薛清鋒，黃民德，喬 治

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384；2. 中鐵建設(shè)集團(tuán)天津分公司，天津 300106)

專家系統(tǒng)在智能家居設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制中的應(yīng)用

薛清鋒1，黃民德1，喬 治2

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384；2. 中鐵建設(shè)集團(tuán)天津分公司，天津 300106)

智能家居是人工智能在家庭控制領(lǐng)域里的研究熱點(diǎn)，在其發(fā)展中存在許多困難及障礙．從專家控制系統(tǒng)的角度，提出一種用專家控制方法解決智能家電及設(shè)備協(xié)作的控制方案，從而充分發(fā)揮設(shè)備的性能，提高家庭設(shè)備控制的可靠性、互操作性，以期達(dá)到節(jié)約能源的效果．

專家系統(tǒng)；智能家居；設(shè)備控制

20世紀(jì)80年代初，隨著大量采用電子技術(shù)的家用電器面市，開始出現(xiàn)了住宅電子化(home electronics，簡(jiǎn)稱HE)的概念；到80年代中期，市場(chǎng)上開始將許多家用電器、通訊設(shè)備與安保防災(zāi)設(shè)備等本各自獨(dú)立的功能綜合為一體，形成了家居自動(dòng)化概念(home automation，簡(jiǎn)稱HA)．1984年，世界上第一幢智能大樓在美國出現(xiàn)以后，北美、西歐、澳大利亞等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和國家爭(zhēng)先進(jìn)入這一領(lǐng)域．各大電子電氣廠商看到了智能家居的誘人前景和巨大市場(chǎng)，像美國的微軟、摩托羅拉、IBM，日本的松下電器，韓國的三星公司等都先后躋身于智能家居的研究與開發(fā)中．進(jìn)入21世紀(jì)之后，智能家居技術(shù)的發(fā)展更是達(dá)到了高潮．

1 智能家居發(fā)展現(xiàn)狀

智能家居是以家庭為平臺(tái)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、音視頻技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)，通過智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，將與家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的家庭設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提高家居的安全性、便利性和舒適性，營造一個(gè)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1-2]．

一個(gè)完整的智能家居控制系統(tǒng)通常由系統(tǒng)服務(wù)器、家庭控制器(各種模塊)、網(wǎng)關(guān)、路由器、探測(cè)器、傳感器、無線收發(fā)器等主要部分組成[3-5]，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 智能家居控制系統(tǒng)

目前，市場(chǎng)上智能家居系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了三表抄送、家庭安全監(jiān)控等功能[1]．隨著科技的發(fā)展，家用電器的自動(dòng)化程度有了很大的提高，但現(xiàn)今行業(yè)內(nèi)還沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)產(chǎn)品還比較混亂，各種信息設(shè)備之間的通信協(xié)作比較困難，只能按照事先設(shè)定好的工作模式機(jī)械式地運(yùn)行，不能根據(jù)用戶的生活習(xí)慣進(jìn)行人性化的調(diào)節(jié)[6]．比如主人回家開門時(shí)，客廳里的電燈會(huì)因室內(nèi)的光線過暗、空調(diào)會(huì)因溫度不適自動(dòng)打開；主人外出關(guān)門時(shí)，需要關(guān)閉的電器立即斷電、室內(nèi)外的安防系統(tǒng)自動(dòng)切換等．

因此，需要建立這樣一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)不僅能依靠用戶的指令進(jìn)行相應(yīng)的控制，而且能根據(jù)學(xué)習(xí)到的規(guī)則主動(dòng)對(duì)受控設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的控制信息．根據(jù)采集到的信息檢測(cè)出家居環(huán)境的改變，提取出用戶平常的一些生活習(xí)慣，對(duì)信息進(jìn)行合理的判斷和處理，為用戶提供一個(gè)高效節(jié)能的家居環(huán)境．

2 專家系統(tǒng)的解決方案

專家系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是計(jì)算機(jī)程序，即應(yīng)用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，模擬人類專家解決某些實(shí)際問題的工作過程，運(yùn)用他們的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，解決系統(tǒng)所面臨的實(shí)際問題的方法和步驟[3,7]．在智能家居領(lǐng)域，它可以存儲(chǔ)用戶大量的生活習(xí)慣的規(guī)則，在外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)問題事實(shí)進(jìn)行分析推理，并做出擬人的處理．

一般專家系統(tǒng)由知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、知識(shí)獲取機(jī)制、解釋模塊和人機(jī)交互界面六部分組成[8-9]，如圖2所示．基于規(guī)則的專家系統(tǒng)是知識(shí)工程師構(gòu)建專家系統(tǒng)最常用的方式，它針對(duì)工作存儲(chǔ)器內(nèi)的具體信息(事實(shí))，搜索并調(diào)用存儲(chǔ)在知識(shí)庫內(nèi)的規(guī)則進(jìn)行匹配，通過推理機(jī)推斷出新的信息．

圖2 專家系統(tǒng)組成框圖

當(dāng)規(guī)則的IF部分與工作內(nèi)存中的信息相匹配時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行規(guī)則THEN部分所指定的行為．這時(shí)，規(guī)則被激活，其THEN語句加入到工作內(nèi)存，添加到工作內(nèi)存中的信息也能激活其他規(guī)則．專家系統(tǒng)在家庭設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制中的推理過程如圖3所示．

圖3 設(shè)備聯(lián)動(dòng)推理圖

3 智能家居專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

專家系統(tǒng)的開發(fā)是一個(gè)不斷重復(fù)的過程[2]，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括知識(shí)獲取、知識(shí)的表示、知識(shí)庫的設(shè)計(jì)、推理機(jī)的設(shè)計(jì)等部分．

3.1 知識(shí)的獲取

知識(shí)的挖掘和表示是構(gòu)建專家系統(tǒng)的重要任務(wù)之一，需要設(shè)計(jì)者反復(fù)與領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行耗時(shí)的協(xié)商與協(xié)調(diào)．此處采用人工整理方法獲取專家知識(shí)，將家庭設(shè)備控制中可能出現(xiàn)的各種狀況進(jìn)行歸納總結(jié)，并由專家給出控制規(guī)則，必要時(shí)給出規(guī)則的置信度(CF)，以表示規(guī)則的不確定性，供推理機(jī)得出最優(yōu)的控制結(jié)論[6]．

3.2 知識(shí)的表示

采用BNF范式定義的系統(tǒng)規(guī)則如下：

注：“：：=”表示“定義為”；“{X}+”表示X可以出現(xiàn)一次或多次；“X|Y”表示“X”出現(xiàn)或“Y”出現(xiàn)．

用戶傍晚回家開門時(shí)，室外路燈會(huì)自動(dòng)開啟，客廳里的電燈會(huì)因室內(nèi)的光線過暗自動(dòng)調(diào)節(jié)至合適亮度，自動(dòng)轉(zhuǎn)換室內(nèi)外的安防方案，準(zhǔn)備好洗浴用水；用戶進(jìn)門后，關(guān)閉室外路燈；用戶外出關(guān)門時(shí)，室內(nèi)外的安防系統(tǒng)會(huì)因家中無人而自動(dòng)切換到相應(yīng)的安防方案，按既定規(guī)則為花草灌溉．電燈打開這個(gè)操作會(huì)與門打開、室內(nèi)亮度過低這一系列事件聯(lián)系在一起，用產(chǎn)生式規(guī)則來表示這條知識(shí)[6,10-11]：

IF 用戶打開門，室內(nèi)光線過暗

THEN 燈亮 AND 安防方案切換…

這種基于規(guī)則的符號(hào)化的模型特別適于反映人們對(duì)家電設(shè)備的調(diào)度．以一個(gè)或多個(gè)設(shè)備的某一事件或狀態(tài)作為條件，觸發(fā)對(duì)另一設(shè)備或多個(gè)設(shè)備的操作．

3.3 知識(shí)庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文的專家系統(tǒng)知識(shí)庫和智能家居數(shù)據(jù)庫合用同一個(gè)綜合數(shù)據(jù)庫，并存儲(chǔ)在系統(tǒng)服務(wù)器上．該數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)了家庭設(shè)備的控制參數(shù)、專家的控制規(guī)則及用戶的生活規(guī)律．本專家系統(tǒng)的知識(shí)庫主要由兩種數(shù)據(jù)表組成，即家庭設(shè)備信息表(見表1)、控制規(guī)則表(見表 2)，各表的數(shù)據(jù)字段由設(shè)計(jì)人員根據(jù)與專家及用戶的交流進(jìn)行初始化．

表1 家庭設(shè)備信息表

表2 控制規(guī)則表

3.4 推理機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

推理機(jī)通過軟件管理模塊(家庭網(wǎng)關(guān))讀取或接收系統(tǒng)服務(wù)器上家電設(shè)備的當(dāng)前信息，網(wǎng)關(guān)將這些設(shè)備信息進(jìn)行組織構(gòu)成了基本事實(shí)；從基本事實(shí)出發(fā)引用規(guī)則庫中的規(guī)則，若某些規(guī)則的前提被滿足，則執(zhí)行這些規(guī)則的結(jié)論．結(jié)合存放在工作存儲(chǔ)器內(nèi)的問題事實(shí)和存放在知識(shí)庫內(nèi)的規(guī)則，建立循環(huán)推理模塊，以不斷得出新的信息．系統(tǒng)從選擇規(guī)則到執(zhí)行操作通常分三步：匹配、沖突解決和操作[3,12]．

3.4.1 匹配

在這一階段，系統(tǒng)將當(dāng)前工作內(nèi)存中形成的基本事實(shí)與規(guī)則庫中的規(guī)則的條件部分相匹配．

采用逆向推理方法：由終端設(shè)備激活推理機(jī)模塊，推理機(jī)尋找動(dòng)作與其匹配的規(guī)則，而這些規(guī)則前提部分的每個(gè)條件又可作為子目標(biāo)．推理控制遵從深度優(yōu)先的策略去推進(jìn)解答的搜索過程，直到每個(gè)底層子目標(biāo)都與事實(shí)(用戶輸入的初始或中間數(shù)據(jù))匹配為止[13]．可以有多條規(guī)則匹配同一子目標(biāo)，采用廣度優(yōu)先搜索算法遍歷所有分支；某分支推理(搜索)失敗時(shí)，回溯，向另一分支推理．其匹配過程如圖4所示．

3.4.2 沖突解決

第一種規(guī)則沖突：匹配的過程中可能會(huì)有幾條規(guī)則的條件部分同時(shí)被滿足，這就要在解決沖突步驟中來解決這個(gè)問題．如下面兩個(gè)規(guī)則：

IF用戶起床，THEN打開起床模式1

圖4 規(guī)則匹配流程

IF用戶起床，THEN打開起床模式2

對(duì)許多問題而言，只要基本事實(shí)與規(guī)則的條件部分相匹配，系統(tǒng)就執(zhí)行規(guī)則的結(jié)論部分，這種規(guī)則為確定性規(guī)則；而對(duì)于上述兩條規(guī)則和條件部分均與基本事實(shí)匹配，可以在規(guī)則中加入一個(gè)不確定因子，以表達(dá)結(jié)論的不確定性，這種規(guī)則即為不確定性規(guī)則[14-15]．對(duì)于上述兩條規(guī)則，可以用如下形式表示：

IF用戶起床，THEN打開起床模式1(CF＝60)

IF用戶起床，THEN打開起床模式2(CF＝40)

系統(tǒng)在推理過程中，將規(guī)則按其置信度(CF)進(jìn)行排序，選擇信任等級(jí)高的規(guī)則進(jìn)行操作．系統(tǒng)規(guī)則置信度的初始化主要依據(jù)相關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)以及用戶的需求，在使用的過程中系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)修改其數(shù)據(jù)，滿足用戶的動(dòng)態(tài)需求．

第二種規(guī)則沖突：當(dāng)有一條以上規(guī)則的條件部分和當(dāng)前數(shù)據(jù)庫相匹配時(shí)，就需要決定首先使用哪一條規(guī)則，這稱為沖突解決．例如，設(shè)有以下兩條規(guī)則：

這是兩條關(guān)于家居中燈光控制的規(guī)則．R1規(guī)則規(guī)定用戶在家時(shí)，室內(nèi)光線過暗，客廳的電燈打開；R2規(guī)則規(guī)定，如果用戶在家，室內(nèi)光線過暗，但用戶在臥室休息，那么不用開燈．如果當(dāng)前系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包含“用戶回家開門時(shí)”和“室內(nèi)的光線過暗”，這就需要用沖突解決來決定首先使用哪一條規(guī)則．有很多種沖突解決策略，其中一種策略是先使用R2規(guī)則，因?yàn)镽2的條件部分包括了更多的限制，因此規(guī)定了一個(gè)更為特殊的情況，這是一種按專一性來編排順序的策略，稱為專一性排序[3]．除此之外，目前還有不少其他的沖突解決策略，如規(guī)則排序、數(shù)據(jù)排序和就近排序等．

3.4.3 操作

在這一環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)將存儲(chǔ)在工作內(nèi)存中待執(zhí)行的規(guī)則的結(jié)論部分轉(zhuǎn)換為控制命令，發(fā)送給終端設(shè)備，家庭終端設(shè)備接收并執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，并將結(jié)果進(jìn)行反饋，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，這些數(shù)據(jù)變動(dòng)也可能觸發(fā)其他相關(guān)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行．

4 結(jié) 語

基于專家系統(tǒng)的家庭設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制能夠根據(jù)使用者的作息規(guī)律、周圍環(huán)境等，將家電及設(shè)備等按照一定的邏輯關(guān)系組織起來，將可能導(dǎo)致的所有結(jié)果動(dòng)作進(jìn)行最優(yōu)比較，來控制家電及設(shè)備的運(yùn)行，解決了智能家居系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及各種檢測(cè)裝置的自動(dòng)組網(wǎng)、撤網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備工作狀態(tài)的自動(dòng)切換，還能處理家居控制系統(tǒng)中的各種常見問題，如故障檢測(cè)、家電維修通知等，為人們營造一個(gè)安全節(jié)能的人性化生活環(huán)境．

［1］敖志剛. 智能家庭網(wǎng)絡(luò)及其控制技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社，2011.

［2］朱 匆，劉 宏，彭 華，等. 利用專家系統(tǒng)構(gòu)建智能家居的研究與設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，24(3)：73-74.

［3］蔡自興，[美]約翰·德爾金，龔 濤. 高級(jí)專家系統(tǒng)：原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005.

［4］張國忠. 智能控制系統(tǒng)及應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社，2007.

［5］張煌東，吳樂南，王水花. 專家系統(tǒng)發(fā)展綜述[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46(19)：43-47.

［6］馬學(xué)文，朱名日，陳從生. 智能家庭網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)綜述[J]. 電子科技，2004，172(1)：2-5.

［7］朱 匆，劉 宏，李文博. 基于專家系統(tǒng)工作流技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008，18(9)：205-209.

［8］鄒振興，孟建國，崔青春，等. 高校信息管理及學(xué)生能力測(cè)評(píng)專家系統(tǒng)的介紹[J]. 長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：高教版，2007，2(4)：208-211.

［9］劉 星，管 莉. 基于數(shù)據(jù)庫的專家系統(tǒng)在武器系統(tǒng)電子箱故障診斷中的應(yīng)用[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2007，27(1)：326-328.

［10］邢建春，孟祥朋，楊啟亮，等. 基于專家系統(tǒng)的建筑智能化系統(tǒng)故障診斷[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(11)：1-3.

［11］楊 懿. 深度探討機(jī)組檢修專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 科技資訊，2008，31：92.

［12］景征駿，許家民，吳訪升. 基于專家知識(shí)庫的模糊控制系統(tǒng)的研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2003，23(7)：31-33.

［13］伍 欣，劉自偉. 提高基于規(guī)則專家系統(tǒng)效率的技術(shù)和方法[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(4)：270-272.

［14］張 偉，石營蒲，胡昌華，等. 基于置信規(guī)則庫專家系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷[J]. 系統(tǒng)仿真技術(shù)，2011，7(1)：11-15.

［15］徐勇俊，鄧 偉. 基于可信度的不確定性推理研究[J].沙洲職業(yè)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，10(1)：16-18.

Application of Expert System in Smart Home Device Association Control

XUE Qing-feng1，HUANG Min-de1，QIAO Zhi2
(1. Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China；2. China Railway Construction Group Tianjin Branch，Tianjin 300106，China)

Intelligent household is the research focus of the application of the artificial intelligence in the field of the family control，and there are still many difficulties and obstacles in its development. This paper，from the point of the expert control system，put forward a method which utilized expert control to solve the co-operate control of the intelligent household appliances and devices. This solution realized an effective exploitation of devices，improved the reliability and interoperability of the control of domestic equipmen，and reached the energy saving effect.

expert system；smart home；device control

TP182

A

1006-6853(2012)02-0144-05

2011-12-20；

2012-04-06

薛清鋒（1988—），男，河南許昌人，天津城市建設(shè)學(xué)院碩士生．

book=148,ebook=279