Tiểu luận môn biểu diễn tri thức và suy luận ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN SÂU BỆNH CHÍNH TRÊN CÂY LÚA

Bằng cách: dùng các lược đồ biểu diễn scheme -> Chọn dùng lược đồ choloại tri thức là vấn đề quan trọng Gồm: đối tượng và các quan hệ giữa chúng trong lĩnh vực... Các chuyên thường dùn

I. MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Đỗ Văn Nhơn đã hướng dẫn và truyền đạt cho em những kiến thức quý báu của môn học Biểu diễn tri thức và suy luận, giúp em nắm được những phương pháp biểu diễn tri thức tiêu biểu, đồng thời, mở

ra những hướng nghiên cứu sâu hơn, rộng hơn để có thể nghiên cứu và tìm hiểu những phương pháp biểu diễn tri thức mới có thể ứng dụng và tạo ra giá trị cho các lĩnh vực xã hội và đời sống của con người

Trong bài này, em xin trình bày những hiểu biết về phương pháp biểu diễn tri thức dùng hệ luật dẫn và ứng dụng phương pháp này trong chương trình Chẩn đoán sâu bệnh chính trên cây lúa

Do thời gian có hạn em chỉ xin phép thiết lập một ứng dụng minh họa cho phương pháp biểu diễn tri thức bằng luật dẫn với các chức năng chính thể hiện rõ nội dung của bài Chương trình và bài viết còn nhiều hạn chế và thiếu sót, kính mong thầy thông cảm

Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 03 năm 2014

Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Mai

I TỔNG QUAN

1 Các khái niệm

Dữ liệu là các con số, ký hiệu mà máy tính có thể lưu trữ, biểu diễn, xử lý

Bản thân dữ liệu không có ý nghĩa Chỉ khi con người cảm nhận, tư duy thì dữ liệu

mới có một ý nghĩa nhất định, đó chính là thông tin Từ khái niệm thông tin, người

ta mới xây dựng được khái niệm về tri thức

Tri thức là kết tinh, cô đọng, chắt lọc của thông tin Tri thức hình thành do

quá trình xử lý thông tin mang lại

Biểu diễn tri thức là phương pháp mã hoá tri thức, nhằm thành lập cơ sở tri

thức cho các hệ thống dựa trên tri thức

2 Phân loại tri thức

Dựa vào cách thức con người giải quyết vấn đề, các nhà nghiên cứu đã xây

dựng các kỹ thuật để biểu diễn các dạng tri thức khác nhau trên máy tính Để giải

quyết vấn đề, chúng ta chỉ chọn dạng biễu diễn nào thích hợp nhất Một số dạng

biểu diễn tri thức thường gặp:

 Tri thức thủ tục mô tả cách thức giải quyết một vấn đề Loại tri thức này

đưa ra giải pháp để thực hiện một công việc nào đó Các dạng tri thức thủ

tục tiêu biểu thường là các luật, chiến lược, lịch trình, và thủ tục

Tri thức thực của lĩnh

toán Bằng cách nào?

Bằng cách: dùng các

lược đồ biểu diễn (scheme)

-> Chọn dùng lược đồ choloại tri thức là vấn đề quan trọng

Gồm: đối

tượng và các quan hệ giữa chúng trong lĩnh vực

 Tri thức khai báo cho biết một vấn đề được thấy như thế nào Loại tri

thức này bao gồm các phát biểu đơn giản, dưới dạng các khẳng định logic đúng hoặc sai Tri thức khai báo cũng có thề là một danh sách các khẳng định nhằm mô tả đầy đủ hơn về đối tượng hay một khái niệm khái niệm nào đó

 Siêu tri thức mô tả tri thức về tri thức Loại tri thức này giúp lựa chọn tri

thức thích hợp nhất trong số các tri thức khi giải quyết một vấn đề Các chuyên gia sử dụng tri thức này để điều chỉnh hiệu quả giải quyết vấn đề bằng cách hướng các lập luận về miền tri thức có khả năng hơn cả

 Tri thức Heuristic mô tả các "mẹo" để dẫn dắt tiến trình lập luận Tri thức

heuristic còn được gọi là tri thức nông cạn do không bảm đảm hoàn toàn chính xác về kết quả giải quyết vấn đề Các chuyên thường dùng các tri thức khoa học như sự kiện, luật, … sau đó chuyển chúng thành các tri thức heuristic để thuận tiện hơn trong việc giải quyết một số bài toán

 Tri thức có cấu trúc mô tả tri thức theo cấu trúc Loại tri thức này mô tả

mô hình tổng quan hệ thống theo quan điểm của chuyên gia, bao gồm khái niệm, khái niệm con, và các đối tượng; diễn tả chức năng và mối liên hệ giữa các tri thức dựa theo cấu trúc xác định

3 Các phương pháp biểu diễn tri thức

a) Biểu diễn tri thức dùng hệ luật dẫn

Phương pháp biểu diễn tri thức bằng luật dẫn được phát minh bởi Newell và Simon trong lúc hai ông đang cố gắng xây dựng một hệ giải bài toán tổng quát Đây là một kiểu biểu diễn tri thức có cấu trúc Ý tưởng cơ bản là tri thức có thể được cấu trúc bằng một cặp điều kiện – hành động : "NẾU điều kiện xảy ra THÌ hành động sẽ được thi hành" Chẳng hạn : NẾU đèn giao thông là đỏ THÌ bạn không được đi thẳng

Một cách tổng quát luật dẫn có dạng như sau:

P1∧ P2∧ ∧ Pn → Q

Tùy vào các vấn đề đang quan tâm mà luật dẫn có những ngữ nghĩa hay cấu tạo khác nhau

b) Biểu diễn tri thức dùng mạng ngữ nghĩa

Mạng ngữ nghĩa là một phương pháp biểu diễn tri thức đầu tiên và cũng là phương pháp dễ hiểu nhất đối với chúng ta Phương pháp này sẽ biểu diễn tri thức dưới dạng một đồ thị, trong đó đỉnh là các đối tượng (khái niệm) còn các cung cho biết mối quan hệ giữa các đối tượng (khái niệm) này

Ví dụ: giữa các khái niệm chích chòe, chim, hót, cánh, tổ có một số mối quan

Các mối quan hệ này sẽ được biểu diễn trực quan bằng một đồ thị như sau:

Do mạng ngữ nghĩa là một loại đồ thị cho nên nó thừa hưởng được tất cả những mặt mạnh của công cụ này Nghĩa là ta có thể dùng những thuật toán của

đồ thị trên mạng ngữ nghĩa như thuật toán tìm liên thông, tìm đường đi ngắn nhất,… để thực hiện các cơ chế suy luận Điểm đặc biệt của mạng ngữ nghĩa so

với đồ thị thông thường chính là việc gán một ý nghĩa (có, làm, là, biết, ) cho

các cung

c) Biểu diễn tri thức bằng Frame

Frame là một cấu trúc dữ liệu chứa đựng tất cả những tri thức liên quan đến

một đối tượng cụ thể nào đó Frames có liên hệ chặt chẽ đến khái niệm hướng đối tượng (thực ra frame là nguồn gốc của lập trình hướng đối tượng) Ngược lại với các phương pháp biểu diễn tri thức đã được đề cập đến, frame "đóng gói" toàn bộ một đối tượng, tình huống hoặc cả một vấn đề phức tạp thành một thực

thể duy nhất có cấu trúc Một frame bao hàm trong nó một khối lượng tương đối lớn tri thức về một đối tượng, sự kiện, vị trí, tình huống hoặc những yếu tố khác

Do đó, frame có thể giúp ta mô tả khá chi tiết một đối tượng

Mỗi một frame mô tả một đối tượng (object) Một frame bao gồm 2 thành phần cơ bản là slot và facet Một slot là một thuộc tính đặc tả đối tượng được biểu diễn bởi frame Ví dụ : trong frame mô tả xe hơi, có hai slot là trọng lượng

và loại máy

Mỗi slot có thể chứa một hoặc nhiều facet Các facet (đôi lúc được gọi là slot

"con") đặc tả một số thông tin hoặc thủ tục liên quan đến thuộc tính được mô tả bởi slot Facet có nhiều loại khác nhau, sau đây là một số facet thường gặp

• Value (giá trị) : cho biết giá trị của thuộc tính đó (như xanh, đỏ, tím vàng nếu slot là màu xe)

• Default (giá trị mặc định) : hệ thống sẽ tự động sử dụng giá trị trong facet này nếu slot là rỗng (nghĩa là chẳng có đặc tả nào!) Chẳng hạn trong frame về xe, xét slot về số lượng bánh Slot này sẽ có giá trị 4 Nghĩa là, mặc định 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 gì (như số nguyên, số thực, chữ cái, )

• If added : mô tả một hành động sẽ được thi hành khi một giá trị trong slot được thêm vào (hoặc được hiệu chỉnh) Thủ tục thường được viết dưới dạng một script

• If needed : được sử dụng khi slot không có giá trị nào Facet mô tả một hàm để tính ra giá trị của slot

Frame : XE HƠI

Thuộc lớp : phương tiện vận chuyển.

Tên nhà sản xuất : Audi

Quốc gia của nhà sản xuất : Đức

Máy (tham chiếu đến frame Máy)

Kiểu : In-line, overhead cam

Số xy-lanh : 5

Khả năng tăng tốc

0-60 : 10.4 giây

¼ dặm : 17.1 giây, 85 mph

d) Biểu diễn tri thức bằng Script

Script là một cách biểu diễn tri thức tương tự như frame nhưng thay vì đặc tả một đối tượng, nó mô tả một chuỗi các sự kiện Để mô tả chuỗi sự kiện, script sử dụng một dãy các slot chứa thông tin về các con người, đối tượng và hành động liên quan đến sự kiện đó

Tuy cấu trúc của các script là rất khác nhau tùy theo bài toán, nhưng nhìn chung một script thường bao gồm các thành phần sau:

 Điều kiện vào (entry condition): mô tả những tình huống hoặc điều kiện cần được thỏa mãn trước khi các sự kiện trong script có thể diễn ra

 Role (diễn viên): là những con người có liên quan trong script

 Prop (tác tố): là tất cả những đối tượng được sử dụng trong các chuỗi sự

kiện sẽ diễn ra

 Scene (Tình huống): là chuỗi sự kiện thực sự diễn ra

 Result (Kết quả): trạng thái của các Role sau khi script đã thi hành xong

 Track (phiên bản): mô tả một biến thể (hoặc trường hợp đặc biệt) có thể

xảy ra trong đoạn script

II BIỂU DIỄN TRI THỨC DÙNG HỆ LUẬT DẪN

1 Biểu diễn tri thức dùng hệ luật dẫn

Phương pháp biểu diễn tri thức bằng hệ luật dẫn được phát minh bởi Newell

và Simon trong lúc hai ông đang cố gắng xây dựng một hệ giải bài toán tổng quát Đây là một kiểu biểu diễn tri thức có cấu trúc Ý tưởng cơ bản là tri thức có thể được cấu trúc bằng một cặp điều kiện – hành động:

“NẾU điều kiện xảy ra THÌ hành động sẽ được thi hành”

Chẳng hạn: NẾU đèn giao thông là đỏ THÌ bạn không được đi thẳng, NẾU máy tính đã mở mà không khởi động được THÌ kiểm tra nguồn điện, …

Ngày nay, các luật dẫn đã trở nên phổ biến và được áp dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống trí tuệ nhân tạo khác nhau Luật dẫn có thể là một công cụ mô tả để giải quyết các vấn đề thực tế thay cho các kiểu phân tích vấn đề truyền thống Trong trường hợp này, các luật được dùng như là những chỉ dẫn (tuy có thể không hoàn chỉnh) nhưng rất hữu ích để trợ giúp cho các quyết định trong quá trình tìm kiếm, từ

đó làm giảm không gian tìm kiếm Một ví dụ khác là luật dẫn có thể được dùng để bắt chước hành vi của những chuyên gia Theo cách này, luật dẫn không chỉ đơn thuần là một kiểu biểu diễn tri thức trong máy tính mà là một kiểu biễu diễn các hành vi của con người

Một cách tổng quát luật sinh có dạng như sau:

P1 ∧ P2∧ ∧ Pn → Q Tùy vào các vấn đề đang quan tâm mà luật sinh có những ngữ nghĩa hay cấu tạo khác nhau:

 Trong logic vị từ: P1, P2, , Pn, Q là những biểu thức logic

 Trong ngôn ngữ lập trình, mỗi một luật sinh là một câu lệnh

IF (P1 AND P2 AND … AND Pn) THEN QTrong lý thuyết hiểu ngôn ngữ tự nhiên, mỗi luật sinh là một phép dịch:

f1∧ f2∧ ∧ fi → qTrong đó, các fi, q đều thuộc F

Ví dụ: Cho một cơ sở tri thức được xác định như sau:

Các sự kiện: A, B, C, D, E, F, G, H, KTập các quy tắc hay luật sinh (rule)R1: A  E

R2: B  DR3: H  AR4: E ⋀ G  CR5: E ⋀ K  BR6: D ⋀ E ⋀ K  CR7: G ⋀ K ⋀ F  A

2 Cơ chế suy diễn

Cơ chế suy diễn là một thành phần quan trọng, nó góp phần to lớn trong việc

đi từ giả thuyết đến kết luận của bài toán Cơ chế suy diễn sẽ lựa chọn các luật cần thực thi để có từng bước giải trong quá trình hình thành lời giải Nó sẽ quyết định tiến trình tìm kiếm lời giải từ đâu, lựa chọn hướng nào khi mà có quá nhiều luật cùng có đủ điều kiện để thi hành Như vậy sẽ xuất hiện hai vấn đề trong cơ chế suy diễn đó là cách suy diễn và lựa chọn hướng thi hành

Về cách suy diễn, ta xét cơ sở tri thức của chúng ta mỗi một sự kiện được xem là một nút của đồ thị tri thức, mỗi cung nối hai nút là một bước suy diễn dựa trên luật nào đó Suy diễn phải tạo ra đường đi liên thông giữa các sự kiện giả thiết

và sự kiện mục tiêu Lời giải khi đó sẽ là tập có thứ tự các cung của đồ thị liên thông nối sự kiện giả thiết và sự kiện mục tiêu Ta thấy sẽ có ba cách để tìm ra đường đi này: suy diễn tiến, suy diễn lùi, kết hợp suy diễn tiến và suy diễn lùi

• Suy diễn tiến là quá trình xuất phát từ một nút của sự kiện giả thiết tìm ra các cung cần phải đi qua để đến được mục tiêu

• Suy diễn lùi là quá trình xuất phát từ một nút mục tiêu tìm ra các cung dẫn tới các sự kiện giống như sự kiện giả thiết

Về cách chọn các luật thi hành, ta thấy trong quá trình suy luận tại một nút

sự kiện nào đó sẽ có nhiều cung đi đến sự kiện khác Điều này nảy sinh vấn đề lựa chọn cung nào? Có hai giải pháp cho tình huấn này: tìm trên tất cả các cung, hoặc

tìm trên một cung nào đó cho đến khi không còn đi được nữa thì quay trở lại Hai cách này được gọi là tìm kiếm theo chiều rộng và tìm kiếm theo chiều sâu.

a Suy diễn tiến

Là quá trình suy luận xuất phát từ một số điều kiện ban đầu xác định các

sự kiện có thể được "sinh" ra từ sự kiện này

Thuật toán suy diễn tiến:

Bước 1: Ghi nhận các sự kiện giả thiết và mục tiêu của bài toán

Bước 2: Khởi tạo lời giải là rỗng

Bước 3: Kiểm tra mục tiêu

IF mục tiêu đáp ứng THEN goto Bước 8Bước 4: Tìm luật có thể áp dụng để phát sinh sự kiện mới

Bước 5: IF Tìm trong Bước 4 thất bại THEN

Áp dụng thuật toán suy diễn lùiBước 6: IF Tìm trong Bước 4 thành công THEN

Ghi nhận thông tin về luật vào lời giải và sự kiện mới vào giả thiết được phát sinh từ các luật

Bước 7: Goto Bước 4

Bước 8: Biến đổi lời giải tìm được

• Suy diễn tiến là tiếp cận lý tưởng đối với loại bài toán cần giải quyết các nhiệm vụ như lập kế hoạch, điều hành điều khiển và diễn dịch.

Nhược điểm:

• Một nhược điểm chính của hệ thống suy diễn tiến là không cảm nhận được rằng chỉ một vài thông tin là quan trọng Hệ thống hỏi các câu hỏi có thể hỏi mà không biết rằng chỉ một ít câu đã đi đến kết luận được

• Hệ thống có thể hỏi cả câu không liên quan Có thể các câu trả lời cũng quan trọng, nhưng làm người dùng lúng túng khi phải trả lời các câu không dính đến chủ đề

b Suy diễn lùi

Là quá trình suy luận ngược xuất phát từ một số sự kiện ban đầu, ta tìm kiếm các sự kiện đã "sinh" ra sự kiện này Một ví dụ thường gặp trong thực

tế là xuất phát từ các tình trạng của máy tính, chẩn đoán xem máy tính đã bị hỏng hóc ở đâu

• Không sử dụng được máy tính

• Điện vào máy tính "có" hay "không"

Để xác định được các nguyên nhân gây ra sự kiện "không sử dụng được máy tính", ta phải xây dựng một cấu trúc đồ thị gọi là đồ thị AND/OR như sau:

Như vậy là để xác định được nguyên nhân gây ra hỏng hóc là do ổ cứng hỏng hay cáp màn hình lỏng, hệ thống phải lần lượt đi vào các nhánh để kiểm tra các điều kiện như điện vào máy "có", âm thanh ổ cứng "không"…Tại một bước, nếu giá trị cần xác định không thể được suy ra từ bất kỳ một luật nào, hệ thống sẽ yêu cầu người dùng trực tiếp nhập vào Chẳng hạn như

để biết máy tính có điện không, hệ thống sẽ hiện ra màn hình câu hỏi "Bạn kiểm tra xem có điện vào máy tính không (kiểm tra đèn nguồn)? (C/K)"

Để thực hiện được cơ chế suy luận lùi, người ta thường sử dụng ngăn xếp (để ghi nhận lại những nhánh chưa kiểm tra)

Thuật toán suy diễn lùi:

Bước 1: Giả sử sự kiện mục tiêu đúng

Bước 2: Phát sinh các mục tiêu con

Bước 3: Kiểm tra mục tiêu con

IF mục tiêu con đáp ứng THEN

Goto Bước 8 của thuật toán suy diễn tiếnBước 4: // độ sâu của bài toán là số bước cần phải lùi khi tìm lời giải

IF mức độ lùi >6 THEN // lùi quá giới hạn

Kết luận không tìm thấy lời giải và dừngELSE

Sang Bước 5 (tức là quay lại bước 4 của thuật toán suy diễn tiến)

Không sử dụng được máy tínhOR

Âm thanh ổ cứng

OR

Bước 5: Tìm luật có thể áp dụng để phát sinh sự kiện mới

Bước 6: IF Tìm trong Bước 4 thất bại THEN

Áp dụng thuật toán suy diễn lùiBước 7: IF Tìm trong Bước 4 thành công THEN

Ghi nhận thông tin về luật vào lời giải và sự kiện mới vào giả thiết được phát sinh từ các luật

Bước 8: Goto Bước 4

Bước 9: Biến đổi lời giải tìm được

3 Ưu điểm và khuyết điểm của hệ luật dẫn

Biểu diễn tri thức bằng luật đặc biệt hữu hiệu trong những tình huống hệ thống cần đưa ra những hành động dựa vào những sự kiện có thể quan sát được Nó

có những ưu điểm chính yếu sau đây:

 Các luật rất dễ hiểu nên có thể dễ dàng dùng để trao đổi với người dùng (vì nó là một trong những dạng tự nhiên của ngôn ngữ)

 Có thể dễ dàng xây dựng được cơ chế suy luận và giải thích từ các luật

 Việc hiệu chỉnh và bảo trì hệ thống là tương đối dễ dàng