Tiểu luận môn biểu diễn tri thức và suy luận TÌM HIỂU MẠNG TÍNH TOÁN VÀ ỨNG DỤNG GIẢI BÀI TOÁN HÓA HỌC

Phư ng pháp suy lu n trong cách bi u di n tri th c d ng này là s d ng suy di n ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÀI THU HOẠCH BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ SUY LUẬN

Đề tài:

TÌM HIỂU MẠNG TÍNH TOÁN VÀ ỨNG DỤNG

GIẢI BÀI TOÁN HÓA HỌC

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS ĐỖ VĂN NHƠN

Học viên thực hiện : TRỊNH NAM VIỆT

MSHV : CH1301115

MỤC LỤC

2014

Tháng 3/2014

Mở đầu 2

I Các phương pháp biểu diễn tri thức cơ bản 3

1 Logic mệnh đề và logic vị từ 3

2 Biểu diễn tri thức bằng luật dẫn 3

3 Biểu diễn tri thức bằng mạng ngữ nghĩa 4

II Mô hình biểu diễn tri thức COKB 5

1 Đối tượng tính toán (C-Object) 5

2 Mô hình cho một C-Object 6

3 Các thành phần của mô hình COKB 7

III Mạng các đối tượng tính toán 8

1 Mạng con, đối tượng tính toán 9

2 Mạng các đối tượng tính toán 10

IV Ứng dụng 13

1 Thiết kế cơ sở tri thức cho miền hóa học vô cơ 14

2 Thiết kế bộ suy diễn tự động của chương trình 15

3 Chương trình demo Hóa học 17

Kết luận 20

MỞ ĐẦU

Trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, có nhiều phương pháp để biểu diễn tri thức nhưng nhữngphương pháp này lại không hiệu quả trong việc biểu diễn và suy luận trên các tri thức phức tạp.Phương pháp biểu diễn tri thức đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống tri thức phức tạpnhư hình học phẳng, hình học giải tích, vật lý, hóa học, sinh học…, nhưng nghững phương phápsuy diễn hiện nay vẫn còn mang tính khái quát cao, chưa thể mô phỏng được lối tư duy của conngười Trong thực tế, khi giải quyết một bài toán, chúng ta thường không tìm ngay một lời giảimới mà trước tiên ta sẽ tìm những bài toán liên quan với bài toán ấy để từ đó có cách giải quyếtphù hợp Trong bài viết này, em xin trình bày mô hình COKB (Computational ObjectKnowledge Base), trong đó có sử dụng các bài toán mẫu như là các tri thức đã có sẵn về bài toánđược đặt ra, mô phỏng tối ưu hơn cho tri thức con người.

Cho các hợp chất hóa học ban đầu A,B,C…, dựa vào các phương trình phản ứng đã biết,hãy điều chế ra hợp chất hóa học X từ những phương trình phản ứng trên Bài toán đơn giản nếu

số lượng phương trình phản ứng là nhỏ Nhưng với số lượng phương trình phản ứng là rất lớn thìviệc tìm ra những phương trình thích hợp để điều chế ra chất X là rất khó khăn Từ lý do trên, ápdụng giải bài toán điều chế dựa trên mô hình COKB

Thông qua những buổi giảng dạy và hướng dẫn của thầy Đỗ Văn Nhơn, giúp em nắm đượckiến thức tổng quát và hiểu hơn về các mô hình biểu diễn tri thức và những ứng dụng hiện nay

Do khả năng và kiến thức có hạn, nên bài viết còn nhiều sai sót Em xin chân thành cảm ơn thầy

đã giảng dạy và hướng dẫn để hoàn thành bài viết này

I Các phương pháp biểu diễn tri thức cơ bản

1 Logic mệnh đề và logic vị từ

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

là logic mệnh đề và logic vị từ Cả 2 dạng này đều dùng ký hiệu để biểu diễn tri thức

và các toán tử áp lên các ký hiệu để suy luận logic Logic đã cung cấp cho các nhànghiên cứu những công cụ hình thức để biểu diễn và suy luận tri thức Các phép tóanlogic được sử dụng phổ biến của dạng là: and ( Λ ), or ( V ), not ( ~ ) và phép kéo theo( → ), tương đương ( ≡ )

Kiểu biểu diễn tri thức vị từ giống như hàm trong các ngôn ngữ lập trình, đốitượng tri thức là tham số của hàm, giá trị mệnh đề chính là kết quả của hàm

Biểu diễn tri thức bằng mệnh đề gặp khó khăn là không thể can thiệp vào cấu trúccủa một mệnh đề → đưa ra khái niệm lượng từ, vị từ Với vị từ có thể biểu diễn trithức dưới dạng các mệnh đề tổng quát

2 Biểu diễn tri thức bằng luật dẫn

Phương pháp biểu diễn tri thức bằng luật dẫn được phát minh bởi Newell và Simon, tronglúc hai ông đang cố gắng xây dựng một hệ giải bài toán tổng quát Đây là một kiểu biểu diễn trithức có cấu trúc Ý tưởng cơ bản là tri thức có thể được 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 Mô

hình biểu diễn tri thức dạng này thường bao gồm: tập các ký hiệu mô tả các sự kiện (có cấu trúcđơn giản) và tập luật dẫn Trong đó phần giả thiết và kết luận của luật là tập các sự kiện Mỗi sựkiện được mô tả có cấu trúc đơn giản như (tên đối tượng - thuộc tính - giá trị) Ví dụ: quả cam –màu vàng

Phư ng pháp suy lu n trong cách bi u di n tri th c d ng này là s d ng suy di n ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ức dạng này là sử dụng suy diễn ạng này là sử dụng suy diễn ử dụng suy diễn ụng suy diễn ễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn

ti n và suy di n lùiến và suy diễn lùi ễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn :

Suy di n ti n: là quá trình suy lu n xu t phát t m t s s ki n ban ễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ến và suy diễn lùi ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ất phát từ một số sự kiện ban đầu, xác định ừ một số sự kiện ban đầu, xác định ột số sự kiện ban đầu, xác định ố sự kiện ban đầu, xác định ự kiện ban đầu, xác định ện ban đầu, xác định đầu, xác định u, xác nh định các s ki n có th ự kiện ban đầu, xác định ện ban đầu, xác định ểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn được “sinh” ra từ sự kiện này “sinh” ra từ sự kiện nàyc sinh ra t s ki n này” ra từ sự kiện này ừ một số sự kiện ban đầu, xác định ự kiện ban đầu, xác định ện ban đầu, xác định

Suy di n lùi: là quá trình suy lu n ngễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ược “sinh” ra từ sự kiện nàyc xu t phát t m t s s ki n ban ất phát từ một số sự kiện ban đầu, xác định ừ một số sự kiện ban đầu, xác định ột số sự kiện ban đầu, xác định ố sự kiện ban đầu, xác định ự kiện ban đầu, xác định ện ban đầu, xác định đầu, xác định u, ta tìm

ki m các s ki n ã sinh ra s ki n này M t ví d thến và suy diễn lùi ự kiện ban đầu, xác định ện ban đầu, xác định đ “sinh” ra từ sự kiện này ” ra từ sự kiện này ự kiện ban đầu, xác định ện ban đầu, xác định ột số sự kiện ban đầu, xác định ụng suy diễn ường gặp trong thực tế là ng g p trong th c t là ặp trong thực tế là ự kiện ban đầu, xác định ến và suy diễn lùi

xu t phát t các tình tr ng c a máy tính, t ó ta ch n oán xem máy tính ã b ất phát từ một số sự kiện ban đầu, xác định ừ một số sự kiện ban đầu, xác định ạng này là sử dụng suy diễn ủa máy tính, từ đó ta chẩn đoán xem máy tính đã bị ừ một số sự kiện ban đầu, xác định đ ẩn đoán xem máy tính đã bị đ đ ịnh

h ng hóc âuỏng hóc ở đâu ở đâu đ

Các lu t có u i m là d hi u nên d dàng dùng ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ư đ ểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn đểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn trao đổi với người dùng Có thể ới người dùng Có thểi v i ngường gặp trong thực tế là i dùng Có thểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn

d dàng xây d ng ễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ự kiện ban đầu, xác định được “sinh” ra từ sự kiện nàyc c ch suy lu n và gi i thích t các lu t Ngòai ra, các lu t ến và suy diễn lùi ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ải thích từ các luật Ngòai ra, các luật ừ một số sự kiện ban đầu, xác định ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn c

được “sinh” ra từ sự kiện này bi u di n theo mô hình này thểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ường gặp trong thực tế là ng đột số sự kiện ban đầu, xác định ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn c l p nhau nên vi c c p nh t lu t, ện ban đầu, xác định ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn hi u ện ban đầu, xác định

ch nh và b o trì h trì h th ng thu n l i Tuy nhiên, t nh ng ải thích từ các luật Ngòai ra, các luật ện ban đầu, xác định ện ban đầu, xác định ố sự kiện ban đầu, xác định ận trong cách biểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ợc “sinh” ra từ sự kiện này ừ một số sự kiện ban đầu, xác định ững đặc điểm trong cách đặp trong thực tế là đ ểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn c i m trong cách

bi u di n tri th c d ng này t o nên uểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ức dạng này là sử dụng suy diễn ạng này là sử dụng suy diễn ạng này là sử dụng suy diễn ư i m thì nó c ng t o ra các khuy t i m đ ểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ũng tạo ra các khuyết điểm ạng này là sử dụng suy diễn ến và suy diễn lùi đ ểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn sau: chính vì các s ki n có c u trúc ự kiện ban đầu, xác định ện ban đầu, xác định ất phát từ một số sự kiện ban đầu, xác định đ n gi n, trong khi tri th c c a m t s lĩnh v c l i ải thích từ các luật Ngòai ra, các luật ức dạng này là sử dụng suy diễn ủa máy tính, từ đó ta chẩn đoán xem máy tính đã bị ột số sự kiện ban đầu, xác định ố sự kiện ban đầu, xác định ự kiện ban đầu, xác định ạng này là sử dụng suy diễn

tr u từ một số sự kiện ban đầu, xác định ược “sinh” ra từ sự kiện này và ph c t p, các khái ni m c a lĩnh v c có quan h ràng bu c l n ng ức dạng này là sử dụng suy diễn ạng này là sử dụng suy diễn ện ban đầu, xác định ủa máy tính, từ đó ta chẩn đoán xem máy tính đã bị ự kiện ban đầu, xác định ện ban đầu, xác định ột số sự kiện ban đầu, xác định ẫn nhau nên mô hình bi u di n này không th hi n ểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ểu diễn tri thức dạng này là sử dụng suy diễn ện ban đầu, xác định được “sinh” ra từ sự kiện này h t t t c nh ng y u t tr u c ến và suy diễn lùi ất phát từ một số sự kiện ban đầu, xác định ải thích từ các luật Ngòai ra, các luật ững đặc điểm trong cách ến và suy diễn lùi ố sự kiện ban đầu, xác định ừ một số sự kiện ban đầu, xác định tược “sinh” ra từ sự kiện này ngó

đ

3 Bi u di n tri th c b ng m ng ng ngh a ểu diễn tri thức bằng mạng ngữ nghĩa ễn tri thức bằng mạng ngữ nghĩa ức bằng mạng ngữ nghĩa ằng mạng ngữ nghĩa ạng ngữ nghĩa ữ nghĩa ĩa

Mạng ngữ nghĩa là một phương pháp biểu diễn tri thức dùng đồ thị Trong đó nút biểu diễnđối tượng, và cung biểu diễn quan hệ giữa các đối tượng

Hình 1: Ví dụ về mạng ngữ nghĩaNgười ta có thể mở rộng mạng ngữ nghĩa bằng cách thêm các nút và nối chúng vào đồ thị.Các nút mới ứng với các đối tượng bổ sung Thông thường có thể mở rộng mạng ngữ nghĩa theo

ba cách:

Động vật có vú

Con mèo

lông

trên cạn

c ó

sốn g

đuôi c

ó là

- Thêm một đối tượng tương tự

- Thêm một đối tượng đặc biệt hơn

- Thêm một đối tượng tổng quát hơn

Cơ chế suy diễn thực hiện theo thuật toán “loang” đơn giản:

Bước 1: Kích hoạt những đỉnh hình tròn đã cho ban đầu (những yếu tố đã có giá

trị)

Bước 2: Lặp lại bước sau cho đến khi kích hoạt được tất cả những đỉnh ứng với

những yếu tố cần tính hoặc không thể kích hoạt được bất kỳ đỉnh nào nữa

Nếu một đỉnh hình chữ nhật có cung nối với n đỉnh hình tròn mà n-1 đỉnh hình

tròn đã được kích hoạt thì kích hoạt đỉnh hình tròn còn lại (và tính giá trị đỉnh còn lại

này thông qua công thức ở đỉnh hình chữ nhật)

II Mô hình bi u di n tri th c COKB ểu diễn tri thức bằng mạng ngữ nghĩa ễn tri thức bằng mạng ngữ nghĩa ức bằng mạng ngữ nghĩa

1 Đối tượng tính toán (C-Object)

Trong nhiều vấn đề giải toán dựa trên tri thức ta thường đề cập đến các đối tượng khácnhau và mỗi đối tượng có cấu trúc bao gồm một số thuộc tính với những quan hệ nhất định.Những quan hệ này giúp ta thực hiện sự suy diễn, tính toán và giải một số bài toán suy diễn-tínhtoán trên các thuộc tính của đối tượng Ví dụ: trong giải toán hình học, một tam giác với cácthuộc tính như 3 cạnh, 3 góc trong, diện tích, nửa chu vi, bán kính vòng tròn ngoại tiếp, v.v …cùng với các công thức liên hệ giữa các thuộc tính đó sẽ cho ta một cấu trúc của một đối tượngnhư thế Theo cách tiếp cận hướng đối tượng trong biểu diễn tri thức và giải toán, chúng ta tíchhợp vào cấu trúc đối tượng trên một số hành vi giải toán nhất định để tạo ra một đối tượng Dựatrên các đối tượng này, nhiều bài toán khác nhau có thể được biểu diễn dưới dạng mạng các đốitượng Cách biểu diễn này có thể được áp dụng một cách có hiệu quả trong các hệ giải toán,chẳng hạn như các hệ giải các bài toán hình học So với các phương pháp được trình bày ở trên,cách mô hình này tỏ ra có nhiều ưu điểm, đặc biệt là khả năng biểu diễn hầu như toàn bộ tri thức

và các dạng bài toán tổng quát thuận tiện cho việc phát triển các thuật toán giải tự động và cungcấp những lời giải tự nhiên và phù hợp với cách nghĩ và viết của con người Ngoài ra, nó còngiúp ích cho việc thiết kế và cài đặt phần cơ sở tri thức cũng như ngôn ngữ qui ước để đặc tả bàitoán.

Định nghĩa 1: Ta gọi một đối tượng tính toán (C-Object) là một đối tượng O có cấu trúc

bao gồm:

(1) Một danh sách các thuộc tính Attr(O) = x1, x2, , xn trong đó mỗi thuộc tính lấy giá trịtrong một miền xác định nhất định, và giữa các thuộc tính ta có các quan hệ thể hiện qua các sựkiện, các luật suy diễn hay các công thức tính toán

(2) Các hành vi liên quan đến sự suy diễn và tính toán trên các thuộc tính của đối tượng haytrên các sự kiện như:

 Xác định bao đóng của một tập hợp thuộc tính A  Attr(O), tức là đối tượng O có khảnăng cho ta biết tập thuộc tính lớn nhất có thể được suy ra từ A trong đối tượng O

 Xác định tính giải được của bài toán suy diễn tính toán có dạng A  B với A  Attr(O)

và B  Attr(O) Nói một cách khác, đối tượng có khả năng trả lời câu hỏi rằng có thểsuy ra được các thuộc tính trong B từ các thuộc tính trong A không

 Thực hiện các tính toán

 Thực hiện việc gợi ý bổ sung giả thiết cho bài toán

 Xem xét tính xác định của đối tượng, hay của một sự kiện

2 Mô hình cho một C-Object

Một C-Object có thể được mô hình hóa bởi một bộ:

(Attrs, F, Facts, Rules)Trong đó: Attrs là tập hợp các thuộc tính của đối tượng, F là tập hợp các quan hệ suy diễntính toán, Facts là tập hợp các tính chất hay các sự kiện vốn có của đối tượng, và Rules là tập hợpcác luật suy diễn trên các sự kiện liên quan đến các thuộc tính cũng như liên quan đến bản thânđối tượng

Ví dụ: Đối tượng (C-Object) thuộc loại “TAM_GIAC” được biểu diễn theo mô hình trêngồm có:

 Attrs =  GocA, GocB, GocC, a, b, c, ha, hb, hc, ma, mb, mc, pa, pb, pc, S, p, R, r,

3 Các thành phần của mô hình COKB

Mô hình cơ sở tri thức của các đối tượng tính toán (mô hình COKB) gồm 6 thànhphần:

(C, H, R, Ops, Funcs, Rules)

Trong đó,

(1) C là tập hợp các khái niệm về C-Object

(2) H là tập hợp các quan hệ phân cấp giữa các loại đối tượng

(3) R là tập hợp các khi niệm về các loại quan hệ trên C-Object

- Sự kiện loại 1: Sự kiện thông tin loại của đối tượng.

- Sự kiện loại 2: Sự kiện về tính xác định của một đối tượng hay của một thuộc tính củađối tượng

- Sự kiện loại 3: Sự kiện về tính xác định của một đối tượng hay của một thuộc tính củađối tượng thông qua biểu thức hằng

- Sự kiện loại 4: Sự kiện về sự bằng nhau của một đối tượng hay một thuộc tính của đốitượng với một đối tượng hay một thuộc tính khác

- Sự kiện loại 5: Sự kiện về sự phụ thuộc giữa các đối tượng và các thuộc tính của cácđối tượng thông qua một công thức tính toán hay một đẳng thức theo các đối tượng haycác thuộc tính

- Sự kiện loại 6: Sự kiện về một quan hệ trên các đối tượng hay trên các thuộc tính củacác đối tượng

- Sự kiện loại 7: Sự kiện về tính xác định của một hàm

- Sự kiện loại 8: Sự kiện về tính xác định của một hàm thông qua một biểu thức hằng

- Sự kiện loại 9: Sự kiện về sự bằng nhau giữa một đối tượng với một hàm

- Sự kiện loại 10: Sự kiện về sự bằng nhau giữa một hàm với một hàm khác

- Sự kiện loại 11: Sự kiện về sự phụ thuộc của một hàm theo các hàm hay các đối tượngkhác thông qua một công thức tính toán

Mô hình biểu diễn này sử dụng cách tiếp cận hướng đối tượng để biểu diễn tri thức Do đó,

sử dụng mô hình này giúp dễ thiết kế các mô hình cho những ứng dụng cụ thể vá thiết kế các giảithuật

III Mạng các đối tượng tính toán

1 Mạng con, đối tượng tính toán

Là một dạng biểu diễn tri thức về các vấn đề tính toán và được áp dụng một cách có hiệuquà để giải quyết một số dạng bài tóan Mỗi mạng tính tóan là một mạng ngữ nghĩa chứa cácbiến và những quan hệ có thể cài đặt sử dụng cho việc tính toán

Một mạng tính toán (M,F) được gọi là một mạng con của mạng tính toán (M’,F’) nếu thỏa

các điều kiện sau đây :

O = ( M(O), F(O) )

Ngoài ra đối tượng tính toán, giả sử là O, còn có khả năng đáp ứng lại một số thông điệpyêu cầu từ bên ngoài Trong các khả năng đó của đối tượng tính toán ta có thể kể đến nhữngđiểm sau đây :

(1) Xác định bao đóng (trong đối tượng O) của một tập A  M(O)

(2) Xác định tính giải được của một bài toán A  B,

trong đó A  M(O), B  M(O)

(3) Tìm một lời giải tốt cho bài toán A  B trên mạng ( M(O), F(O) ),

trong đó A  M(O), B  M(O)

2 Mạng các đối tượng tính toán

Mạng các đối tượng tính toán bao gồm một tập hợp các đối tượng tính toán :

O = O 1 ,O 2 , , O n

và một tập hợp các quan hệ tính toán :

F = f 1 ,f 2 , , f m

Đặt :