Преподаватель: доцент кафедры ИУ-5, квн, Кротов Юрий Николаевич - krotjura@gmail.com

Статистика посещения и успеваемости

Лабораторная работа № 1,2

Разработка базы знаний с правилами вывода

1. Цель работы

Ознакомиться с подходом к разработке экспертных систем (ЭС) в части создания основных компонент: базы знаний, машины вывода и диалога (интерфейса) с пользователем.

2. Порядок выполнения работы

2.1. Изучить теорию вопроса.

2.2. Последовательно выполнить все задания к лабораторной работе.

2.3. Проверить правильность выполнения заданий не менее чем на пяти примерах.

2.4. Оформить отчет по лабораторной работе.

3. Задания к лабораторной работе

3.1. Выбрать предметную область и задачу, которая может быть решена с помощью ЭС. Рекомендуется реализовать задачу анализа входных данных и последующего ранжирования вариантов из заранее определенного множества.

3.2. Разбить процесс решения задачи на следующие этапы:

Получение исходных данных (множество P) от пользователя в режиме диалога

Обработка (анализ) полученных данных P для определения атрибутов (множество A) объекта принятия решения O

Принятие решения на основе полученных характеристик A (выбор одного из заранее определенных вариантов решения) и вывод результата пользователю.

Получение новых исходных данных (множество Р) и т.д.

Количественные требования к основным показателям:

P >=20 (Количество параметров, извлекаемых от пользователя, должно быть более 19)

A >=10 (Количество атрибутов, которые характеризуют объект выбора или принятия решения O, должно быть более 9)

P > 2*A (количество исходных данных должно быть больше количества необходимых атрибутов для принятия решения больше как минимум в два раза)

Множество A может только частично (не более чем на 30%) входить в множество P.

Количество вопросов должно быть не меньше количества параметров P.

Альтернативных вариантов для ранжирования должно быть не менее 20 (при невозможности согласовать с преподавателем).

3.3. Разработать вопросы к пользователю и граф диалога.

Необходимо разработать схему разветвленного диалога, содержащего не менее 20 вопросов с двумя или более вариантами ответов. Целью диалога является выявление у пользователя информации, необходимой для расчета, оценки ситуации, выявления целей, желаний или неисправности и т.д.

Одновременно должен задаваться только один вопрос. Варианты допустимых ответов должны оформляться в виде раскрывающего списка, радио кнопок или других не менее функциональных визуальных элементах.

Для двух-трех вопросов должна быть реализована функция ручного ввода ответа. Программа должна быть нечувствительна к регистру вводимого текста, и выдавать подсказку в случае неправильного набора (недопустимого варианта ответа).

Порядок вопросов должен изменяться в зависимости от ответов, т.е. , в зависимости от ответов должны задаваться разные группы вопросов.

Все вопросы должны задаваться в распространенной языковой и по возможности вежливой форме. Например, вместо Цвет?, Размер? должны задаваться указания или вопросы: Выберите цвет автомобиля, Какой размер одежды Вы носите?

3.4. Для хранения исходных, промежуточных и результирующих данных использовать БД.

Для принятия решения ЭС необходимо наличие исходных данных, которые представляют собой группу характеристик и их значения. Эти характеристики могут быть представлены как атрибуты (свойства) реального объекта. Например, объект – правильная геометрическая фигура со свойствами количество ребер, длина ребра, цвет, материал. Характеристики также могут быть представлены как свойства некого абстрактного объекта. Например, объекты заказ, анкета_сотрудника, протокол_ответов.

Необходимо разработать структуры для хранения данных о параметрах P, полученных в ходе ответов на вопросы, об атрибутах A объекта(ов) и, по желанию, о вариантах принятия решения (выбора).

3.5. Разработать вопросно-ответную компоненту БЗ

Важное отличие ЭС от традиционной расчетно-логической программы состоит в отделении алгоритма работы (машины вывода) от базы знаний, которая содержит вопросы, варианты ответов и информацию о последовательности и необходимости задавания вопросов. База знаний должна быть реализована в архитектуре баз данных (напр. таблицах Paradox, XML, объектная БД или текстовый файл). Программа должна работать независимо от содержимого БЗ (в рамках неизменной структуры).

3.6. Разработать правила и реализовать машину вывода.

Необходимо формализовать второй этап принятия решения с помощью системы правил вывода, которые должны быть построены по принципу простой продукции ЕСЛИ …, ТО …

Обязательным требованием является наличие правил, реализующих одновременно несколько посылок.

Правила должны храниться в отдельной структуре (таблице) БЗ.

Если условие применения одного правила зависит от результатов использования других правил, то необходимо задать соответствующий порядок (очередность). Альтернативой этому является повторная проверка выполнимости всех правил после срабатывания хотя бы одного из них.

В общем случае необходимость и очередность вопросов может определяться на основе применения группы правил. Для реализации этого механизма имеет смысл объединить правила для вопросов и правила определения новых параметров. При вероятностном или нечетком выводе можно использовать операцию приращения/уменьшения значения параметра.

3.7. Реализация принятия решения

Эта часть работы относится к третьему этапу решения задачи. Она может быть реализована произвольно с использованием стандартного подхода к разработке расчетно-логических систем в рамках тела программы или в виде дополнительного механизма с использование БЗ.

Разработать прототип экспертной системы можно с использованием платформы размещенной на сайте http://expert.ktsstudio.com/

4. Содержание отчета

• Название и цель работы

• Задание

• Краткое описание предметной области и выбранной задачи

• Перечень параметров, атрибутов и их допустимых значений

• Перечень вопросов, вариантов ответов и граф диалога

• Правила получения атрибутов A из множества исходных параметров P

• Алгоритм принятия решения (выбора) со схемой

• Алгоритм работы программы (по 3 частям)

• Структура БЗ (логическая и физическая модель данных в архитектуре реляционных или объектных БД)

• Подробный алгоритм работы программы с БЗ

• Подробная инструкция по работе с БЗ и ЭС

• Выводы по работе (внимание уделить масштабируемости базы и смене предметной области)

Лабораторная работа № 3

Решение задач с использованием искусственных нейронных сетей

1. Цель и задачи лабораторной работы

Целью лабораторной работы является углубление и закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях, приобретение практических навыков самостоятельного исследования при решении задач выбора, обучения и работы искусственных нейронных сетей (ИНС).

В процессе выполнения лабораторной работы по теме «Решение задач с использованием искусственной нейронной сети» студенты решают следующие задачи (задания):

- описывают предметную область и выбирают решаемую задачу (предпочтение должно отдаваться задачам практической направленности);

- определяют множество обучающих примеров;

- в зависимости от решаемой задачи выбирают структуру ИНС;

- выбирают алгоритм обучения ИНС;

- проводят обучение ИНС на тестовом множестве примеров с помощью выбранного алгоритма обучения;

- исследуют работу обученной ИНС в режиме распознавания.

2. Задание к лабораторной работе

2.1. Разработать (или использовать готовую) программу, которая обучает ИНС распознавать черно-белое (bitmap) изображение, состоящее не менее чем из 35 пикселей (матрица 5х7). При этом, ИНС должна иметь входы, ассоциированные с пикселями матрицы, и выход(ы), количество которых соответствует решаемой задаче и выбранной архитектуре.

2.2. В написанной или выбранной программе должна быть реализована возможность задания множества обучающих примеров в виде образов (n матриц размерностью 5х7), а также изменения величины коэффициента скорости обучения. Программа должна предусматривать два режима работы: обучения и распознавания. Обучение должно производиться с использованием алгоритма, соответствующего архитектуре выбранной для решения задачи ИНС. Вероятность распознавания обученной ИНС должна быть не менее 65%.

3. Содержание отчета по лабораторной работы

3.1. Название и цель работы.

3.2. Задание.

3.3. Описание предметной области и выбранной задачи.

3.4. Структура, основные параметры выбранной ИНС и блок-схема алгоритма обучения

3.5. Описание программы, ее ключевые особенности и новшества.

3.6. Протоколы проведенных экспериментов, с указанием погрешности распознавания.

3.7. Развернутые выводы в рамках изучаемой темы и дисциплины, основные полученные результаты работы, возникшие трудности и пути их преодоления.

3.8. Используемые источники и литература.

4. Порядок выполнения работы

4.1. Изучить теоретические положения по выбору, обучению и работе ИНС.

4.2. Последовательно выполнить все задания лабораторной работы в соответствии с п. 1.

4.3. Проверить правильность выполнения заданий не менее чем на 20-30 примерах. Сделать выводы.

4.4. Оформить отчет по лабораторной работе в соответствии с п. 3.

Сроки получения, сдачи и порядок защиты лабораторной работы

Лабораторная работа выполняется в период с 9 по 13 неделю. Выбор предметной области, решаемой задачи, алгоритма обучения, результаты работы ИНС и т.д. согласовываются с преподавателем по электронный почте и на консультациях.

К защите лабораторной работы необходимо представить:

1. Отчет по лабораторной работе в электронном виде (файл: "РТ71 ЛР1 Петров А В.docx") и титульный лист в бумажном.

2. Презентацию защиты лабораторной работы (в формате .pptx, объемом 6-8 слайдов, структура – см. п. 3), в краткой форме представляющая основные результаты проведенного исследования.

Особое внимание при защите следует уделить формулировке выводов, которые должны отражать основные полученные результаты работы, возникшие трудности и теоретические пути их преодоления.

На защите в готовности ответить на контрольные вопросы по теме работы (неправильный ответ на ДВА вопроса подряд - идете дополнительно готовиться, в этот день больше не принимаю по этой работе).

В особых случаях, после предварительных консультаций, преподаватель может самостоятельно определять предметную область, постановку и исходные данные задач повышенной трудности. При этом порядок защиты работы не меняется, а сроки ее выполнения согласовываются.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Решение оптимизационных задач с помощью генетических алгоритмов. Срок сдачи - 15 неделя.

В лабораторной работе по курсу «Методы поддержки принятия решений» на примере решения оптимизационной задачи большой размерности с помощью генетического алгоритма, исследуется работа операторов деления, скрещивания и мутации.

Введение

Лабораторная работа «Решение оптимизационных задач с помощью генетических алгоритмов» - это самостоятельная практическая работа студентов, которую они выполняют в 7-м семестре, в период с 13 по 15 неделю.

1. Цель и задачи лабораторной работы

1.1. Целью лабораторной работы является углубление и закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях, приобретение практических навыков самостоятельной работы при решении оптимизационных задач больших размерностей с помощью генетических алгоритмов.

1.2. В процессе выполнения лабораторной работы по теме «Решение оптимизационных задач с помощью генетических алгоритмов» на примере задач согласно варианту Приложение 1 студенты решают следующие задачи (задания):

- описывают предметную область;

- определяют исходные данные задачи;

- формулируют задачу и исходные данные в терминах генетических алгоритмов;

- определяют последовательность работы генетического алгоритма;

- разрабатывают компьютерную программу;

- исследуют работу генетического алгоритма и полученное решение.

2. Задание к лабораторной работе

2.1. Сформулировать задачу и описать исходные данные в терминах генетических алгоритмов.

2.2. Разработать программу, которая осуществляет поиск наиболее оптимального варианта с помощью генетического алгоритма.

2.3. При проведения серии экспериментов (не меньше 10) по исследованию работы генетического алгоритма программа должна позволять пользователю задавать размерность матрицы растояний, вносить изменения в матрицу растояний, менять топологию сети, а также должны отображаться все решения (хромосомы) одного поколения до и после применения каждого оператора (скрещивания, селекции, редукции и мутации). Переход к следующему поколению должен осуществляться: 1. в автоматическом режиме в соответствии с заданным критерием; 2. в ручном режиме.

Рекомендации

А) В качестве хромосомы выбрать постоянную по длине последовательность вершин или дуг. Длина дуги - произвольная, но не меньше, чем N–2, где N –общее количество компьютеров в сети.

Б) Для упрощения расчетов граф сети следует сделать полносвязным (каждая пара вершин имеет связь). При отсутствии связи (соединения) вес дуги следует выбрать очень большим, а для петли (дуги, соединяющей вершину с самой собой) – значение веса равное 0. Это позволит искать пути, меньшие по длине, чем размер хромосомы.

В) Если в качестве хромосомы используется последовательность вершин (узлов сети), то необходимо либо:

- исключить первую и последнюю вершину (т.е. задавать только вершины пути);

- либо не изменять в результате применения генетических операторов первую и последнюю вершины;

- либо реализовать направленный оператор мутации, который всегда устанавливает заданные на входе вершины, соответствующие компьютеру-отправителю и компьютеру-получателю.

Г) В качестве генов допускается использование чисел в десятеричной системе.

Д) Если в исходной популяции не представлены все возможные вершины (гены), то они могут появиться только в результате мутации, поэтому рекомендуется в начальной выборке представить весь генофонд.

Е) Если выбранный алгоритм скрещивания меняет только правую (левую) часть хромосомы или только 4 гена из 10, то его эффективность невысока (т.к. часть генов не будет изменяться), а получение решения в большей степени будет зависеть от оператора мутации и начальной популяции, сформированной случайным образом.

3. Содержание отчета по лабораторной работы

3.1. Название и цель работы.

3.2. Задание.

3.3. Описание предметной области и выбранной задачи.

3.4. Формулировка задачи, описание исходных данных в терминах генетических алгоритмов и блок-схема генетического алгоритма.

3.5. Описание программы, ее ключевые особенности и новшества.

3.6. Протоколы проведенных экспериментов.

3.7. Выводы.

3.8. Используемая литература.

4. Порядок выполнения работы

4.1. Изучить теоретические положения по работе и применению генетических алгоритмов.

4.2. Последовательно выполнить все задания лабораторной работы в соответствии с п. 2, 3.

4.3. Обосновать правильность решения на основе анализа не менее чем 10 примеров. Сделать выводы.

4.4. Оформить отчет по лабораторной работе в соответствии с п. 3.

Сроки получения, сдачи и порядок защиты лабораторной работы

Лабораторная работа выполняется в период с 14 по 17 неделю. Вопросы выбора модификации, определения параметров операторов генетического алгоритма, критерии отбора и т.д. согласовываются с преподавателем на консультациях.

К защите лабораторной работы необходимо представить:

1. Программу корректно выполняющую заданные в задании функции.

2. Отчет по лабораторной работе в бумажном и электронном виде.

3. Презентацию защиты лабораторной работы (в формате .pptx, объемом 6-8 слайдов, структура – см. п. 3), в краткой форме представляющая основные результаты проведенного исследования.

Особое внимание при защите следует уделить формулировке выводов, которые должны отражать основные полученные результаты работы, возникшие трудности и теоретические пути их преодоления.

В особых случаях, после предварительных консультаций, преподаватель может самостоятельно определять студентам предметную область, постановку и исходные данные задач повышенной трудности. При этом порядок защиты работы не меняется, а сроки ее выполнения согласовываются.

Приложение 1 Варианты задания на лабораторную работу № 4