Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики

О.С. Амосов, Н.В. Колесов,

Д.С. Магола, О.А. Степанов

Интеллектуальные технологии в задачах управления

и навигации

(Компьютерный практикум)

Санкт-Петербург

2012 г.

Оглавление

1. Компьютерный практикум по экспертным системам 2

1.1. Экспертная оболочка KAPPA – инструментальное средство разработки экспертных систем 2

1.1.1. Представление знаний и интерфейс в системе KAPPA 3

1.1.2. Редакторы знаний и функции системы KAPPA 5

1.1.3. Основные этапы разработки объектной модели 7

1.1.4. Построение функциональной модели с использованием продукционных правил 10

1.1.5. Средства отладки базы знаний 14

1.1.6. Средства создания интерфейса с пользователем. Окно сеанса (Session Window) 18

1.1.7. Средства объяснений оболочки KAPPA 20

1.2. Практическое задание 20

1.2.1. Разработка и программирование объектной модели предметной области 22

1.2.2. Разработка и программирование функциональной модели предметной области 27

2. Компьютерный практикум по нечетким системам 33

2.1. Аппроксимация функции одной переменной с использованием нечеткой системы 33

2.2. Построение элементарной нечеткой экспертной системы 40

2.3. Программирование нечеткой системы в среде MATLAB с использованием встроенных функций 51

2.4. Кластеризация с помощью алгоритма нечетких центров 56

3. Компьютерный практикум по нейронным сетям 67

3.1. Аппроксимация функции на основе нейронных сетей 67

3.2. Использование инструмента NNTool для построения нейронной сети 70

3.3. Кластеризация с помощью нейронных сетей 78

3.4. Рекуррентные нейронные сети Хопфилда и Хэмминга 87

3.5. Нейронные сети радиально-базисных функций. Вероятностные сети 91

3.6. Построение нейронечеткой модели с помощью ANFIS-редактора 95

Приложение 1. Функции пакета «Fuzzy Logic Toolbox» системы MATLAB для работы с системами нечеткой логики 101

Приложение 2. Функции пакета «Neural Network Toolbox» системы MATLAB для работы с нейронными сетями 104

1. Компьютерный практикум по экспертным системам

1. Экспертная оболочка KAPPA – инструментальное средство разработки экспертных систем

1. Представление знаний и интерфейс в системе KAPPA

Экспертная оболочка (ЭО) KAPPA версии 1.2 предназначается для построения ЭС. Она является экспертной оболочкой общего назначения и содержит все программные компоненты ЭС. При работе с ней в задачу пользователя входит лишь разработка БЗ и необходимого для его прикладной задачи интерфейса.

В оболочке KAPPA для представления знаний используются две модели – объектно-ориентированная модель и продукционные правила. В результате объектная модель предметной области может быть представлена в виде иерархии классов и объектов, а функциональная модель – в виде продукционных правил.

Для описания свойств классов и объектов используются слоты. На множестве классов и объектов осуществляется наследование свойств. Благодаря этому общие для классов (объектов) свойства могут быть определены один раз (в одном классе), а все потомки этого класса унаследуют их. Возможна отмена этого наследования.

Процессы, происходящие в предметной области, отражаются в БЗ оболочки КАРРА тремя способами.

1. Методы (присоединенные к объектам процедуры). Используются для описания поведения слотов. Методы создаются на языке KAPPA-приложений KAL (КАРРА Application Language).

2. Функции. В системе КАРРА содержится более 240 стандартных (встроенных) функций для мани­пулирования БЗ. Также можно создавать свои собственные функции на Си или KAL.

3. Правила. Позволяют отражать шаги моделируемого процесса, осуществлять логический вывод на основании текущего состояния объектов.

Синтаксическая основа правил, методов и функций одинакова и определяется синтаксисом языка КАРРА –приложений.

Интерфейс системы KAPPA. По­сле запуска системы KAPPA на экране появляются три окна: главное (KAPPA-(untitled)), окно просмотра иерархии объектов (Object Browser) и окно инструментов зна­ний (Knowledge Tools или KTools).

Главное окно содержит основное меню системы KAPPA (File, Edit, Windows и Options) и панель иконок для быстрого доступа к другим окнам оболочки. Кроме того, в этом окне скрыта еще одна часть - комментарии к приложению.

Основное меню является стандартным для Windows-приложений. Оно содержит четыре пунк­та: для работы с файлами, редактирования комментария для разработанного при­ложения, манипулирования окнами системы КАРРА, включения/отключения видимости комментария к приложению. Заметим, что при открытии/закрытии файла необходимо выбрать его формат - bin или kal (bin - двоичный, kal - ASCII-файл, подобный txt-файлу). Одновременно может быть открыт только один bin-файл.

Меню Окна (Windows) содержит 7 постоянных пунктов, которые позволяют скрыть (Hide) или показать (Show) рабочие окна системы КАРРА, среди которых:

• Окно просмотра иерархии объектов (Object Browser). С помощью этого окна можно просматривать и модифицировать классы и объекты модели, а также связи между ними, которые наглядно представлены деревом иерархии.

• Окно инструментов знаний (Knowledge Tools). Окно инструментов знаний (The Knowledge Tool Window) обеспечивает доступ ко всем элементам знаний в системе KAPPA - классам, объектам, функциям, правилам и целям, позволяет их создавать, модифицировать, переименовывать и уничто­жать. Кроме того, в этом окне отражается количество всех перечисленных элементов в текущей БЗ (справа, в скобках). Все типы элементов представлены иконками, выбор од­ной из которых вызывает появление меню New/Edit/Delete/Rename.

• Окно интерпретатора языка системы КАРРА (KAL Interpreter). Окно позволяет интерпретировать Kal-выражения, является альтернативой редакторам знаний и Окну иерархии объектов, а также механизмом тестирования Kal-выражений. В этом окне можно выполнить любую корректную функцию, что позволяет быстро проверить правильность ее написания и работы.

• Окно сеанса (Session). Для конечного пользователя KAPPA -приложений это окно является основным элементом интерфейса. Разработчик приложения может настроить Session в соответствии с решаемой задачей, что облегчит взаимодействие пользователя с системой. КАРРА.

• Окно связи правил (Rule Relations). В этом окне можно просматривать связи правил, возникающие в процессе логического вывода.

• Окно трассировки правил (Rule Tracing). Это окно позволяет просматривать процесс рассуждения поэтапно, т.е. является инструментом отладки (трассировки) системы правил.

• Окно просмотра иерархии выводов (Inference Browser). Позволяет просматривать в графической форме правила, активизируемые в процессе рассуждения, т.е. направление вывода решения (сразу после окончания процесса рассуждения). Это окно можно использовать для обнаружения ошибок в используемой БЗ.

Открыть эти окна можно также выбором соответствующей иконки в главном окне системы КАРРА.