ỨNG DỤNG MẠNG NGỮ NGHĨA ĐIỀU CHẾ HÓA CHẤT

Phương pháp biểu diễn tri thức óng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống tri thức phức tạp như h nh học phẳng, h nh học giải tích, vật lý, hóa học, sinh học…, nhưng nghững phương ph

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Bài thu hoạch môn Biểu diễn tri thức & suy luận

Đề tài:

ỨNG DỤNG MẠNG NGỮ NGHĨA ĐIỀU CHẾ

HÓA CHẤT

GVHD: PGS.TS: Vũ Thanh Nguyên HVTH: Vũ Thị Hường

MSHV: CH1301089

TP HCM, Tháng 03 năm 2014

Mục Lục

Mục Lục 1

Lời m u 2

I Các phương pháp biểu diễn tri thức cơ bản 3

1 Logic mệnh ề và logic vị từ 3

2 Biểu diễn tri thức bằng luật dẫn 4

3 Biểu diễn tri thức bằng mạng ngữ nghĩa 5

4 Frame - khung 6

II Tìm hiểu về mạng ngữ nghĩa 10

1 Tìm hiểu mạng ngữ nghĩa 10

2 Ưu và nhược iểm của mạng ngữ nghĩa 12

3 Một số ví dụ tiêu biểu 12

III Ứng dụng mạng ngữ nghĩa iều chế hóa chất 15

M tả chương tr nh 15

2 Giao diện 15

Tài liệu tham khảo 16

Lời m u

Biểu diễn tri thức là một trong những kỹ thuật quan trọng ể hiện thực hóa tri thức trong ời sống, ây là phương pháp mã hoá tri thức, nhằm thành lập cơ s tri thức cho các hệ thống dựa trên tri thức Từ ó, chúng ta rút ra nhiều th ng tin, tri thức có lợi từ hệ tri thức này

Phương pháp biểu diễn tri thức óng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống tri thức phức tạp như h nh học phẳng, h nh học giải tích, vật lý, hóa học, sinh học…, nhưng nghững phương pháp suy diễn hiện nay vẫn còn mang tính khái quát cao, chưa thể m phỏng ược lối tư duy của con người Trong thực tế, khi giải quyết một bài toán, chúng ta thường kh ng t m ngay một lời giải mới mà trước tiên ta sẽ t m những bài toán liên quan với bài toán ấy ể từ ó có cách giải quyết phù hợp Trong khu n khổ bài thu hoạch nhỏ này, t i xin tr nh bày một ph n nhỏ trong nội dung m n Biểu diễn tri thức và suy luận, ó là dùng mạng ngữ nghĩa ể giải quyết vấn ề về iều chế hóa chất trong các trường phổ th ng trung học

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành ến PGS.TS Đỗ Văn Nhơn, là người ã trực tiếp giảng dạy, truyền ạt những kiến thức liên quan tới m n học, cung cấp th ng tin, tư liệu cho chúng em Tuy có nhiều cố gằng, nhưng với lượng kiến thức còn hạn hẹp kh ng tránh khỏi thiếu sót trong quá tr nh thực hiện, mong nhận ược ý kiến óng góp của th y ể em có thể hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Vũ Thị Hường

I Các phương pháp biểu diễn tri thức cơ bản

1 Logic mệnh ề và logic vị từ

Dạng biểu diễn tri thức cổ iển nhất trong máy tính là logic, với 2 dạng phổ biến là logic mệnh

ề và logic vị từ Cả 2 dạng này ều dùng ký hiệu ể biểu diễn tri thức và các toán tử áp lên các ký hiệu ể suy luận logic Logic ã cung cấp cho các nhà nghiên cứu những c ng cụ h nh thức ể biểu diễn và suy luận tri thức Các phép tóan logic ược sử dụng phổ biến của dạng là:

Phép toán AND OR NOT Kéo theo Tương ương

Kí hiệu  ,  ,   ,  ,   ,   ,  

Hình 1.1: Các phép toán logic và các ký hiệu sử dụng

Logic mệnh ề

Logic mệnh ề biểu diễn và lập luận với các mệnh ề toán học Mệnh ề là một câu nhận giá trị hoặc úng hoặc sai Giá trị này gọi là chân trị của mệnh ề Logic mệnh ề gán một biến ký hiệu vào một mệnh ề, ví dụ A = "Xe sẽ kh i ộng"

Khi c n kiểm tra trị chân trị của câu trên trong bài toán sử dụng logic mệnh ề, người ta kiểm tra giá trị của A Nhiều bài toán sử dụng logic mệnh ề ể thể hiện tri thức và giải vấn ề Bài toán loại này ược ưa về bài toán xử lý các luật, mỗi ph n giả thiết và kết luận của luất có thể có nhiều mệnh ề

Ví dụ:

IF Xe kh ng kh i ộng ược  A

AND Khoảng cách từ nhà ến chỗ làm là xa  B

THEN Sẽ trễ giờ làm  C

Luật trên có thể biểu diễn lại như sau: A B C

Các phép toán quen thuộc trên các mệnh ề ược cho trong bảng sau:

A

A

 B

A

 B

A

 B

A

 B

Hình 1.2: Bảng chân trị, với các giá trị Đúng (T), Sai (F)

Logic vị từ

Logic vị từ là sự m rộng của logic mệnh ề nhằm cung cấp một cách biểu diễn rõ hơn về tri thức Logic vị từ dùng ký hiệu ể biểu diễn tri thức

Logic vị từ, cũng giống như logic mệnh ề, dùng các ký hiệu ể thể hiện tri thức Những ký

hiệu này gồm hằng số, vị từ, biến và hàm

Hằng số: Các hằng số dùng ể ặt tên các ối tượng ặc biệt hay thuộc tính Nh n chung, các

hằng số ược ký hiệu bằng chữ viết thường, chẳng hạn an, bình, nhiệt ộ Hằng số an có thể ược dùng ể thể hiện ối tượng An, một người ang xét

Vị từ: Một mệnh ề hay sự kiện trong logic vị từ ược chia thành 2 ph n là vị từ và tham số

Tham số thể hiện một hay nhiều ối tượng của mệnh ề; còn mệnh ề dùng ể khẳng ịnh về ối tượng Chẳng hạn mệnh ề "Nam thích Mai" viết theo vị từ sẽ có dạng:

thích(nam, mai)

Với cách thể hiện này, người ta dùng từ u tiên, tức "thích", làm vị từ Vị từ cho biết quan hệ giữa các ối số ặt trong ngoặc Đối số là các ký hiệu thay cho các ối tượng của bài toán Theo quy ước chuẩn, người ta dùng các chữ thường ể thể hiện các ối số

Biến: Các biến dùng ể thể hiện các lớp tổng quát của các ối tượng hay thuộc tính Biến ược

viết bằng các ký hiệu bắt u là chữ in hoa Như vậy, có thể dùng vị từ có biến ể thể hiện nhiều vị

từ tương tự

Ví dụ:Có hai mệnh ề tương tự "Nam thích Mai" và "Bắc thích Cúc" Hai biến X, Y dùng trong

mệnh ề thích(X, Y)

Các biến nhận giá trị sẽ ược thể hiện qua X=Nam, Bắc; Y=Mai, Cúc Trong phép toán vị từ người ta dùng biến như ối số của biểu thức vị từ hay của hàm

Hàm: Logic vị từ cũng cho phép dùng ký hiệu ể biểu diễn hàm Hàm m tả một ánh xạ từ các

thực thể hay một tập hợp ến một ph n tử duy nhất của tập hợp khác Ví dụ, các hàm sau ây ược ịnh nghĩa nhằm trả về một giá trị xác ịnh:

cha(sơn) = Nam

mẹ(sơn) = Mai

Phép toán: Logic vị từ cũng dùng các phép toán như logic mệnh ề

Ví dụ: thích(X,Y) AND thích(Z,Y) -> thích(X,Z)

Việc lập luận theo cách kh ng h nh thức òi hỏi một khả năng rút ra ược kết luận từ các sự kiện ã có Việc lấy ra th ng tin mới từ các th ng tin ã biết và các luật là trọng tâm của lập luận trong các hệ chuyên gia Quá tr nh lập luận ược h nh thức hoá trong bài toán suy luận

2 Biểu diễn tri thức bằng luật dẫn

Phương pháp biểu diễn tri thức bằng luật dẫn ược phát minh b i Newell và Simon, trong lúc hai ng ang cố gắng xây dựng một hệ giải bài toán tổng quát Đây là một kiểu biểu diễn tri thức có cấu trúc Ý tư ng cơ bản là tri thức có thể ược cấu trúc bằng một cặp giả thiết và kết luận dưới

dạng: nếu <giả thiết> thì <kết luận> Đây là dạng biểu diễn tri thức rất phổ biến M h nh biểu diễn

tri thức dạng này thường bao gồm: tập các ký hiệu m tả các sự kiện (có cấu trúc ơn giản) và tập luật dẫn Trong ó ph n giả thiết và kết luận của luật là tập các sự kiện Mỗi sự kiện ược m tả có cấu trúc ơn giản như (tên ối tượng - thuộc tính - giá trị) Ví dụ: quả cam – màu vàng

Phương pháp suy luận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn tiến và suy diễn lùi:

Suy diễn tiến: là quá tr nh suy luận xuất phát từ một số sự kiện ban u, xác ịnh các sự kiện có thể ược “sinh” ra từ sự kiện này

Suy diễn lùi: là quá tr nh suy luận ngược xuất phát từ một số sự kiện ban u, ta t m kiếm các

sự kiện ã “sinh” ra sự kiện này Một ví dụ thường gặp trong thực tế là xuất phát từ các t nh trạng của máy tính, từ ó ta chẩn oán xem máy tính ã bị hỏng hóc âu

Các luật có ưu iểm là dễ hiểu nên dễ dàng dùng ể trao ổi với người dùng Có thể dễ dàng xây dựng ược cơ chế suy luận và giải thích từ các luật Ngòai ra, các luật ược biểu diễn theo m

h nh này thường ộc lập nhau nên việc cập nhật luật, hiệu chỉnh và bảo tr hệ tr hệ thống thuận lợi Tuy nhiên, từ những ặc iểm trong cách biểu diễn tri thức dạng này tạo nên ưu iểm th nó cũng tạo ra các khuyết iểm sau: chính v các sự kiện có cấu trúc ơn giản, trong khi tri thức của một số lĩnh vực lại trừu tượng và phức tạp, các khái niệm của lĩnh vực có quan hệ ràng buộc lẫn nhau nên

m h nh biểu diễn này kh ng thể hiện ược hết tất cả những yếu tố trừu tượng ó

3 Biểu diễn tri thức bằng mạng ngữ nghĩa

Mạng ngữ nghĩa là một phương pháp biểu diễn tri thức dùng ồ thị trong ó nút biểu diễn ối tượng và cung biểu diễn quan hệ giữa các ối tượng

Hình 1.3: "Sẻ là Chim" thể hiện trên mạng ngữ nghĩa

Người ta có thể nới rộng mạng ngữ nghĩa bằng cách thêm các nút và nối chúng vào ồ thị Các nút mới ứng với các ối tượng bổ sung Th ng thường có thể nới rộng mạng ngữ nghĩa theo ba cách:

 Thêm một ối tượng tương tự

 Thêm một ối tượng ặc biệt hơn

 Thêm một ối tượng tổng quát hơn

Thứ nhất, thêm "Cánh cụt" thể hiện một loại chim mới Thứ hai, thêm "Chip" cũng có nghĩa nó

là con "Sẻ" và ồng thời là "Chim" Thứ ba, có thể ưa ra ối tượng tổng quát như "Con vật" Lúc

này, kh ng những có thể biết ược rằng "Chim là Con vật", mà còn biết "Chip th bằng kh ng khí"

Hình 1.4: Phát triển mạng ngữ nghĩa

Tính chất quan trọng của mạng ngữ nghĩa là tính kế thừa Nó cho phép các nút ược bổ sung sẽ nhận các th ng tin của các nút ã có trước, và cho phép mã hóa tri thức một cách dễ dàng

Để minh họa cho tính kế thừa của mạng ngữ nghĩa, hãy xét một câu hỏi trên ồ thị Chẳng hạn tại nút "Chim", người ta muốn hỏi con "Chip" hoạt ộng như thế nào? Th ng qua cung hoạt ộng người ta biết ược nó bay

Hình 1.5: Các bước thực hiện phép toán trên mạng ngữ nghĩa

4 Frame - khung

Khái niệm

Một trong các kỹ thuật biểu diễn tri thức là dùng frame, phát triển từ khái niệm lược đồ Một

lược ồ ược coi là khối tri thức iển h nh về khái niệm hay ối tượng nào ó, và gồm cả tri thức thủ tục lẫn tri thức m tả

Frame là một cấu trúc dữ liệu chứa ựng tất cả những tri thức liên quan ến một ối tượng cụ thể nào ó Frames có liên hệ chặt chẽ ến khái niệm hướng ối tượng (thực ra frame là nguồn gốc của lập tr nh hướng ối tượng) Ngược lại với các phương pháp biểu diễn tri thức ã ược ề cập

ến, frame " óng gói" toàn bộ một ối tượng, t nh huống hoặc cả một vấn ề phức tạp thành một thực thể duy nhất có cấu trúc Một frame bao hàm trong nó một khối lượng tương ối lớn tri thức về một ối tượng, sự kiện, vị trí, t nh huống hoặc những yếu tố khác Do ó, frame có thể giúp ta m tả khá chi tiết một ối tượng

Dưới một khía cạnh nào ó, người ta có thể xem phương pháp biểu diễn tri thức bằng frame chính là nguồn gốc của ng n ngữ lập tr nh hướng ối tượng Ý tư ng của phương pháp này là "thay

v bắt người dùng sử dụng các c ng cụ phụ như dao m ể ồ hộp, ngày nay các hãng sản xuất ồ hộp thường gắn kèm các nắp m ồ hộp ngay bên trên vỏ lon Như vậy, người dùng sẽ kh ng bao giờ phải lo lắng ến việc t m một thiết bị ể m ồ hộp nữa!" Cũng vậy, ý tư ng chính của frame (hay của phương pháp lập tr nh hướng ối tượng) là khi biểu diễn một tri thức, ta sẽ "gắn kèm" những thao tác thường gặp trên tri thức này Chẳng hạn như khi m tả khái niệm về h nh chữ nhật,

ta sẽ gắn kèm cách tính chu vi, diện tích

Frame thường ược dùng ể biểu diễn những tri thức "chuẩn" hoặc những tri thức ược xây dựng dựa trên những kinh nghiệm hoặc các ặc iểm ã ược hiểu biết cặn kẽ Bộ não của con người chúng ta vẫn lu n "lưu trữ" rất nhiều các tri thức chung mà khi c n, chúng ta có thể "lấy ra"

ể vận dụng nó trong những vấn ề c n phải giải quyết Frame là một c ng cụ thích hợp ể biểu diễn những kiểu tri thức này

Cấu trúc của frame

Mỗi một frame m tả một ối tượng (object) Một frame bao gồm 2 thành ph n cơ bản là slot và facet Một slot là một thuộc tính ặc tả ối tượng ược biểu diễn b i frame Ví dụ : trong frame m

tả xe hơi, có hai slot là trọng lượng và loại máy

Mỗi slot có thể chứa một hoặc nhiều facet Các facet ( i lúc ược gọi là slot "con") ặc tả một

số th ng tin hoặc thủ tục liên quan ến thuộc tính ược m tả b i slot Facet có nhiều loại khác nhau, sau ây là một số facet thường gặp

 Value (giá trị) : cho biết giá trị của thuộc tính ó (như xanh, ỏ, tím vàng nếu slot là màu xe)

 Default (giá trị mặc ịnh) : hệ thống sẽ tự ộng sử dụng giá trị trong facet này nếu slot

là rỗng (nghĩa là chẳng có ặc tả nào!) Chẳng hạn trong frame về xe, xét slot về số lượng bánh Slot này sẽ có giá trị 4 Nghĩa là, mặc ịnh một chiếc xe hơi sẽ có 4 bánh!

 Range (miền giá trị) : (tương tự như kiểu biến), cho biết giá trị slot có thể nhận những loại giá trị g (như số nguyên, số thực, chữ cái, )

 If added : m tả một hành ộng sẽ ược thi hành khi một giá trị trong slot ược thêm

vào (hoặc ược hiệu chỉnh) Thủ tục thường ược viết dưới dạng một script

 If needed : ược sử dụng khi slot kh ng có giá trị nào Facet m tả một hàm ể tính ra giá trị của slot

Theo ịnh nghĩa của Minsky ( 975), th frame là cấu trúc dữ liệu ể thể hiện tri thức a dạng về khái niệm hay ối tượng nào ó

Cấu trúc frame

Một frame có h nh thức như bảng mẫu, như tờ khai cho phép người ta iền các trống Cấu

trúc cơ bản của frame có tên ối tượng ược thể hiện trong frame, có các trường thuộc tính của ối

tượng Mỗi thuộc tính có một ngăn ể nhập dữ liệu riêng Các thuộc tính và giá trị thuộc tính tạo nên danh sách các mệnh ề O-A-V, cho phép thể hiện y ủ về ối tượng

Một frame lớp thể hiện các tính chất tổng quát của tập các ối tượng chung Chẳng hạn người ta

c n m tả các tính chất tổng quát như bay, có cánh, sống tự do,… của cả loài chim

Để m tả một biểu diễn của frame lớp, ta dùng một dạng frame khác, gọi là frame thể hiện Khi

tạo ra thể hiện của một lớp, frame này kế thừa tính chất và giá trị của lớp Có thể thay ổi giá trị ể phù hợp với biễu diễn cụ thể Thậm chí, ta cũng có thể thêm các tính chất khác ối với frame thể hiện

Cũng như tính chất kế thừa giữa các ối tượng trong mạng ngữ nghĩa, frame thể hiện nhận giá trị kế thừa từ frame lớp Khi tạo một frame thể hiện, người ta khẳng ịnh frame ó là thể hiện của một frame lớp Khẳng ịnh này cho phép nó kế thừa các th ng tin từ frame lớp

Hình 1.6: Nhiều mức của frame mô tả quan hệ phức tạp hơn

Ngoài các frame lớp ơn giản và các thể hiện gắn với nó, người ta có thể tạo ra cấu trúc frame phức tạp Ví dụ, dùng cấu trúc phân cấp các frame ể m tả thế giới loài chim Cấu trúc này tổ chức khái niệm về chim theo các mức trừu tượng khác nhau Frame mức cao mang th ng tin chung về tất cả loài chim Mức giữa có frame lớp con, mang th ng tin ặc thù hơn của nhóm chim Mức cuối cùng là frame thể hiện, ứng với ối tượng cụ thể

Frame : XE HƠI

Thuộc lớp : phương tiện vận chuyển

Tên nhà sản xuất : Audi

Quốc gia của nhà sản xuất : Đức

Model : 5000 Turbo

Loại xe : Sedan

Trọng lượng : 3300lb

Số lượng cửa : 4 (default)

Hộp số : 3 số tự ộng

Số lượng bánh : 4 (default)

Máy (tham chiếu ến frame Máy)

Kiểu : In-line, overhead cam

Số xy-lanh : 5

Khả năng tăng tốc

0-60 : 10.4 giây

Frame MÁY

Xy-lanh : 3.19 inch

Tỷ lệ nén : 3.4 inche Xăng : TurboCharger

Mã lực : 140 hp