- Bộ soạn thảo (FIS Editor): hiển thị cỏc thụng tin chung về một hệ suy diền Mờ: bao nhiờu biến vào, bao nhiờu biến ra, tờn cỏc biến. FLT khụng giới hạn số lƣợng biến vào, tuy nhiờn, số lƣợng biến vào phải phụ thuộc vào bộ nhớ cho phộp của mỏy tớnh. Nếu số lƣợng biến vào quỏ lớn hoặc số lƣợng hàm thành viờn quỏ nhiều thỡ cú thể khú phõn tớch khi sử dụng cụng cụ GUI.
- Bộ soạn thảo hàm thuộc (Membership function Editor) đƣợc sử dụng để định nghĩa dạng của cỏc hàm thuộc ứng với từng biến.
- Bộ soạn thảo luật (Rule Editor) dựng để soạn thảo danh sỏch cỏc luật - xỏc định hành trạng của hệ thống.
thị đồ thị suy diễn Mờ trong giai đoạn sau cựng. Nú cú thể chỉ ra hoạt động của cỏc luật, chỉ ra ảnh hƣởng của cỏc hàm thuộc nhƣ thế nào đối với kết quả trả về. Quan sỏt bề mặt cho phộp hiển thị độc lập một biến ra và một hoặc hai biến vào
4.2.4. Cấu trỳc của hệ suy diễn mờ trong Matlab
Cấu trỳc của FIS (Fuzzy Inference System) là một đối tƣợng của Matlab trong đú bao gồm tất cả cỏc thụng tin về hệ suy diễn. Cấu trỳc này đƣợc lƣu trữ bờn trong mỗi cụng cụ GUI. Cỏc hàm truy nhập nhƣ là getfis, setfis sẽ cho ta dễ dàng kiểm tra cấu trỳc này. Ta cũng cú thể lấy cỏc thụng tin của một cấu trỳc Fis bằng cỏch sử dụng cỳ phỏp structure.field.
Mọi thụng tin của một hệ suy diễn đƣa ra đƣợc chứa đựng trong cấu trỳc FIS bao gồm nhƣ tờn biến, hàm thuộc xỏc định… Ta cú thể xem mụ hỡnh của cấu trỳc FIS trong bộ cụng cụ Logic mờ bao gồm cỏc thành phần nhƣ sau:
FIS name type andMethod orMethod defuzzyMethod impMethod aggMethod input output rule Input name range mf Output name range mf Rules antecedent consequent weight connections Input 1 MFs name type params Input 2 MFs name type params Output MFs name type params Hỡnh 4.4: Cấu trỳc FIS
Bờn cạnh cỏch xõy dựng hệ suy diễn mờ dựa vào bộ cụng cụ giao tiếp với ngƣời sử dụng GUI một cỏch thuận tiện thỡ bộ cụng cụ Logic Mờ cũng cung cấp cho ngƣời sử dụng cỏc hàm, lệnh để truy nhập và làm việc trực tiếp từ cửa sổ lệnh của Matlab.
4.3.1. Bài toỏn điều khiển tớn hiệu đốn giao thụng
Điều khiển và kiểm soỏt giao thụng thành phố đang trở thành một vấn đề lớn ở nhiều nƣớc. Với số lƣợng ngày một tăng của xe trờn đƣờng, Bộ Giao thụng vận tải là cơ quan đó tỡm nhiều cỏch hoặc biện phỏp khắc phục mới. Cỏc biện phỏp đang phỏt triển cỏc tuyến đƣờng mới ở giữa thành phố; xõy dựng đƣờng vũng. Vớ dụ nhƣ đƣờng vũng trong, vũng giữa đƣờng bộ và đƣờng vũng ngoài; giới thiệu xe lửa thành phố nhƣ vận chuyển nhanh nhẹ; hạn chế xe lớn trong thành phố trong giờ cao điểm, và cũng cú thể phỏt triển của cỏc điều khiển giao thụng tinh vi và hệ thống điều khiển.
Đối với bài toỏn điều chỉnh thời đốn xanh, đỏ tại ngó tƣ đƣờng đó cú nhiều phƣơng phỏp đƣợc ỏp dụng [15], trong đú cỏc phƣơng phỏp tuõn theo logic cổ điển vẫn thƣờng đƣợc dựng hiện nay là hai phƣơng phỏp:
- Điều chỉnh theo thời gian: tức là đối với bài toỏn đặt ra tại cỏc ngó tƣ đƣờng cú mức độ ƣu tiờn nhƣ nhau thỡ việc điều chỉnh đốn sẽ tuỳ vào thời gian cao điểm trờn đoạn đƣờng đú mà cú thể thờm hoặc bớt thời gian đốn xanh, đỏ.
- Điều chỉnh theo hƣớng: tức là đối với cỏc ngó tƣ cú phõn biệt mức độ ƣu tiờn. Với hƣớng cú mức độ ƣu tiờn cao thỡ thời gian đốn xanh nhiều hơn, và ngƣợc lại. Bờn cạnh đú cũng cú xột thờm về yếu tố thời gian cao điểm.
Ngoài ra, cũn nhiều phƣơng ỏn cũng kết hợp vúi nhiều cỏc yếu tố liờn quan hơn nhƣ khoảng cỏch rộng của ngó tƣ,… Song cú một vấn đề đặt ra là việc ỏp dụng cỏc phƣơng phỏp trờn nhiều khi rất bất lợi. Bởi vỡ việc thống kờ số liệu liờn quan đến bài toỏn trờn từng ngó tƣ là khỏc nhau, dẫn đến việc thống kờ khụng chớnh xỏc do đú làm cho thời gian chết tại cỏc ngó tƣ nhiều. Việc tớnh toỏn lƣợng xe đi lại vào giờ cao điểm khụng phải luụn đỳng với mọi ngày trong tuần hay với mọi ngày trong năm… Đó cú phƣơng phỏp để nghiờn cứu giải phỏp cho cỏc vấn đề trờn là cỏc chuyờn gia ỏp dụng phƣơng phỏp thớch nghi (adaptation). Trong phƣơng phỏp này, ngƣời ta khụng cố định thời gian T đốn xanh nhất định, mà biến TN là thời gian đốn xanh ở một thời điểm thứ N nào đú, và TN khụng phải là một hằng số. TN khỏc nhau phụ thuộc vào lượng xe thụng qua ở một số thời điểm trƣớc nú. Tức là thời gian TN sẽ đƣợc xỏc định bằng cỏch quan sỏt ở k thời điểm trƣớc đú. Đõy cũn gọi là phƣơng ỏn Markov.
Nếu sử dụng phƣơng phỏp này thỡ vẫn phải tiến hành cỏc cụng việc nhƣ quan sỏt trƣớc và dựng cỏch thức định tớnh. Hơn nữa, khú cú thể sử dụng để tớnh toỏn và ƣớc lƣợng cho nhiều yếu tố bất định cú thể xảy ra trong thực tế nhƣ: thời tiết, giờ cao điểm,… Vỡ vậy, việc ỏp dụng phƣơng phỏp suy diễn mờ cho phộp làm việc với cỏc biến ngụn ngữ, tớnh toỏn theo một xỏc xuất lớn sẽ cho kết quả tốt hơn cỏc phƣơng phỏp khỏc.
Bài toỏn lập hệ suy diễn để điều chỉnh thời gian đốn xanh đốn đỏ tại ngó tƣ - đƣờng cao tốc cú chỳ ý ƣu tiờn một trong một số tỡnh huống nhƣ: lƣợng xe từ cỏc hƣớng Đụng, Tõy, Nam Bắc, thời tiết, giờ cao điểm … dẫn đến cần cỏc thuật giải suy diễn Mờ. Đõy là một trong những vớ dụ thƣờng thấy trong nghiờn cứu và ỏp dụng cỏc thuật toỏn suy diễn mờ đƣợc nhiều ngƣời quan tõm.
Trƣớc đõy, ngƣời ta ỏp dụng cỏc thuật toỏn suy diễn dạng Max-min (Mandani) và Max-Prod (Sugeno) trong đú sử dụng cỏc t-chuẩn, t-đối chuẩn thụng thƣờng. Trong [15], Kok Khiang Tan và cỏc cộng sự đó giới thiệu một phần mềm thực hiện một hệ thống kiểm soỏt giao thụng thụng minh đốn sử dụng cụng nghệ logic mờ cú khả năng bắt chƣớc trớ thụng minh của con ngƣời cho phộp điều khiển đốn giao thụng. Ở giới hạn của luận văn này chỉ xin giới thiệu lại thiết kế bài toỏn kiểm soỏt đốn giao thụng và sử dụng bộ luật để cài đặt thử cho thuật toỏn suy diễn 1 và 2 (đó giới thiệu trong chƣơng III).
4.3.2. Tiờu chớ và ràng buộc
Giả sử thiết lập cỏc tiờu chớ cho hệ giao thụng nhƣ sau:
i) Ngó tƣ là bốn đƣờng giao nhau với đƣờng giao thụng đến từ phớa bắc, tõy, nam và phớa đụng;
ii) Khi giao thụng từ phớa Bắc và di chuyển về phớa Nam, giao thụng từ phớa Tõy và Đụng dừng lại, và ngƣợc lại;
iii) Khụng cú quyền rẽ trỏi;
iv) Bộ điều khiển logic mờ sẽ quan sỏt mật độ giao thụng phớa Bắc và phớa Nam là một bờn và mật độ phớa Tõy và phớa Đụng nhƣ một bờn khỏc;
vi) Thời gian tối thiểu và tối đa của đốn màu xanh là 2 giõy và 20 giõy tƣơng ứng.
4.3.3. Thiết kế bộ điều khiển giao thụng mờ
Một bộ điều khiển logic mờ đƣợc thiết kế cho một ngó 4: bắc, nam, đụng và tõy nhƣ trong hỡnh.
Trong điều khiển đốn giao thụng hai biến đầu vào mờ đƣợc lựa chọn: lƣu lƣợng xe bờn đến (Arrival) và số lƣợng xe bờn hàng đợi (Queue). Nếu phớa bắc và phớa nam là màu xanh lỏ cõy thỡ hƣớng này sẽ là Arrival trong khi bờn phớa tõy và phớa đụng sẽ đƣợc coi nhƣ là Queue và ngƣợc lại. Biến ra mờ biến sẽ là gia hạn thời gian cần thiết cho ỏnh sỏng màu xanh lỏ cõy ở bờn đến (Extension). Nhƣ vậy dựa trờn cỏc điều kiện giao thụng hiện tại của cỏc luật mờ cú thể đƣợc xõy dựng sao cho đầu ra của bộ điều khiển mờ sẽ kộo dài hoặc khụng kộo dài thời gian của đốn màu xanh. Nếu khụng cú gia hạn thời gian trạng thỏi đốn xanh hiện tại, đốn giao thụng ngay lập tức sẽ thay đổi sang pha khỏc.
4.3.3.1. Hàm thuộc của biến vào và biến ra
Với bộ điều khiển tớn hiệu đốn giao thụng, cú 4 hàm thuộc cho mỗi biến vào và ra của hệ thống. Bảng sau chỉ ra cỏc biến mờ của cỏc biến Arrival, Queue và Extention, sử dụng chữ cỏi đầu để viết tắt cho cỏc biến mờ.
Arrival Queue Extention
Almost AN Very small VS Zero Z
Few F Small S Short S
Biểu diễn hỡnh học cho cỏc hàm thuộc của biến vào trong hỡnh:
Hỡnh 4.5: Hàm thuộc biến mờ của biến vào Arrival
Hỡnh 4.6: Hàm thuộc biến mờ của biến vào Queue
Hỡnh 4.7: Hàm thuộc biến mờ của biến ra Extention
Trục y biểu diễn cho giỏ trị độ thuộc của mỗi biến mờ. Đối với cỏc biến vào mờ trờn trục x là một tớn hiệu cảm biến số lƣợng xe. Với biến ra là chiều dài thời gian đƣợc kộo dài trong vài giõy. Thiết kế cho cỏc hàm thuộc này đƣợc thực hiện theo quan sỏt của cỏc chuyờn gia hệ thống và mụi trƣờng. Tuy nhiờn, độ rộng và trọng tõm của cỏc hàm thuộc cú thể dễ dàng thay đổi và thiết kế lại theo cỏc điều kiện và trạng thỏi giao thụng khỏc nhau.
Vớ dụ nếu đƣờng giao nhau là quỏ tắc nghẽn, số lƣợng xe ụ tụ trong tập con mờ "Quỏ nhiều" hay "lớn" là cần đƣợc tăng lờn. Mặt khỏc, đƣờng giao nhau rộng và ớt nghẽn thỡ chiều rộng hàm thuộc cú thể đƣợc giảm bớt... Ta cú thể quan sỏt thấy rằng trong điều khiển logic mờ sự chuyển đổi từ một tập con mờ khỏc đƣợc thực hiện dễ dàng từ một hành động kiểm soỏt này sang hành động khỏc, vỡ thế, cần cú những những tập con mờ trựng nhau. Nếu khụng cú sự chồng chộo trong cỏc tập con mờ thỡ cỏc hành động kiểm soỏt sẽ bị tƣơng tự nhƣ điều khiển hóa tri ̣ hai (điều khiển từng bƣớc). Mặt khỏc nếu cú quỏ nhiều chồng chộo trong cỏc tập con mờ, sẽ cú rất nhiều việc mờ húa và điều này làm nhiễu cỏc hành động điều khiển
4.3.3.2. Bộ luật mờ
Cơ chế suy diễn trong cỏc bộ điều khiển logic mờ khỏ giống với quỏ trỡnh lập luận của con ngƣời. Dựa vào ý kiến cỏc chuyờn gia trong việc kiểm soỏt lƣu lƣợng nhiều hơn hoặc ớt hơn ta cú dạng luật theo cỏch sau:
IF giao thụng từ phớa bắc của thành phố là ĐễNG AND giao thụng từ phớa tõy là VẮNG
THEN thời gian cho phộp chuyển động giao thụng từ phớa bắc là DÀI. Hoặc 1 luật khỏc:
IF giao thụng từ phớa bắc của thành phố là TRUNG BèNH AND giao thụng từ phớa tõy là TRUNG BèNH
THEN cho phộp chuyển động của cả 2 bờn là BèNH THƢỜNG
Điểm mạnh của logic mờ là cú thể sử dụng cỏc lý luận gần đỳng trong cỏc quy tắc nhƣ ĐễNG, VẮNG, TRUNG BèNH, BèNH THƢỜNG, DÀI, v.v. Dựa vào thiết kế cỏc hàm thuộc mờ, cỏc biến nhƣ ngụn ngữ, mặc dự mờ trong tự nhiờn, nhƣng vẫn cú thể thực hiện trong mỏy tớnh thụng qua cụng nghệ logic mờ.
Trong phỏt triển bộ điều khiển logic mờ, chỳng ta sử dụng cỏc luật tƣơng tự nhƣ một số vớ dụ đƣợc đƣa ra dƣới đõy:
Nếu cú quỏ nhiều xe ụ tụ (TMY) ở phớa bờn đến và rất nhỏ, số lƣợng xe ụ tụ (VS) xếp hàng thỡ thời gian thờm cho đốn màu xanh là dài (L).
Cỏc luật này cú thể đƣợc rỳt ngắn nhƣ sau:
Nếu ARIVAL là TMY và QUEUE là VS THEN Extension là L NẾU ARIVAL là F và QUEUE là VS THEN Extension là S NẾU ARIVAL là AN và QUEUE là VS THEN Extension là Z
Trong đú "ARIVAL" và "QUEUE" là những giả thiết và "Extention" của đốn xanh là kết luận. Cỏc luật này cú thể dễ dàng phỏt triển theo cỏc điều kiện giao thụng tại ngó tƣ và để đơn giản ta biểu diễn cỏc quy tắc này trong một ma trận:
ARIVAL Q U E U E AN F MY TMY VS Z S M L S Z S M L M Z X S M L Z Z Z S
Tƣơng ứng với ma trận luật trờn cho ta bộ 16 luật điều khiển tớn hiệu đốn giao thụng trong hệ suy diễn mờ:
1. If (Arival is AN) and (QUEUE is VS) then (Extention is Z) 2. If (Arival is AN) and (QUEUE is S) then (Extention is Z) 3. If (Arival is AN) and (QUEUE is M) then (Extention is Z) 4. If (Arival is AN) and (QUEUE is L) then (Extention is Z) 5. If (Arival is F) and (QUEUE is VS) then (Extention is S) 6. If (Arival is F) and (QUEUE is S) then (Extention is S) 7. If (Arival is F) and (QUEUE is M) then (Extention is Z) 8. If (Arival is F) and (QUEUE is L) then (Extention is Z)
9. If (Arival is MY) and (QUEUE is VS) then (Extention is M) 10. If (Arival is MY) and (QUEUE is S) then (Extention is M) 11. If (Arival is MY) and (QUEUE is M) then (Extention is S) 12. If (Arival is MY) and (QUEUE is L) then (Extention is Z) 13. If (Arival is TMY) and (QUEUE is VS) then (Extention is L) 14. If (Arival is TMY) and (QUEUE is S) then (Extention is M) 15. If (Arival is TMY) and (QUEUE is M) then (Extention is M) 16. If (Arival is TMY) and (QUEUE is L) then (Extention is S)
Thiết kế hệ suy diễn với bộ luật trờn đõy vào FLT, cấu trỳc FIS dạng Mamdani – thuật toỏn 1 - sau khi thiết kế cú nội dung:
Name = traffic Type = mamdani NumInputs = 2 InLabels = Arival QUEUE NumOutputs = 1 OutLabels = Extention NumRules = 16 AndMethod = min OrMethod = max ImpMethod = min AggMethod = max
cho ta kết quả biểu diễn bằng hỡnh học nhƣ trong hỡnh 4.8.
Hỡnh 4.8: Biểu diễn hỡnh học của hệ suy diễn dạng Mamdani
Với hệ suy diễn trờn, nếu ỏp dụng phƣơng phỏp lập luận logic – thuật toỏn 2, kết quả xỏc định mức đốt của mỗi luật và việc tớch hợp cỏc tập mờ đầu ra khỏc đi sẽ cho kết quả nhƣ sau:
KẾT LUẬN
Sau thời gian nghiờn cứu và thực hiện đồ ỏn, dƣới sự hƣớng dẫn tận tỡnh của thầy giỏo PGS.TSKH. Bựi Cụng Cƣờng, em đó hoàn thành yờu cầu của luận văn tốt nghiệp là tỡm hiểu cỏc phộp toỏn cơ bản của logic mờ núi chung và một số quy trỡnh suy diễn mờ núi riờng. Luận văn đó đƣợc tập trung mở rộng tỡm hiểu cỏc phƣơng phỏp lập luận xấp xỉ trong hệ mờ dựa trờn cơ sở cỏc luật mờ, trong đú hệ mờ dạng TSK là một mụ hỡnh đƣợc tỡm hiểu cú nhiều ƣu điểm và tớnh năng mới.
Để hoàn thành đề tài trờn, em đó thực hiện: nghiờn cứu cỏc tài liệu cú liờn quan đến đề tài (xem danh mục tài liệu tham khảo); Tham gia sinh hoạt Xemina tại Viện Toỏn học Hà nội; Nghe cỏc buổi chuyờn đề tại khoa Toỏn ứng dụng, Đại học Bỏch Khoa Hà Nội; Tham dự hội thảo trƣờng thu "Hệ mờ và ứng dụng" lần thứ 1,2,3 tại Hà Nội; Tham khảo nghiờn cứu sử dụng phầm mềm Matlab… Một phần kết quả từ những nghiờn cứu bƣớc đầu này đó đƣợc trỡnh bày trong 03 bài bỏo (xem danh mục cụng trỡnh của tỏc giả).
Từ cỏc kết quả nghiờn cứu này cho phộp đƣa cỏc thuật toỏn suy diễn cài đặt vào trong cỏc bộ điều khiển mờ, khụng cần khảo sỏt lại cỏc đặc tớnh toỏn học chung của thuật toỏn nữa mà chỉ phải xột tới cỏc đặc điểm riờng của bài toỏn thực tế. Cỏc thuật toỏn này cú thể đƣợc kết hợp với mạng nơ-ron mờ hoặc đƣa vào cỏc ứng dụng trớ tuệ nhõn tạo (nhƣ hệ chuyờn gia, hệ hỗ trợ quyết định, ...) giỳp cho hệ thống suy diễn cho một kết quả đỳng đắn và chớnh xỏc hơn, phự hợp với yờu cầu của ngƣời chuyờn gia và yờu cầu thực tế của hệ thống suy diễn. Cỏc thuật toỏn này khi dựng bộ cụng cụ Simulink của Matlab cú thể đƣợc sử dụng để cài đặt vào bộ điều khiển với cỏc senso nhận tớn hiệu điều khiển bờn ngoài nhƣ cỏc biến đầu vào và cỏc giỏ trị ngƣỡng. Đõy là một ứng dụng đƣợc rất nhiều chuyờn gia trong cỏc ngành điện tử, cụng nghệ thụng tin qua tõm.
Tuy vậy, phần lớn cỏc kết quả đạt đƣợc trong quỏ trỡnh nghiờn cứu mới chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết và thử nghiệm. Để cú thể ỏp dụng đƣợc trong thực tế thỡ cũn cần phải khảo sỏt, phõn tớch kỹ và mụ hỡnh hoỏ đối với từng bài toỏn cụ thể. Đõy chớnh là bƣớc phỏt triển tiếp theo của đề tài mà do hạn chế về thời gian thực hiện và kiến thức của tỏc giả nờn cũn chƣa đƣợc triển khai. Ngoài ra, mở rộng bổ sung bộ cụng cụ Logic Mờ và kết hợp với bộ cụng cụ Neuron Network Toolbox trong Matlab sẽ là hƣớng phỏt triển tiếp theo của đề tài, với mong muốn tạo ra đƣợc cỏc bộ điều khiển, ứng dụng suy diễn Mờ vào trong nhiều lĩnh vực của khoa học và