Разработка экспертной системы с нечеткими переменными в правилах вывода в программной среде GURU
Автор: Зайцева Т.В., Путивцева Н.П., Иценко А.Ю., Иценко М.Ю.
Журнал: Теория и практика современной науки @modern-j
Рубрика: Математика, информатика и инженерия
Статья в выпуске: 8 (38), 2018 года.
Бесплатный доступ
В статье приводится пример разработки демонстрационного прототипа экспертной системы в программной среде GURU. Построено и представлено в графическом виде дерево целей для разрабатываемой экспертной системы. Реализована экспертная система с нечеткими переменными в правилах вывода в среде GURU. Приведен пример тестирования разработанного прототипа экспертной системы.
Экспертная система, демонстрационный прототип, нечеткая логика, фактор уверенности, связанные аргументы
Короткий адрес: https://sciup.org/140273738
IDR: 140273738
Текст научной статьи Разработка экспертной системы с нечеткими переменными в правилах вывода в программной среде GURU
В продукционных моделях для обработки неопределенностей, в качестве основных, используются методы обработки условных вероятностей Байеса или методы нечеткой логики Заде.
Нечеткая логика Заде использует факторы уверенности, представляющие собой экспертные оценки определенности фактов и применения правил. Факторы уверенности могут отображать степень важности аргументов в процессе вывода заключений. Для получаемых результатов факторы уверенности определяют порядок достоверности результата, а не точность, что, тем не менее, является приемлемым для большинства задач.
Факторы уверенности измеряются по некоторой относительной шкале, например, для GURU от 0 до 100. Сумма факторов уверенностей некоторых альтернативных значений не всегда может составлять 100.
Множество возможных значений некоторой переменной с различными факторами уверенностей для каждого значения составляет нечеткое множество вида: { x1 cf1, x2 cf2, ⋅⋅⋅ , xK cfK }. ⋅ В общем виде фактор уверенности задается функцией принадлежности значений нечеткому множеству.
Значения факторов уверенности задаются пользователем при описании конкретной ситуации, а факторы уверенности применения правил определяются инженерами знаний совместно с экспертами при наполнении базы знаний.
Объединение факторов уверенности для конъюнктивно или дизъюнктивно связанных аргументов происходит в соответствии со следующими зависимостями:
-
- Конъюнкция (Х1 и Х2): min (cfX1, cfX2) или cfX1 ⋅ cfX2/100
-
- Дизъюнкция (Х1 или Х2): max (cfX1, cfX2) или cfX1 + cfX2 – cfX1 ⋅ cfX2/100.
Для демонстрации возможностей среды GURU разработаем демонстрационный прототип экспертной системы по выбору производителя холодильника, для чего необходимо построить дерево целей для разрабатываемой экспертной системы, реализовать экспертную систему с нечеткими переменными в правилах вывода в среде GURU и протестировать ее.
Назначение разрабатываемой ЭС – выбор предпочитаемого производителя холодильника с учетом требуемого набора параметров (основных, дополнительных и эксклюзивных).
Наличие автоматической системы оттаивания и циркуляции воздушного потока, а также некоторых дополнительных характеристик (в особенности, поддона для льда) являются наиболее характерным для многих моделей холодильников. Рассматривается также наличие некоторых эксклюзивных характеристик.
По сформированным требованиям к модели холодильника из базы данных будут отбираться предпочитаемые производители.
В качестве исходных данных были выбраны следующие:
-
- Производители: Siemens, Bosch, AEG, Electrolux, Miele, Vestfrost, Ока, ОРСК;
Выбор производителя осуществляется в зависимости от: основных, дополнительных, эксклюзивных характеристик моделей холодильников.
-
- Основные характеристики: автоматическая система оттаивания (No Frost), циркуляция воздушного потока;
-
- Дополнительные характеристики: система быстрого замораживания продуктов (Super Frost), поддон для льда, цифровой индикатор температур;
-
- Эксклюзивные характеристики: функция «защита от детей», зона сохранения свежести (Biofresh).
Концептуализация проблемной области сведем к построению семантической сети в виде графа (рисунок 1).
Рассмотрим имеющиеся модели холодильников различных производителей. Данные приведены в таблице 1.
дополнительные характеристики
основные характеристики
No Циркуляция
Frost воздушного потока
Поддон Цифровой для льда идикатор температур
Super Frost
эксклюзивные характеристики
Функция "защита от детей1
Рисунок 1 – Концептуальная модель задачи
Таблица 1 – Сводная таблица критериев
|
Критерии |
Ф.з.д. |
Bio |
Ц.и.т. |
SF |
NF |
Ц.в.п. |
П.л. |
|
|
1 |
Siemens KG 39P321 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
2 |
Bosch KGS 39V01 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
3 |
AEG S 70402KG |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
4 |
Miele KF 5878 SD |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
5 |
Electrolux ERB 39367W1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
6 |
Vestfrost FW 256M AL |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
7 |
Siemens KG 39P390 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
8 |
Electrolux_ER_1371 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
9 |
AEG SK 91240 3I |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
10 |
Vestfrost VKG 371 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
11 |
Siemens KG 33S115 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
12 |
Siemens KG 26S115 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
13 |
Vestfrost BKF 155 AL |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
14 |
Siemens KI 28SA40 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
15 |
Vestfrost BKF 202 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
16 |
Siemens KG 44U186 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
17 |
Ока 118 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
18 |
Ока 311 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
19 |
ОРСК 111 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
20 |
Vestfrost FZ 347 M ST |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
21 |
AEG AU 86050-4I |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
22 |
AEG SU 43040-4I |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
23 |
Miele KF 5880 SD |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
Где Ф.з.д. – функция «защита от детей»
Bio – зона сохранения свежести (Biofresh)
Ц.и.т. – цифровой индикатор температур
SF – система быстрого замораживания продуктов (Super Frost)
NF – автоматическая система оттаивания (No Frost)
Ц.в.п. – циркуляция воздушного потока
П.л. – поддон для льда
Если у модели холодильника присутствует данная характеристика, то ставится 1, иначе – 0 .
Далее характеристики сгруппировали по ранее обозначенным признакам (рисунок 2).
|
Основные |
Дополнительные |
Эксклюзивные |
|||||||||||||||
|
Фл.д. |
BlQ |
Ц.Н.Т. |
SF |
NF |
Ц.ВЛ. |
ПЛ |
NF |
Ц.В.П. |
SF |
П.Л. |
Цлл. |
Ф.З.Д. |
Bio |
ОДЭ |
|||
|
] |
Siemens KG 39P321 |
1 |
0 |
1 |
[ |
0 |
1 |
1 |
1 |
a |
1 |
1 |
I |
1 |
1 |
0 |
in |
|
Bosch KGS 39V01 |
0 |
0 |
0 |
l |
0 |
1 |
1 |
0 |
I |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
110 |
||
|
3 |
AEG S 70402KG |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
3 |
0 |
1 |
0 |
0 |
I |
1 |
1 |
101 |
|
4 |
Miele KF <878 SD |
0 |
0 |
1 |
0 |
9 |
1 |
0 |
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
100 |
|
|
5 |
ElK1iotoxERB 39367Wl |
1 |
1 |
0 |
I |
0 |
0 |
1 |
5 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
on |
|
6 |
Vestfrost F"'2 56M AL |
0 |
1 |
0 |
0 |
I |
1 |
1 |
6 |
I |
I |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
101 |
|
Siemens KG 39P390 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
7 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
I |
0 |
111 |
|
|
8 |
ElecliohixER 1371 |
a |
1 |
1 |
[ |
D |
0 |
0 |
8 |
0 |
0 |
I |
0 |
1 |
0 |
1 |
Oil |
|
9 |
AEG SK 9124031 |
i |
] |
1 |
1 |
1 |
0 |
9 |
1 |
I |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
111 |
|
|
10 |
VestfrortVKO371 |
i |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
10 |
1 |
1 |
0 |
I |
0 |
1 |
1 |
101 |
|
II |
Siemens KG 33S115 |
1 |
G |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
II |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
t |
0 |
Oil |
|
12 |
Siemens KG 26S1I5 |
0 |
1 |
0 |
[ |
0 |
0 |
1 |
12 |
a |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
011 |
|
В |
Vestfrost BKF 155 AL |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
13 |
i |
i |
0 |
0 |
i |
0 |
1 |
101 |
|
14 |
Siemens KI 28SA40 |
0 |
1 |
1 |
I |
0 |
1 |
1 |
14 |
0 |
1 |
1 |
1 |
i |
0 |
1 |
111 |
|
15 |
Vestfrost В KF 202 |
0 |
0 |
0 |
I |
0 |
0 |
1 |
15 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
и |
010 |
|
16 |
Siemens KG 44U186 |
1 |
0 |
0 |
I |
1 |
1 |
1 |
16 |
1 |
i |
1 |
1 |
6 |
1 |
0 |
Hi |
|
Г |
OtallS |
0 |
0 |
0 |
1 |
D |
0 |
1 |
17 |
0 |
9 |
1 |
1 |
n |
0 |
0 |
010 |
|
18 |
ОкаЗН |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
18 |
0 |
a |
0 |
1 |
I |
0 |
0 |
010 |
|
19 |
ОРСК III |
a |
0 |
0 |
0 |
I |
1 |
0 |
19 |
1 |
i |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
100 |
|
20 |
Vestfrost FZ 347 м ST |
i |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
20 |
I |
i |
0 |
0 |
0 |
I |
0 |
101 |
|
21 |
AEG AU 86050-41 |
] |
0 |
0 |
0 |
[ |
0 |
1 |
21 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
I |
0 |
101 |
|
-f |
AEG SU 43040-41 |
1 |
0 |
a |
0 |
1 |
0 |
0 |
22 |
1 |
:■ |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
101 |
|
23 |
Miele KF' <880 SD |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
23 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
110 |
Рисунок 2 – Группировка критериев
Значение ОДЭ (основные, дополнительные, эксклюзивные) получили следующим образом:
-
- первый разряд ОДЭ: если хотя бы одна из двух характеристик имеется (присвоена ей 1), то ставится 1, иначе – 0;
-
- второй разряд ОДЭ: если имеется не менее двух из трех характеристик (присвоены им 1), то ставится 1, иначе – 0;
-
- третий разряд ОДЭ: если хотя бы одна из двух характеристик имеется (присвоена ей 1), то ставится 1, иначе – 0.
Таким образом, получили следующую таблицу с данными:
Далее рассматривается каждый из производителей в отдельности. Рассчитывается процент моделей конкретного производителя с соответствующим значением ОДЭ.
Например, для моделей холодильников Siemens характерны такие наборы ОДЭ, как 111 и 011. При этом 4 модели из 6 данного производителя имеют ОДЭ 111 (67%), а 2 модели – ОДЭ 011 (33%).
Таким образом, получили следующую таблицу с результатами вычислений (таблица 2).
Таблица 2 – Соответствие производителей холодильников со значениями ОДЭ
|
Siemens |
Bosch |
AEG |
Electrolux |
Miele |
Vestfrost |
Ока |
ОРСК |
|
|
111 |
67% |
0% |
25% |
0% |
0% |
0% |
0% |
0% |
|
110 |
0% |
100% |
0% |
0% |
50% |
0% |
0% |
0% |
|
011 |
33% |
0% |
0% |
100% |
0% |
0% |
0% |
0% |
|
010 |
0% |
0% |
0% |
0% |
0% |
20% |
100% |
0% |
|
100 |
0% |
0% |
0% |
0% |
50% |
0% |
0% |
100% |
|
101 |
0% |
0% |
75% |
0% |
0% |
80% |
0% |
0% |
По данной таблице была сформирована база знаний.
GOAL: PR_XOL
INITIAL:
e.rigr="a" e.unkn=40 OsnXar=unknown
DopXar=unknown EksXar=unknown input NF str with "No Frost: +/-"
input CVP str with "Cirkuljacija vozdushnogo potoka: +/-"
input SF str with "Super Frost: +/-"
input PL str with "Poddon dlja lda: +/-"
input CIT str with "Cifrovoi indikator temperatur: +/-"
input FZD str with "Funkcija zashiti ot detei: +/-"
input BF str with "Biofresh: +/-"
DO:
? "Recommendation:", PR_XOL
? valn(PR_XOL,1), " cf:", cfn(PR_XOL,1)
? valn(PR_XOL,2), " cf:", cfn(PR_XOL,2)
RULE:R1
IF: OsnXar=true and DopXar=true and EksXar=true
THEN: PR_XOL={"Siemens" cf 67, "AEG" cf 25}
RULE:R2
IF: OsnXar=true and DopXar=true and EksXar=false
THEN: PR_XOL={"Bosch" cf 100, "Miele" cf 50}
RULE:R3
IF: OsnXar=false and DopXar=true and EksXar=true
THEN: PR_XOL={"Electrolux" cf 100, "Siemens" cf 33}
RULE:R4
IF: OsnXar=false and DopXar=true and EksXar=false
THEN: PR_XOL={"Ока" cf 100, "Vestfrost" cf 20}
RULE:R5
IF: OsnXar=true and DopXar=false and EksXar=false
THEN: PR_XOL={"ОРСК" cf 100, "Miele" cf 50}
RULE:R6
IF: OsnXar=true and DopXar=false and EksXar=true
THEN: PR_XOL={"Vestfrost" cf 80, "AEG" cf 75}
RULE:R7
IF: NF="+" or CVP="+"
THEN: OsnXar=true
RULE: R8
IF: NF="-" and CVP="-"
THEN: OsnXar=false
RULE: R9
IF: (SF="+" and PL="+" and CIT="+") or (SF="+" and PL="+" and
CIT="-") or (SF="+" and PL="-" and CIT="+") or (SF="-" and PL="+" and CIT="+")
THEN: DopXar=true
RULE: R10
IF: (SF="-" and PL="-" and CIT="-") or (SF="-" and PL="-" and
CIT="+") or (SF="+" and PL="-" and CIT="-") or (SF="-" and PL="+" and
CIT="-")
THEN:
DopXar=false
RULE: R11
IF: FZD="+" or BF="+"
THEN: EksXar=true
RULE: R12
IF: FZD="-" and BF="-"
THEN: EksXar=false
END:
Было проведено тестирование экспертной системы, один из результатов тестирования представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Результаты тестирования экспертной системы
Разработка прототип экспертной системы позволила изучить возможности использования нечетких переменных в правилах вывода в программной среде GURU, а также объединения факторов уверенности для конъюнктивно или дизъюнктивно связанных аргументов (критериев).
Список литературы Разработка экспертной системы с нечеткими переменными в правилах вывода в программной среде GURU
- Зайцева Т.В. Алгоритм перевода коэффициентов нечеткой логики в коэффициенты уверенности при разработке экспертной системы в среде GURU [Текст] / Т.В. Зайцева, Е.В. Нестерова, С.В. Игрунова и др. // Вопросы радиоэлектроники. - Серия ЭВТ. - Выпуск 1. - 2012. - С. 112-119.
- Еремеев А.П. Проектирование экспертных систем средствами инструментальной системы GURU [Текст] / А.П. Еремеев. - М.: Издательство МЭИ, 1996. - 52 с.
