Có nhiều mô hình kiến trúc hệ chuyên gia theo các tác giả khác nhau, sau đây là một số mô hình: * Mô hình J.L.Ermine. Hệ thống Thu nhận tri thức Giao diện Cơ sở tri thức Bộ nhớ làm việc Ngƣời sử dụng yêu cầu. Dữ liệu vấn đề cần giải quyết Tri thức mới
27
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.3 Mô hình J.L.Ermine * Mô hình C.Ernest Hình 2.4 Mô hình C.Ernest * Mô hình E.V.Popov Tri thức Cấu trúc Máy suy diễn
Dữ liệu . Lời giải . Giải thích . Theo dõi Cơ sở Tri thức Máy Suy diễn Giao diện ngƣời sử dùng Bộ nhớ
Làm việc Diễn dich Khả năng G.thich Sở hữu Tri thức Cơ sở Tri thức Chuyên gia Ngƣời S.dụng
28
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.5 Mô hình E.V.Popov 2.2.2. Hệ cơ sở tri thức
Hệ cơ sở tri thức (CSTT) là chƣơng trình máy tính đƣợc thiết kế để mô hình hóa khả năng giải quyết vấn đề của chuyên gia, con ngƣời.
Hệ CSTT là hệ thống dựa trên tri thức, cho phép mô hình hóa các tri thức của chuyên gia, dùng tri thức này để giải quyết vấn đề phức tạp thuộc cùng lĩnh vực.
Hai yếu tố quan trọng trong hệ CSTT là tri thức chuyên gia và lập luận, tƣơng ứng với hệ thống có hai khối chính là cơ sở tri thức và động cơ suy diễn.
Cơ sở tri thức: Chứa các tri thức chuyên sâu về lĩnh vực nhƣ chuyên gia. Cơ sở tri thức bao gồm: các sự kiện, các luật, các khái niệm và các quan hệ.
Động cơ suy diễn: Bộ xử lý tri thức mô hình hóa theo cách lập luận của hệ chuyên gia. Động cơ hoạt động dựa trên thông tin về vấn đề đang xét, so sánh với tri thức đang lƣu trong cơ sở tri thức rồi rút ra kết luận.
2.2.2.1. Tri thức chuyên gia.
Chuyên gia là ngƣời có đầy đủ kỹ năng, kiến thức sâu về một lĩnh vực nào đó (một người có thể làm những việc mà người khác ít khả năng làm được).
Nhƣ vậy tri thức chuyên gia là một dạng tri thức đã đƣợc tổng hợp từ nhiều chuyên gia trong một lĩnh vực nào đó sau đó đƣợc tổng hợp mã hóa đƣa vào một cơ sở tri thức và sử dụng máy tính để thực hiện các công việc trong một lĩnh vực
29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
hẹp ở mức tƣơng tự nhƣ một ngƣời chuyên gia. Tri thức chuyên gia chính là các hệ luật.
Tri thức chuyên gia có đặc điểm nổi bật là khả năng thu thập tri thức. Tri thức bao gồm tri thức về lĩnh vực và tri thức kĩ năng giải quyết vấn đề. Các tri thức thu đƣợc từ chuyên gia không nhất thiết phải là các ý tƣởng sáng chói hay độc đáo mà đặc biệt và sâu về lĩnh vực cụ thể.
2.2.2.2. Các phƣơng pháp biểu diễn tri thức
* Thể hiện tri thức nhờ các luật.
Các sự kiện đƣợc cung cấp có ý nghĩa rất lớn đối với hoạt động của hệ chuyên gia. Các sự kiện này cho phép hệ thống hiểu trạng thái hiện tại của bài toán, trong quá trình giải bài toán hệ chuyên gia cần thêm các tri thức phụ, tri thức bổ sung có quan hệ với các sự kiện đã biết từ đó làm tăng thêm hệ thống tri thức, khi sử dụng thêm tri thức chính là bổ sung thêm các luật.
- Luật:
Là cấu trúc tri thức dùng để liên kết thông tin đã biết với thông tin khác, các thông tin này có thể đƣợc suy luận để hiểu biết thêm.
- Cấu trúc của luật:
Kết nối một hay nhiều già thiết trong câu IF với một hay nhiều kết luận trong câu của THEN.
Ví dụ: IF Nhiệt độ <80
c THEN Trẻ em đƣợc nghỉ học.
30
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Đối với hệ thống dựa trên các luật ngƣời ta thu thập tri thức trong một tập và lƣu vào một cơ sở tri thức của hệ thống, hệ thống này sử dụng các luật cùng với các thông tin trong bộ nhớ để giải các bài toán.
- Các dạng tri thức luật.
Các luật thể hiện tri thức có thể đƣợc phân theo loại tri thức luật. - Tri thức luật quan hệ.
- Tri thức luật khuyến cáo. - Tri thức luật hƣớng dẫn. - Tri thức luật chiến lƣợc. - Tri thức luật may rủi.
* Biểu diễn tri thức trong các hệ chuyên gia
Tri thức của một hệ chuyên gia có thể đƣợc biểu diễn theo nhiều cách khác nhau. Thông thƣờng ngƣời ta sử dụng các cách sau đây :
• Biểu diễn tri thức bởi các luật sản xuất
• Biểu diễn tri thức nhờ mệnh đề logic
• Biểu diễn tri thức nhờ mạng ngữ nghĩa
• Biểu diễn tri thức nhờ ngôn ngữ nhân tạo
Ngoài ra, ngƣời ta còn sử dụng cách biểu diễn tri thức nhờ các sự kiện không chắc chắn, nhờ bộ ba: đối tƣợng, thuộc tính và giá trị (O-A-V: Object-Attribute- Value), nhờ khung (frame), v.v... Tuỳ theo từng hệ chuyên gia, ngƣời ta có thể sử dụng một cách hoặc đồng thời cả nhiều cách.
31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hiện nay, hầu hết các hệ chuyên gia đều là các hệ thống dựa trên luật, bới lý do nhƣ sau :
• Bản chất đơn thể (modular nature). Có thể đóng gói tri thức và mở rộng hệ chuyên gia một cách dễ dàng.
• Khả năng diễn giải dễ dàng (explanation facilities). Dễ dàng dùng luật để diễn giải vấn đề nhờ các tiền đề đặc tả chính xác các yếu tố vận dụng luật, từ đó rút ra đƣợc kết quả.
• Tương tự quá trình nhận thức của con người. Dựa trên các công trình của Newell và Simon, các luật đƣợc xây dựng từ cách con ngƣời giải quyết vấn đề. Cách biểu diễn luật nhờ IF THEN đơn giản cho phép giải thích dễ dàng cấu trúc tri thức cần trích lọc. Trong một hệ thống dựa trên luật, công cụ suy luận sẽ xác định những luật nào là tiên đề thỏa mãn các sự việc.
Các luật sản xuất thƣờng đƣợc viết dƣới dạng IF THEN. Có hai dạng : IF < điều kiện > THEN < hành động >
Hoặc
IF < điều kiện > THEN < kết luận > DO < hành động >
Tuỳ theo hệ chuyên gia cụ thể mà mỗi luật có thể đƣợc đặt tên. Chẳng hạn mỗi luật có dạng Rule: tên. Sau phần tên là phần IF của luật.
Phần giữa IF và THEN là phần trái luật (LHS: Left - Hand -Side), có nội dung đƣợc gọi theo nhiều tên khác nhau, nhƣ tiền đề (antecedent), điều kiện
(conditional part), mẫu so khớp
(pattern part), Phần sau THEN là kết luận hay hậu quả (consequent). Một số hệ chuyên gia có thêm phần hành động (action) đƣợc gọi là phần phải luật
32
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ (RHS: Right - Hand -Side).
Ví dụ:
Rule: Điều trị sốt
IF
Bệnh nhân sốt THEN
cho uống thuốc Aspirin
* Bộ sinh của hệ chuyên gia.
Bộ sinh của hệ chuyên gia (expert-system generator) là hợp của : Một máy suy diễn,
Một ngôn ngữ thể hiện tri thức (bên ngoài)
Và một tập hợp các cấu trúc và các quy ước thể hiện các tri thức (bên trong).
Theo cách nào đó, các cấu trúc và các quy ƣớc này xác định một cơ sở tri thức rỗng (hay rỗng bộ phận). Nhờ các tri thức chuyên môn để định nghĩa một hệ chuyên gia, ngƣời ta đã tạo ra bộ sinh để làm đầy cơ sở tri thức.
* Biểu diễn tri thức nhờ mệnh đề logic
Ngƣời ta sử dụng các ký hiệu để thể hiện tri thức và các phép toán lôgic tác động lên các ký hiệu để thể hiện suy luận lôgic. Kỹ thuật chủ yếu thƣờng đƣợc sử dụng là lôgic vị từ (predicate logic).
Các ví dụ dƣới đây minh hoạ cách thể hiện các phát biểu (cột bên trái) dƣới dạng vị từ (cột bên phải) :
33
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Phát biểu Vị từ
Tom là đàn ông MAN(tom)
Tôm là cha của Mary FATHER(tom, mary)
MAN(X) MORTAL(X)
với quy ƣớc MAN(X) có nghĩa «X là một ngƣời» và
MORTAL(X) có nghĩa «X chết». MAN và MORTAL là các vị từ đối với biến X.
Bảng 2.1 Bảng minh họa vị từ
Các vị từ thƣờng có chứa hằng, biến hay hàm. Ngƣời ta gọi các vị từ không chứa biến (có thể chứa hằng) là các mệnh đề (preposition). Mỗi vị từ có thể là một sự kiện (fact) hay một luật. Luật là vị từ gồm hai vế trái và phải đƣợc nối nhau bởi một dấu mũi tên ( ). Các vị từ còn lại (không chứa mũi tên) đƣợc gọi là các sự kiện. Trong ví dụ trên đây, MAN và FATHER là các mệnh đề và là các sự kiện. Còn MAN(X) MORTAL(X) là một luật.
Ví dụ : Từ các tri thức sau :
Marc có tóc vàng hoe, còn Jean có tóc màu nâu. Pierre là cha của Jean. Marc là cha của Pierre. Jean là cha của René. Marc là con của Georges.
Giả sử X, Y và là Z những người nào đó, nếu Y là con của X thì X là cha của Y. Nếu X là cha của Z và Z là cha của Y thì X là ông của Y. ta có thể biểu diễn thành các sự kiện và các luật nhƣ sau :
1. BLOND (marc) 2. BROWN (jean)
34
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3. FATHER (pierre, jean)
4. FATHER (marc, pierre) 5. FATHER (jean, rené) 6. SON (marc, georges)
7. FATHER (X, Y) SON (Y, X)
8. GRANDFATHER (X, Y) FATHER (X, Z), FATHER (Z, Y) Ngƣời ta gọi tập hợp các sự kiện và các luật là một cơ sở tri thức.
* Biểu diễn tri thức nhờ mạng ngữ nghĩa
Trong phƣơng pháp này, ngƣời ta sử dụng một đồ thị gồm các nút (node) và các cung (arc) nối các nút để biểu diễn tri thức. Nút dùng để thể hiện các đối tƣợng, thuộc tính của đối tƣợng và giá trị của thuộc tính. Còn cung dùng để thể hiện các quan hệ giữa các đối tƣợng. Các nút và các cung đều đƣợc gắn nhãn.
Ví dụ để thể hiện tri thức "sẻ là một loài chim có cánh và biết bay", ngƣời ta vẽ một đồ thị nhƣ sau :
Có Là Biết
Hình2.6 Biểu diễn tri thức nhờ mạng ngữ nghĩa
Bằng cách thêm vào đồ thị các nút mới và các cung mới, ngƣời ta có thể mở rộng một mạng ngữ nghĩa. Các nút mới đƣợc thêm thể hiện các đối tƣợng
Sẻ Loài
chim Bay
35
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ tƣơng tự (với các nút đã có trong đồ thị), hoặc tổng quát hơn.
Một trong những tính chất quan trọng của mạng ngữ nghĩa là tính thừa kế.
1.3.4.4. Biểu diễn tri thức nhờ ngôn ngữ nhân tạo
Nói chung, theo quan điểm của ngƣời sử dụng, ngôn ngữ tự nhiên sẽ là phƣơng cách thuận tiện nhất để giao tiếp với một hệ chuyên gia, không những đối với ngƣời quản trị hệ thống (tƣ cách chuyên gia), mà còn đối với ngƣời sử dụng cuối. Hiện nay đã có những hệ chuyên gia có khả năng đối thoại trên ngôn ngữ tự nhiên (thông thƣờng là tiếng Anh) nhƣng chỉ hạn chế trong lĩnh vực ứng dụng chuyên môn của hệ chuyên gia.
Hình dƣới đây thể hiện một đơn vị tri thức (luật) trong hệ chuyên gia MYCIN dùng để chẩn đoán các bệnh virut. Cột bên trái là một luật đƣợc viết bằng tiếng Anh, cột bên phải là mã hoá nhân tạo của luật đó.
Nếu và nếu 1)Máu cơ thể là gram dương
2) Hình thái cơ thể là bị nhiễm trùng
Và nếu 3) Kiểu phát triển là khuẩn lạc
Thì Tồn tại một khả năng(0.7) là cơ thể bị nhiễm khuẩn trùm
(($AND(SAME CNTXT GRAM GRAM+) (SAME CNTXT MORPH COCCI) (SAME CNTXT DEVEL COLONY) (CONCULDE CNTXT IDENT STAPHYLOCOCCUS MEASURE 0.7))
Bảng 2.2 Biểu diễn tri thức nhờ ngôn ngữ nhân tạo trong MYCIN
36
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Bộ nhớ làm việc chứa dữ liệu nhận đƣợc từ ngƣời sử dụng trong phiên hệ thống chuyên gia . Giá trị trong bộ nhớ làm việc đƣợc sử dụng để đánh giá tiền đề trong cơ sở tri thức . Hậu quả từ quy tắc trong cơ sở tri thức có thể tạo ra các giá trị mới trong bộ nhớ làm việc , cập nhật giá trị cũ , hoặc loại bỏ các giá trị hiện có.
Các sự kiện của trƣờng hợp nhất định đƣợc nhập vào bộ nhớ làm việc , hoạt động nhƣ một tấm bảng đen , tích lũy kiến thức về các sự kiện. Động cơ suy luận liên tục áp dụng các quy tắc để các bộ nhớ làm việc, thêm các thông tin mới (thu đƣợc từ các quy tắc kết luận ) cho đến khi một đạt đƣợc mục tiêu sản xuất hoặc đƣợc xác nhận .
Là một chiến lƣợc hƣớng dữ liệu. Quá trình suy luận chuyển từ các sự kiện của giả thiết mang lại kết luận. Chiến lƣợc đƣợc thúc đẩy bởi các sự kiện có sẵn trong bộ nhớ làm việc và các cơ sở có thể đƣợc thỏa mãn. Động cơ suy luận cố gắng điều chỉnh để phù hợp với điều kiện (IF) là một phần của từng quy tắc có trong cơ sở tri thức với các sự kiện hiện đang có sẵn trong bộ nhớ làm việc. Nếu một số quy tắc không phù hợp thì thủ tục giải quyết xung đột đƣợc gọi. Kết luận của các quy tắc đƣợc thêm vào bộ nhớ làm việc.Bộ nhớ làm việc liên quan đến công việc - dữ liệu cụ thể cho từng vấn đề. Các nội dung của bộ nhớ làm việc này sẽ thay đổi theo từng tình huống của vấn đề, do đó nó là thành phần năng động nhất của một hệ thống chuyên gia.
+ Dữ liệu có thể bao gồm tập hợp các điều kiện dẫn đến các sự kiện.
+ Dữ liệu cụ thể cho các vấn đề cần phải có đầu vào bởi ngƣời sử dụng tại thời điểm sử dụng, có nghĩa là tham khảo ý kiến các chuyên gia. Thể hiện bộ nhớ làm việc có liên quan chặt chẽ đến giao diện ngƣời dùng.
37
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.2.3. Suy diễn và lập luận
Có nhiều phƣơng pháp tổng quát để suy luận trong các chiến lƣợc giải quyết vấn đề của hệ chuyên gia. Những phƣơng pháp hay gặp là suy diễn tiến (foward chaining), suy diễn lùi (backward chaining) và phối hợp hai phƣơng pháp này (mixed chaining). Những phƣơng pháp khác là phân tích phƣơng tiện (means -end analysis), rút gọn vấn đề (problem reduction), quay lui (backtracking), kiểm tra lập kế hoạch (plan-generate-test),lập kế hoạch phân cấp
Dƣới đây là nền tảng của công nghệ hệ chuyên gia hiện đại (foundation of modern rele-based expert system).
Hình2.7 Nền tảng của công nghệ hệ chuyên gia dựa trên luật hiện đại 2.2.3.1. Phƣơng pháp suy diễn tiến
Suy diễn tiến ( forward charning) là lập luận từ các sự kiện, sự việc để rút ra các kết luận.
Hệ chuyên gia dựa trên luật
Luật Máy suy diễn Sự kiện
Luật sản xuất Post So khớp hiệu quả Suy diễn bên phải luật Hợp giải xung đột
Thuật toán mạng lƣới
38
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Ví dụ : Nếu thấy trời mưa trước khi ra khỏi nhà (sự kiện) thì phải lấy áo mưa (kết luận).
Trong phƣơng pháp này, ngƣời sử dụng cung cấp các sự kiện cho hệ chuyên gia để hệ thống (máy suy diễn) tìm cách rút ra các kết luận có thể. Kết luận đƣợc xem là những thuộc tính có thể đƣợc gán giá trị. Trong số những kết luận này, có thể có những kết luận làm ngƣời sử dụng quan tâm, một số khác không nói lên điều gì, một số khác có thể vắng mặt.
Các sự kiện thƣờng có dạng : Atthibute = value
Lần lƣợt các sự ki ện trong cơ sở tri thức đƣợc chọn và hệ thống xem xét tất cả các luật mà các sự kiện này xuất hiện nhƣ là tiền đề. Theo nguyên tắc lập luận trên, hệ thống sẽ lấy ra những luật thoã mãn. Sau khi gán giá trị cho các thuộc tính thuộc kết luận tƣơng ứng, ngƣời ta nói rằng các sự kiện đã đƣợc thoã mãn. Các thuộc tính đƣợc gán giá trị sẽ là một phần của kết qu ả chuyên gia. Sau khi mọi sự kiện đã đƣợc xem xét, kết quả đƣợc xuất ra cho ngƣời sử dụng.
2.2.3.2. Phƣơng pháp suy diễn lùi
Phƣơng pháp suy diễn lùi tiến hành các lập luận theo chiều ngƣợc lại ( đối với phƣơng pháp suy diễn tiến). Từ một giả thuyết (nhƣ là một kết luận), hệ thống đƣa ra một tình huống trả lời gồm các sự kiện là cơ sở của giả thuyết đã