ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Lớp Cao Học Khóa 6 __ Tiểu luận môn học Biểu Diễn Tri Thức & Ứng Dụng MÔ HÌNH TRI THỨC COKB CHO BÀI TOÁN MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Đỗ Văn Nhơn Học viên thực hiện: Đỗ Duy Phúc MSHV: CH1101122 Lớp: Cao Học Khóa 6 Tháng 1/2013 Mục Lục 2 Lời Nói Đầu Nhân loại sau hơn hàng ngàn năm phát triển đã tích lũy được một khối lượng tri thức vô cùng đồ sộ. Để tận dụng và chia sẽ nguồn tri thức vô cùng hữu ích ấy, con người đã sáng tạo ra các hệ thống tính toán thông minh dựa trên cơ sở tri thức như các hệ chuyên gia, hệ hỗ trợ ra quyết định,v.v… nhằm phục vụ các nhu cầu đa dạng khác nhau của con người và đưa nên văn minh của nhân loại tiến xa thêm một bước. Các thông tin từ nguồn tri thức của nhân loại rất đa dạng và phức tạp về cấu trúc và ngữ nghĩa, các hệ quản trị cơ sở dữ liệu truyền thống dần đã không còn đáp ứng kịp các nhu cầu mới cho việc thu nhận, lưu trữ tri thức và hỗ trợ xử lý tính toán. Từ yêu cầu ấy, các hệ cơ sở tri thức với các mô hình biểu diễn lưu trữ tri thức khác nhau được cho ra đời làm nền tảng cho các hệ tính toán thông minh. Cơ sở tri thức cung cấp khái niệm, sự kiện, luật phục vụ cho hoạt động xử lý suy diễn, tính toán và điều khiển. Do vậy, vấn đề nghiên cứu ứng dụng các mô hình biểu diễn cơ sở tri thức để thể hiện đầy đủ miền tri thức là quan trọng. Đối với một mô hình biểu diễn tri thức ngoài chức năng mô tả đầy đủ các khía cạnh của tri thức trong lĩnh vực nó cần biểu diễn, mô hình này còn hướng đến việc tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế, xây dựng các công cụ suy diễn dễ dàng truy cập và phục vụ tốt quá trình suy luận, khai thác tri thức của ứng dụng. Từ những vấn đề trên mà trong [2] đã xây dựng mô hình tri thức các đối tượng tính toán được gọi là COKB (Computational Object Knowledge Base) và mạng các đối tượng tính toán. Mô hình COKB đã biểu diễn được phần lớn các bài toán hình học và các bài toán khác. Để tìm hiểu nhiều hơn về sự hiệu quả của mô hình này, bài viết sẽ trình bày một mô hình biểu diễn tri thức cho bài toán vật lý điện một chiều có áp dụng mô hình COKB. Mô hình thực tế biểu diễn được điều chỉnh cho phù hợp với mô hình tri thức cụ thể, cho thấy khả năng linh hoạt của mô hình COKB khi áp dụng vào thực tế. Để thực hiện được bài viết này, em xin chân thành cám ơn thầy Đỗ Văn Nhơn đã tận tình giảng dạy và truyền đạt cho em nhiều kiến thức rất có ích qua các môn học. Thầy đã đưa em đến được những miền tri thức rộng lớn và kỳ thú, tạo động lực trong em để có thể tiến xa hơn trên con đường học tập và khám phá tri thức khoa học. 3 Học Viên Thực Hiện Đỗ Duy Phúc 4 Phần 1. Giới Thiệu Vấn Đề Tri Thức Bài Toán Điện Một Chiều 1. Giới Thiệu Bài Toán Trong chương trình học ở các lớp phổ thông, môn Vật Lý điện một chiều có đưa ra một dạng bài tập cho trước một mạch điện một chiều và nhiều điện trở (hoặc bóng đèn, quạt). Các thiết bị tiêu thụ điện này được mắc một cách ngẫu nhiên theo hai hình thức song song hoặc nối tiếp vào mạch điện chính. Từ hai kiểu mắc đơn giản ấy cùng với số lượng thiết bị đủ lớn sẽ làm cho hình dạng của mạch điện trở nên rất đa dạng và phức tạp. Do đó việc giải bài tập cũng trở nên phức tạp theo. Với mục đích hỗ trợ giải bài tập dạng này, bài viết này sẽ đưa ra một cách biễu diễn tri thức linh hoạt dựa trên mô hình COKB [2] để có thể đưa ra các thuật giải tìm lời giải cho bài toán trên. 2. Phân tích vấn đề Như chúng ta đã biết, một mạch điện một chiều sẽ bao gồm các yếu tố đại lượng cơ bản như sau: - R: điện trở của mạch. - I: cường độ dòng điện đi qua mạch. - U: hiệu điện thế ở hai đầu mạch. - P: công suất dòng điện đi qua mạch. - t: khoảng thời gian cho dòng điện chạy. - W: điện năng tiêu thụ của dòng điện sau thời gian t. Các công thức giữa các đại lượng: Các công thức điện trở tương đương cho mạch ghép: - Song song: - Nối tiếp: Cường độ dòng điện tương đương: 5 1 3 2 - Song song - Nối tiếp (7) Hiệu điện thế tương đương: - Song song - Nối tiếp Ví dụ: cho một mạch điện phù hợp với vấn đề như hình vẽ bên Ta thấy ở vị trí có đánh số 1, 2 và 3 là các hình đại diện cho các thiết bị tiêu thụ điện. Ở đây, ta xem như tất cả các thiết bị đó là các điện trở, lần lượt ký hiệu là R1, R2, R3. Ứng với từng điện trở thành phần bên còn có các đại lượng tương ứng U, I, P. Có nghĩa là: - Đối với R1 ta có thêm I1, U1, P1. - Đối với R2 ta có thêm I2, U2, P2. - Đối với R3 ta có thêm I3, U3, P3. Từ hình vẽ trên, ta có thể biểu diễn mạch điện lại theo dạng chuỗi ký tự như sau: (R1 * R2) + R3 Với: - dấu ‘*’ là mắc song song - dấu ‘+’ là mắc nối tiếp Nếu lấy R12 thay thế (R1 * R2), ta có cấu trúc biễu diễn như sau: R12 + R3 6 Và R12 được gọi là điện trở tương đương cho (R1 * R2). Với R12 được tính theo công thức điện trở tương đương song song (4) của R1 và R2 như sau: Các công thức U12 và I12 tương ứng từ công thức (6) và (8): I12 = I1 + I2 U12 = U1 = U2 Tương tự ta có điện trở tương đương R123 của hai điện trở R12 và R3 nối tiếp, cũng là điện trở toàn mạch: R = R123 = R12 + R3 I = I123 = I12 = I3 U = U123 = U12 + U3 Như vậy, ta thấy ngoài các đoạn mạch thành phần cơ bản tương ứng với R1, R2, R3, ta còn có các đoạn thành phần tổng hợp cao hơn tương ứng với các điện trở tương đương, như ví dụ là R12 và mạch chính tương ứng với R. Mỗi đoạn mạch như vậy đều có đầy đủ các yếu tố đơn lẻ như một mạch điện một chiều độc lập: R, U, I, P, W, t và giữa chúng có các mối quan hệ mắc nối tiếp hoặc song song. Từ những quan hệ này ta có thể suy ra được các công thức liên quan đến các yếu tố giữa từng đoạn mạch với nhau. Nói lại mục tiêu đã đề ra, bài toán ta cần giải quyết có dạng cho một cấu trúc mạch điện một chiều xác định và một số yếu tố cho trước của mạch. Yêu cầu của bài toán là tìm một số yếu tố mới chưa biết. Ta thấy mục tiêu này hoàn toàn có thể đạt được với những yếu tố trong mạch cùng với những quan hệ của chúng đã được xác định cụ thể như trên. Phương pháp cho việc tìm lời giải cho bài toán là với những yếu tố đã cho ban đầu, ta áp dụng những quan hệ liên quan đến những yếu tố đó để thu lại được những yếu tố chưa biết. Và cách tố chức để hiện thực phương pháp này có thể dựa trên mô hình COKB được giới thiệu sau đây. 7 Phần 2. Mô Hình Biểu Diễn Tri Thức Các Đối Tượng Tính Toán - COKB 1. Mô hình một đối tượng tính toán Mô hình Cơ Sở Tri Thức Các Đối Tượng Tính Toán (Computational Object Knowledge Base – COKB) có nền tảng dựa trên các Đối Tượng Tính Toán (Computational Object - C-Object). Ta gọi một đối tượng tính toán C-Object là một đối tượng O có cấu trúc bao gồm: A. Một danh sách các thuộc tính Attr(O) = {A 1 , A 2 , , A n } trong đó mỗi thuộc tính lấy giá trị trong một miền xác định nhất định, và giữa các thuộc tính ta có các quan hệ thể hiện qua các sự kiện, các luật suy diễn hay các công thức tính toán B. Các hành vi liên quan đến sự suy diễn và tính toán trên các thuộc tính của đối tượng hay trên các sự kiện như • Xác định bao đóng của một tập hợp thuộc tính A ⊂ Attr(O), tức là đối tượng O có khả năng 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 thể suy 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 Ví dụ 1: Một cấu trúc tam giác với cấu trúc gồm các yếu tố như: - 3 cạnh a, b, c - 3 góc tương ứng với 3 cạnh: α, β, γ - 3 đường cao tương ứng: ha, hb, hc - Diện tích S của tam giác 8 - Nửa chu vi p của tam giác - Bán kính đường tròn ngoại tiếp R của tam giác, - v.v … cùng với các công thức liên hệ giữa chúng như: - Định lý góc trong tam giác - Định lý sin - Định lý cosin - Các công thức tính diện tích - v.v… sẽ trở thành một đối tượng C-object khi ta tích hợp cấu trúc nầy với các hành vi xử lý liên quan đến việc giải bài toán tam giác cũng như các hành vi xem xét một sự kiện nào đó liên quan đến các thuộc tính hay chính bản thân đối tượng.  Như vậy ta là có một đối tượng tam giác. Khi đối tượng tam giác nầy được yêu cầu cho một lời giải cho bài toán {a,B,C} ⇒ S nó sẽ cung cấp một lời giải gồm 3 bước sau đây: Bước 1: Xác định A bởi công thức A = π -B-C; Bước 2: Xác định b bởi công thức b = a.sin(B)/sin(A); Bước 3: Xác định S bởi công thức S = a.b.sin(C)/2; Nếu yêu cầu là giải bài toán {a,B} ⇒ S thì đối tượng sẽ trả lời rằng “không giải được” và nó có thể đề nghị cung cấp thêm thông tin như A, C, b hay c. Ví dụ 2: Một cấu trúc tứ giác với cấu trúc gồm các yếu tố như: - 4 cạnh a, b, c, d - 2 đường chéo - 4 góc - v.v … cùng với các công thức liên hệ giữa chúng và các sự kiện về các quan hệ sẽ trở thành một đối tượng C-object khi ta tích hợp cấu trúc nầy với các hành vi xử lý liên quan đến việc giải bài toán tứ giác cũng như các hành vi xem xét một sự kiện nào đó liên quan đến các thuộc tính hay chính bản thân đối tượng. 9  Như vậy ta có một đối tượng tứ giác. 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 diễn tính toán. - Facts là tập hợp các tính chất hay các sự kiện vốn có của đối tượng. - Rules là tập hợp các luật suy diễn trên các sự kiện liên quan đến các thuộc tính cũng như liên quan đến bản thân đối tượng. Ví dụ 3: Đối tượng tính toán thuộc loại “tam giác” được biểu diễn theo mô hình trên gồm có: • Attrs = { GocA, GocB, GocC, a, b, c, ha, hb, hc, ma, mb, mc, pa, pb, pc, S, p, R, r, ra, rb, rc } • F = { GocA + GocB + GocC = Pi, a*sin(GocB) = b*sin(GocA), a^2 = b^2 + c^2 – 2 * b * c * cos(GocA), . . . } • Facts = {} • Rules = { {GocA=GocB} ⇒ {a=b}, {a=b} ⇒ {GocA=GocB}, {a^2 = b^2+c^2}⇒{GocA=pi/2}, {GocA=pi/2} ⇒ {a^2 = b^2+c^2, b ⊥ c}, } Ví dụ 4: Đối tượng (C-Object) thuộc loại “TU_GIAC” được biểu diễn theo mô hình trên gồm có: • Attrs = { a, b, c, d, c1, c2, GA, GB, GC, GD, . . .} • F = { GA + GB + GC + GD = 2*Pi, a+b+c+d = p, 2*S = a*d*sin(GA)+ b*c*sin(GC), 2*S = a*b*sin(GB)+ c*d*sin(GD), . . . } • Facts = {} • Rules = { {a // c} ⇒ {GD=Pi-GA, GB=Pi-GC, GOC[A,B,D]=GOC[C,D,B], GOC[C,A,B]=GOC[A,C,D]}, 10 [...]... “thông minh” hơn Các tập tin chứa tri thức đề cập ở trên, được đính kèm với với bài viết này trong thư mục tri_ thuc nằm cùng thư mục với bài viết 25 Phần 4 Mô Hình Bài Toán Và Ví Dụ Áp Dụng 1 Mô Hình Bài Toán Ví dụ một mạch điện như hình bên Vấn đề quan trọng nhất cho R1 bài toán là cách biểu diễn mô hình cấu trúc mạch điện cho bài toán R3 một cách tổng quát, linh hoạt sao cho chương trình “hiểu” Từ đó,... yêu cầu bài toán: { [MACH_CO_BAN[R3].I = 4 , MACH_CO_BAN[(R1*R2)].U = 5.72 } Hay ta có: I3 = 4 và U12 = 5.72 29 Kết Luận Bài viết đã trình bày được một ứng dụng của mô hình COKB cho việc biểu diễn tri thức bài toán điện một chiều Với cơ sở tri thức trên, ta có thể kết hợp thêm với bộ máy suy diễn với các thuật toán như suy diễn tiến và suy diễn lùi để xây dựng thành hệ giải các bài toán điện một chiều. .. cách sử dụng mô hình COKB, các tri thức cho dạng bài toán điện một chiều đã đề cập được biễu diễn rõ ràng, tường minh hoàn toàn trong cơ sở tri thức Có nghĩa là cấu trúc mạch là song song hay nối tiếp, dù có đơn giản hay phức tạp, các quan hệ, công thức, cấu tạo mạch đều được thể hiện qua cơ sở tri thức bên ngoài, độc lập với chương trình thực thi Vì vậy khi muốn thêm, bớt, sửa đổi tri thức ta hoàn... phân tích lý thuyết về bài toán mạch điện một chiều ở trên, ta có thể thấy từ mạch cơ bản đến mạch tổng hợp điều phân biệt và xây dựng dựa trên các điện trở cơ bản Và ta có thể xem các mạch tổng hợp nối tiếp hoặc song song là một loại mạch cơ bản dạng đặc biệt có thêm một số tính chất (công thức quan hệ) với các đoạn mạch con (mỗi mạch con có thể xem là một mạch cơ bản) tạo thành mạch tổng hợp đó Vì vậy,... tượng yêu cầu 6) Quay lại bước 1 14 Phần 3 Mô Hình COKB Cụ Thể Cho Tri Thức Điện Một Chiều Ta sẽ sử dụng đầy đủ năm thành phần của mô hình COKB (C,H,R,Ops,Rules) để biểu diễn tri thức Từ sự phân tích lý thuyết bài toán mạch một chiều ở trên, ta có: 1 Tập C – Concepts Tập C chứa các lớp đối tượng (hay khái niệm) C-Object sử dụng trong mô hình Trong đó, mỗi lớp đối tượng ta sử dụng cấu trúc cụ thể như... thức thì bộ phận tri thức là một phần quan trọng nhất Với thiết kế cơ sở tri thức điện một chiều theo mô hình COKB, mô hình biểu diễn tri thức của ta đã hội đủ các tính chất để có thể dễ dàng phát tri n các bộ máy suy diễn Tuy đã cố gắng viết và chỉnh sửa kỹ càng, nhưng chắc chắn bài viết vẫn còn sai sót Do đó, em xin chân thành cám ơn thầy, các anh chị và các bạn đã bỏ thời gian đọc bài viết, và xin... dụng cho hỗ trợ giảng dạy và học tập ở bậc phổ thông Do thời gian có hạn, bài viết chỉ mới dừng lại ở mức thiết kế ứng dụng mô hình COKB vào biểu diễn tri thức cho bài toán đề ra Bước tiếp theo có thể phát tri n từ kết quả này đưa ra được các thuật toán suy diễn cụ thể và cài đặt thử nghiệm Tuy chỉ mới giải quyết được một phần của vấn đề, nhưng trong các hệ tính toán thông minh dựa trên cơ sở tri thức. .. cũng là các điện trở (điện trở tổng hợp) Cho nên ở đây ta sẽ đề xuất một tính chất đặc biệt cho loại đối tượng này là các phép toán (operator) giữa chúng, gồm: - Phép `+`: đại diện cho cách mắc nối tiếp của hai điện trở trong mạch Phép `*`: đại diện cho cách mắc song song của hai điện trở trong mạch  Lưu ý: kết quả trả về của hai phép toán này là một đối tượng DIEN_TRO mang tính chất là một điện trở... {a // c}, {a=c, b=d} ⇒ {a // c, b // d}, } 2 Mô hình COKB Từ nền tảng các đối tượng tính toán C-Object, mô hình tri thức các đối tượng tính toán COKB là một hệ thống (C, H, R, Ops, Rules) gồm: 2.1 Một tập hơp C chứa các khái niệm về các C-Object Mỗi khái niệm là một lớp C-Object có cấu trúc và được phân cấp theo sự thiết lập của cấu trúc đối tượng theo chiều từ đơn giản đến phức tạp như sau: a Các... định của một đối tượng hoặc thuộc tính của đối tượng (3) Sự kiện về sự xác định của một thuộc tính hay một đối tượng thông qua một biểu thức hằng (4) Sự kiện về sự bằng nhau giữa một đối tượng hay một thuộc tính với một đối tượng hay một thuộc tính khác (5) Sự kiện về sự phụ thuộc của một đối tượng hay của một thuộc tính theo những đối tượng hay các thuộc tính khác thông qua một công thức tính toán (6) . của mô hình này, bài viết sẽ trình bày một mô hình biểu diễn tri thức cho bài toán vật lý điện một chiều có áp dụng mô hình COKB. Mô hình thực tế biểu diễn được điều chỉnh cho phù hợp với mô hình. 3. Mô Hình COKB Cụ Thể Cho Tri Thức Điện Một Chiều Ta sẽ sử dụng đầy đủ năm thành phần của mô hình COKB (C,H,R,Ops,Rules) để biểu diễn tri thức. Từ sự phân tích lý thuyết bài toán mạch một chiều. dựa trên mô hình COKB được giới thiệu sau đây. 7 Phần 2. Mô Hình Biểu Diễn Tri Thức Các Đối Tượng Tính Toán - COKB 1. Mô hình một đối tượng tính toán Mô hình Cơ Sở Tri Thức Các Đối Tượng Tính Toán