二、模糊傳感器的研究意義

 

傳統的傳感器是數值傳感器，它將被測量映射到實(shí)數集中，以數值符號來(lái)描述被測量狀態(tài)，即對被測對象給以定量的描述。這種方法既精確又嚴謹，還可以給出許多定量的算術(shù)表達式，但隨著(zhù)測量領(lǐng)域的不斷擴大與深化，由于被測對象的多維性，被分析問(wèn)題的復雜性或信息的直接獲取、存儲方面的困難等等原因，只進(jìn)行單純的數值測量且對測量結果以數值符號來(lái)描述，這樣做有很大缺陷，例如：

 

（1）某些信息難以用數值符號來(lái)描述。例如在產(chǎn)品質(zhì)量評定中，人們常用的是“優(yōu)”、“次優(yōu)”、“合格”、“不合格”，也可用數字1，2，3，4來(lái)描述，但數字在這里已失去通常的測量值的意義，它僅作為一個(gè)符號，不能來(lái)表征被測實(shí)體的具體特征。

 

（2）很多數值化的測量結果不易理解。如在測量人體血壓時(shí)，人們更關(guān)注的是：老年人的血壓是否正常，青年人的血壓是否偏高。而實(shí)測的數據往往不能被普通人讀懂，因而滿(mǎn)足不了人們的需求。

 

因此，有待用新的測量理論和方法來(lái)補充。模糊傳感器正是順應人類(lèi)的生活實(shí)踐、生產(chǎn)與科學(xué)實(shí)踐的需要而提出的。

 

 

三、模糊傳感器的理論基礎

 

1、符號化表示原理

 

模糊語(yǔ)言是人類(lèi)表述語(yǔ)言的一種，因為人們對自然界事物的認識存在著(zhù)一定的模糊性，用模糊符號來(lái)表述信息具有較為簡(jiǎn)單、方便，且易于進(jìn)行高層邏輯推理等優(yōu)點(diǎn)。模糊符號化表示就是利用模糊數學(xué)的理論和方法，借助于專(zhuān)門(mén)的技術(shù)工具，把測量得到的信息，用適合人們模糊概念的模糊語(yǔ)言符號加以描述的過(guò)程。符號是信息的載體，是對一個(gè)物體或事件狀態(tài)的描述，它定義了實(shí)體的特征屬性或實(shí)體間的關(guān)系。設Q為數值域，S為語(yǔ)言域，在各自的論域上有若干個(gè)元素qi、si，且表示為：

 

Q＝〈q1，q2，…〉 qi∈Q （1）

 

S＝〈s1，s2，…〉 si∈S （2）

 

同時(shí)，在論域Q和S上分別定義一組關(guān)系族：

 

R=〈R1，R2， …，Rn〉 Ri Q×Q×…×Q （3）

 

P=〈P1×P2×…×Pn〉 Pi S×S×…×S （4）

 

并且定義=〈Q，R〉，L=〈S，P〉

 

其中，D—對象關(guān)系系統，描述數值域元素及其相互關(guān)系；

 

L—符號關(guān)系系統，描述符號域元素及其相互關(guān)系。

 

設有兩個(gè)映射M和F，M：Q→S，使得Si=M（qi），F:R→P，使得Pi=F（Ri）成立，且M Q×S和（qi，si） M，則稱(chēng)si是qi的一個(gè)符號。si的含義是qi從數值域下向語(yǔ)言域映射的投影，而對每一次測量qi，符號si成為qi的描述。

 

如果F映射是一對一映射，而M映射是同態(tài)映射，那么一定存在逆映射：F-1（Pi）＝Ri，M-1（si）＝qi。M映射可以是“單對單”或“多對單”映射。那么，在后一種情況下，符號域中的一個(gè)符號經(jīng)M-1映射在數值域對應出的不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)“子域”。因此，模糊符號化表示有一定的局限性，即在不同測量結構下，同一測量子集的元素對應不同的符號；或在同一測量結構下，存在測量子集的一些元素同時(shí)對應于不同的符號的情況。這一局限性可通過(guò)基于多值邏輯理論的多值符號化測量來(lái)彌補。其基本思想是：在實(shí)體測量集中，根據對實(shí)體的某一特征表現程度的不同，把測量子集Q中的元素按特征隸屬度最大歸類(lèi)于某一子集，忽略其他特征的表現，因此只要在測量集上對實(shí)體集選取適當多個(gè)特征表示，使之與測量集中的元素相對應，就可把Q分成有限個(gè)意義相關(guān)又表現不同的子集{Qi}，對每一個(gè)Qi進(jìn)行符號映射，從而實(shí)現對實(shí)體集多值符號化測量。

 

2、多級映射原理

 

雖然符號具有高級邏輯表達、易理解、人類(lèi)經(jīng)驗與知識易集成、較寬的冗余度等特點(diǎn)，但與數值測量無(wú)限可分相比，符號化測量描述細節的程度和范圍不夠，尤其在利用符號對數值轉換實(shí)現定量測量時(shí)更為突出。而多級映射原理在實(shí)現數值對符號和符號對數值轉換的同時(shí)，可以擴大符號表示的細致程度和范圍。

 

級映射的基本功能是實(shí)現數值→符號的變換和符號→數值變換。其原理如圖2所示，它的信息傳輸分為兩種情況：

 

首先是數值對符號的轉換，并且是由數值域Q中的元素qi經(jīng)過(guò)映射M的第一級M1映射到符號域S的子集Si，如果子集Si描述細致程度不夠，則可以進(jìn)行第二級映射M2，映射M2將qi映射到次子集Sij，經(jīng)過(guò)若干級映射可以得到描述qi信息的符號sy；

 

其次，則是符號對數值的轉換，由經(jīng)過(guò)多級映射得到的符號sy通過(guò)映射M-1得到數字值qj。

 

由于自然語(yǔ)言表現概念的局限性，建議多級映射的級數為3級。例如，對于0℃～100℃的溫度范圍，每級采用7個(gè)概念，在映射級數為3級時(shí)，精度達到0.3℃。對于不需要人們直接參與的中間測量結果情況，多級映射級數可以根據需要加以確定。映射級數的多少另一方面還取決于每一級中包含概念（元素）的個(gè)數，每一級概念個(gè)數多則需要的映射級數就相應少。如果多級映射應用于包含數值輸出在內的模糊傳感器研究，則映射級數和傳感器變換非線(xiàn)性誤差是相關(guān)的，映射級數應該通過(guò)給定的測量不確定度加以確定。

 

四、模糊傳感器的結構及實(shí)現方法

 

1、模糊傳感器的結構

 

模糊傳感器的簡(jiǎn)化結構圖如圖3所示?？梢?jiàn)，模糊傳感器主要由傳統的數值測量單元和數值－符號轉換單元組成。其核心部分就是數值－符號轉換單元。但在數值－符號轉換單元中進(jìn)行的數值模糊化轉換為符號的工作必須在專(zhuān)家的指導下進(jìn)行。

 

2、模糊傳感器的實(shí)現方法

 

綜上所述，要實(shí)現模糊傳感器就在于尋找測量數值與模糊語(yǔ)言之間的變換方法，即數值的模糊化，來(lái)生成相應的語(yǔ)言概念。所謂語(yǔ)言概念生成就是要定義一個(gè)模糊語(yǔ)言映射作為數值域到語(yǔ)言域的模糊關(guān)系，從而將數值域中的數值量映射到符號域上，以實(shí)現模糊傳感器的功能。這里的語(yǔ)言值用模糊集合來(lái)表示，模糊集合則由論域和隸屬函數構成。因此模糊語(yǔ)言映射就是要求取相應語(yǔ)言概念所對應數值域上的模糊隸屬函數。如何進(jìn)行概念生成是實(shí)現模糊傳感器的關(guān)鍵。目前有很多方法可以實(shí)現模糊傳感器的功能。

 

國外很多學(xué)者對模糊傳感器的實(shí)現方法進(jìn)行過(guò)討論，這里簡(jiǎn)要介紹幾種：

 

Foulloy算法簡(jiǎn)介：模糊傳感器設計的實(shí)質(zhì)是模糊變換算法的設計，即參考集的選擇與模糊量化。其過(guò)程是首先根據專(zhuān)家或熟練工人的知識和經(jīng)驗獲取相應測量領(lǐng)域的一級數值/語(yǔ)言變換策略，然后應用模糊推理方法求取相應隸屬函數。Foulloy提出了基于語(yǔ)義關(guān)系的概念生成方法，首先，由論域的意義來(lái)定義一個(gè)通用的概念，稱(chēng)屬概念，使之對應數值域中論域上的主要區間，然后在此基礎上定義新概念，以產(chǎn)生其它語(yǔ)義值及其意義，新概念通過(guò)語(yǔ)言修正器內部自動(dòng)生成。Foulloy還提出了基于已知點(diǎn)集通過(guò)內插方法實(shí)現的模糊狀態(tài)傳感器，每一學(xué)習點(diǎn)通過(guò)Delaunay三角法在測量空間的笛卡爾積上構造模糊分割，三角法用于建立與過(guò)程狀態(tài)相關(guān)的符號的模糊意義。

 

Benoit E等人討論了使用符號信息時(shí)，符號語(yǔ)義與被測量信息在特定任務(wù)環(huán)境下的關(guān)系，認為模糊傳感器必須根據測量關(guān)系來(lái)構造，并且應該可以重組以適應不同的測量關(guān)系。并提出了將基礎概念作為先驗信息提供給傳感器，其余概念由運算自動(dòng)生成的設計思想。這種方法保留了概念之間的相對語(yǔ)義，但不能保證與測量關(guān)系符號說(shuō)明的一致性，因此必須考慮環(huán)境對測量關(guān)系的修正問(wèn)題，他提出了基于定性學(xué)習以及通過(guò)復合調節說(shuō)明的函數方法來(lái)進(jìn)行修正。他提出了基于Delaunay多維空間的三角測量的線(xiàn)性插值來(lái)構造模糊分割的新方法，用以建立采用多元件測量的模糊傳感器。

 

Stipanicer D等人認為模糊傳感器是一種智能測量設備，由簡(jiǎn)單選擇的傳感器和推理器組成，將被測量轉換為適于人類(lèi)感知和理解的信號。由于知識庫中存儲了豐富的專(zhuān)家知識和經(jīng)驗，它可以通過(guò)簡(jiǎn)單、廉價(jià)的傳感器測量相當復雜的現象。

 

五、模糊傳感器的應用

 

目前，模糊傳感器已被廣泛應用，而且已進(jìn)入平常百姓家，如模糊控制洗衣機中布量檢測、水位檢測、水的渾濁度檢測，電飯煲中的水、飯量檢測，模糊手機充電器等。另外，模糊距離傳感器、模糊溫度傳感器、模糊色彩傳感器等也是國外專(zhuān)家們研制的成果。隨著(zhù)科技的發(fā)展，科學(xué)分支的相互融合，模糊傳感器也應用到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、模式識別等體系中。

 

六、結束語(yǔ)

 

模糊傳感器的出現，不僅拓寬了經(jīng)典測量學(xué)科，而且使測量科學(xué)向人類(lèi)的自然語(yǔ)言理解方面邁出了重要的一步。模糊傳感器雖然在色彩、距離等領(lǐng)域有一些成功的應用，但只是分散的、個(gè)別的，遠未形成系統的理論體系和技術(shù)框架，實(shí)現模糊傳感器的諸多關(guān)鍵技術(shù)尚未完全解決，還需廣大測量工作者的繼續探索。

 

 

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