Mid 0,77 R6 Mid Low Mid Mid Low 0,28 R7 Low Mid Low Mid Very Low 0,09 Kết luận Nghiên cứu giới thiệu cách tổng quan lý thuyết mờ đề xuất ý tưởng xây dựng hệ trợ giúp tư vấn dinh dưỡng qua phần ăn trẻ em Tuy nhiên, xây dựng hệ thống, gặp phải vấn đề kết hợp luật lại với Chúng ta sử dụng luật riêng rẽ để đánh giá phần ăn thông số phần ăn liên quan mật thiết với Ngoài ra, phải gán trọng số cho luật khơng phải luật quan trọng Chẳng hạn phần có chứa hai ăn kỵ đánh giá khác với phần có lượng đạm thừa Điều Đỗ Cẩm Vân, Trần Thị Kiều, Trần Thu Thủy 273 làm nảy sinh vấn đề xây dựng trọng số cho luật Việc xây dựng trọng số tham khảo ý kiến chuyên gia dùng phương pháp thử sai kết hợp hai Việc kết hợp luật lại với khơng q khó khăn lý thuyết mờ xây dựng mơ hình kết hợp Tài liệu tham khảo Bùi Công Cường, Nguyễn Doãn Phước, Hệ mờ mạng Noron ứng dụng, Nxb Khoa học Kỹ thuật, 1999 B Bouchon, Meunier, Hồ Thuần, Đặng Thanh Hà, Logic mờ ứng dụng, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội, 2007 Bộ Giáo Dục Đào tạo, Chương trình chăm sóc giáo dục trẻ theo lứa tuổi, 1994 - 1995 Phan Huy Khánh, Hệ chuyên gia, Giáo trình xuất nội bộ, Đại học Đà Nẵng, 2004 Nguyễn Thanh Thủy, Trí tuệ nhân tạo, Các phương pháp giải vấn đề kỹ thuật xử lý tri thức, Nhà Xuất Giáo dục, 1999 Viện dinh dưỡng - Bộ Y tế, Bảng nhu cầu dinh dưỡng khuyến nghị cho người Việt Nam, Nxb Y học, 2003 George J Klir and Bo Yuan, Fuzzy Sets and Fuzzy Logic Theory and Applications, Prentice Hall Inc, 1995 T.J Ross, Fuzzy Logic with engineering applications, McGraw-Hill, 1995 J.Giarratano and G Riley, Expert System, principles and programming, PWS-KENT Publishing Company, 1989 ... 0,09 Kết luận Nghiên cứu giới thiệu cách tổng quan lý thuyết mờ đề xuất ý tư? ??ng xây dựng hệ trợ giúp tư vấn dinh dưỡng qua phần ăn trẻ em Tuy nhiên, xây dựng hệ thống, gặp phải vấn đề kết hợp luật... calo hợp lí cho bữa ăn trưa trường mầm non là: 560 ≤ Calo*≤ 640 Đề xuất giải pháp xây dựng hệ trợ giúp tư vấn dinh dưỡng thông qua phần ăn cho trẻ em độ tuổi mầm non 3.1 Xây dựng tập mờ hàm thành... Tỉ lệ dinh dưỡng thấp (TLDD.Thap); - Tỉ lệ dinh dưỡng trung bình (TLDD.TrungBinh); - Tỉ lệ dinh dưỡng cao (TLDD.Cao); - Tỉ lệ dinh dưỡng cao (TLDD.RatCao) 3.3.3 Xây dựng hàm mờ µ cho tập mờ Hiện