呂培卓 戴洪濤（河北冀州中學(xué)，河北 衡水 053000）

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智能家居用戶行為預(yù)測(cè)的方法研究

呂培卓 戴洪濤
（河北冀州中學(xué)，河北 衡水 053000）

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)計(jì)算、傳感器技術(shù)等新興技術(shù)的發(fā)展，智能家居更加貼近人類生活。對(duì)用戶未來(lái)活動(dòng)的預(yù)知，將使家居生活更加靈活和智能。本文基于隱馬爾科夫模型（hidden Markov model, HMM），提出了對(duì)用戶家居生活行為預(yù)測(cè)的方法。首先本文闡述了用戶行為預(yù)測(cè)的方法架構(gòu)，隨后從相似數(shù)據(jù)篩選、基于HMM的行為模式發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)等多個(gè)方面詳述了用戶行為預(yù)測(cè)的方法。此預(yù)測(cè)方法能夠?yàn)橛脩羧粘＜揖由钐峁┍憬?、高效的生活服?wù)。

關(guān)鍵詞：智能家居；用戶行為預(yù)測(cè)；隱馬爾科夫模型；數(shù)據(jù)挖掘

1　概述

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，社會(huì)上以物聯(lián)網(wǎng)為中心衍生出來(lái)許多相關(guān)技術(shù)。利用無(wú)線傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將小區(qū)內(nèi)的普通底層硬件設(shè)備（冰箱、臺(tái)燈、熱水器等）聚合在一起，形成一整套智能家居體系；結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，將與用戶日常行為相關(guān)的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云平臺(tái)，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定且高效的存儲(chǔ)。通過(guò)對(duì)用戶日常生活行為的挖掘，可以讓家居系統(tǒng)更好地了解用戶生活習(xí)慣，并根據(jù)用戶習(xí)慣設(shè)計(jì)電器開(kāi)關(guān)時(shí)間、電器啟動(dòng)用量，以達(dá)到簡(jiǎn)化用戶生活、環(huán)保、低功耗的目的。在智能家居領(lǐng)域，用于用戶行為預(yù)測(cè)的常見(jiàn)方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、決策樹(shù)分類方法等。本文采用了隱馬爾可夫模型的算法，利用隱馬爾科夫模型，對(duì)每個(gè)用戶的歷史行為數(shù)據(jù)建模，實(shí)現(xiàn)用戶的行為挖掘和預(yù)測(cè)的功能，為智能家居中家電設(shè)備的控制提供依據(jù)。本文首先介紹了用戶行為預(yù)測(cè)方法的架構(gòu)，隨后詳細(xì)介紹了方法的具體實(shí)現(xiàn)，包括利用余弦相似性篩選與當(dāng)前行為習(xí)慣相似的數(shù)據(jù)集和基于HMM的用戶行為預(yù)測(cè)的方法等；最后通過(guò)實(shí)例，展示了在智能家居系統(tǒng)中其應(yīng)用的方法，為用戶日常家居生活提供便捷的生活服務(wù)。

2　用戶行為預(yù)測(cè)方法架構(gòu)

研究表明用戶的日常行為中包含明顯的行為模式。假設(shè)一家中3個(gè)用戶（爸爸、媽媽和小明），工作日媽媽每天6點(diǎn)鐘起床為全家做早餐；爸爸6點(diǎn)鐘起床打開(kāi)熱水器，待30分鐘后洗漱；小明7點(diǎn)鐘起床吃早餐；早晨8點(diǎn)鐘大家都已經(jīng)離開(kāi)了家上班或者上學(xué)。本文的工作重點(diǎn)是對(duì)用戶的歷史行為數(shù)據(jù)建模，挖掘用戶的行為特征，并預(yù)測(cè)在時(shí)間t用戶將會(huì)有什么行為，從而為智能家居中家電設(shè)備的控制找到依據(jù)。圖1顯示了單用戶行為預(yù)測(cè)的模型框架，主要包括以下3個(gè)部分：（1）相似數(shù)據(jù)篩選：用戶的行為隨著時(shí)間可能發(fā)生變化，本模塊將從歷史行為數(shù)據(jù)中，挑選和當(dāng)前用戶行為習(xí)慣相關(guān)的數(shù)據(jù)；（2）當(dāng)前的行為模式發(fā)現(xiàn)：通過(guò)篩選的數(shù)據(jù)集，挖掘用戶的行為模式，發(fā)現(xiàn)時(shí)間和用戶行為的關(guān)系，獲得用戶日常行為習(xí)慣的時(shí)域特征；（3）行為預(yù)測(cè)：基于用戶行為的時(shí)域特征，預(yù)測(cè)用戶未來(lái)的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的行為。后文將具體介紹在智能家居下，用戶行為預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)的方法。

圖1　用戶行為預(yù)測(cè)的模型架構(gòu)Figure 1. Structure of our model for user behavior prediction

3　隱馬爾科夫模型

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隱馬爾可夫模型被應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別，取得重大成功。到了90年代，HMM還被引入計(jì)算機(jī)文字識(shí)別和移動(dòng)通信核心技術(shù)“多用戶的檢測(cè)”。近年來(lái)，HMM在生物信息科學(xué)、故障診斷等領(lǐng)域也開(kāi)始得到應(yīng)用。該模型具有研究透徹、算法成熟、效率高、效果好、易于訓(xùn)練的優(yōu)點(diǎn)。隱馬爾可夫模型作為一種統(tǒng)計(jì)分析模型，用于分析由馬爾科夫過(guò)程產(chǎn)生的序列，并且序列中又引入了一個(gè)隱含狀態(tài)，是一個(gè)雙重隨機(jī)過(guò)程。一般的講，隱馬爾可夫模型可以用五個(gè)元素來(lái)描述，包括2種狀態(tài)變量（隱狀態(tài)和可觀察狀態(tài)）和3個(gè)概率矩陣。圖2為一個(gè)HMM模型的實(shí)例。圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)隨機(jī)變量，隨機(jī)變量s（t）是在時(shí)間t的隱狀態(tài)，在圖2的模型中s（t）∈{s1，s2，s3}隨機(jī)變量o（t）是在時(shí)間t的可觀察狀態(tài)，在圖2的模型中o（t）∈{o1，o2，o3，o4}。此外，正如圖2的箭頭所示，隱馬爾可夫模型仍然包含2類條件概率：

圖2　隱馬爾科夫模型實(shí)例Figure 2. Example of hidden Markov model

表1　用戶行為與數(shù)值的映射關(guān)系Table 1. Map between user behavior and value

所有變量的聯(lián)合概率分布，可以簡(jiǎn)化為：

引入符號(hào)λ={A，B，π}來(lái)描述隱馬爾可夫模型，其中：隱狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣A是一個(gè)N×N矩陣，且Aij=p（Sj∶t+1｜Si∶t），1≤i，j，≤N；混雜矩陣B是一個(gè)N×M矩陣，且Bij=p（Oi∶t｜Sj∶t），1≤i≤M，1≤j≤N；初始狀態(tài)概率矩陣π是一個(gè)1×N向量，且π=[p（s1），p （s2），…p（sN）]（N是隱狀態(tài)數(shù)，M是觀察狀態(tài)數(shù)）。

隱馬爾可夫模型主要關(guān)注以下3個(gè)問(wèn)題，這些問(wèn)題同樣關(guān)乎到下文用戶行為習(xí)慣預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)。

（1）評(píng)估問(wèn)題（evaluation）：給定觀測(cè)序列（O1O2…Ot）和模型參數(shù)λ={A，B，π}，怎樣有效計(jì)算這組觀測(cè)序列的概率p（O1O2…Ot｜λ）。此問(wèn)題通常通過(guò)利用前向算法（forward algorithm）實(shí)現(xiàn)，算法中引入迭代計(jì)算，降低了算法的復(fù)雜度。

（2）解碼問(wèn)題（decode）：給定觀測(cè)序列O1O2…Ot和模型參數(shù)λ={A，B，π}，怎樣尋找最優(yōu)的隱狀態(tài)序列：

此問(wèn)題需要從所有可能的隱狀態(tài)s1∶t序列中，找到一個(gè)序列使得概率p（s1∶t｜λ，o1∶t）取最大值。在這類問(wèn)題通常利用維特比（Viterbi）算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）學(xué)習(xí)問(wèn)題（learning）：充分利用所有已知的觀察序列O1O2…Ot，通過(guò)多次訓(xùn)練，使得λ={A，B，π}能夠更好的數(shù)據(jù)集的特征：

解決此問(wèn)題通常使用Baum-Welch算法。

4　基于HMM的用戶行為預(yù)測(cè)方法

4.1相似數(shù)據(jù)篩選

為了挖掘時(shí)間和用戶行為的關(guān)系，將單用戶每天的行為數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為一個(gè)向量Day。將用戶常見(jiàn)的行為映射為數(shù)值1至N（N≥1），比如1表示打開(kāi)熱水器、2表示關(guān)閉煤氣灶等，見(jiàn)表1。以15min為粒度，將全天劃分為96個(gè)時(shí)隙。默認(rèn)每個(gè)時(shí)隙k，單用戶只會(huì)發(fā)生一種行為，每個(gè)時(shí)隙k將對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值x，組成一個(gè)96維的向量Day[k]=x。若15min內(nèi)連續(xù)有2或以上的行為發(fā)生，則選擇出現(xiàn)頻次最高的動(dòng)作x，作為時(shí)隙k的取值Day[k]=x。（此外，引入的數(shù)值0表示此15分鐘內(nèi)用戶沒(méi)有任何行為）。96維的向量Day的格式如下：Day=（1，2，3，5，4，…，x，y…0，10，12），1≤x，y≤N。用戶行為可能隨著時(shí)間的變化而發(fā)生改變。比如暑假期間，小明行為習(xí)慣要明顯區(qū)別與上學(xué)期間。準(zhǔn)確識(shí)別出用戶當(dāng)前的行為模式，明確這種行為模式持續(xù)了多久，即包含用戶當(dāng)前行為模式的數(shù)據(jù)集的時(shí)間窗的長(zhǎng)度，是非常重要的。鑒于以上原因以及防止模型的過(guò)度擬合，在數(shù)據(jù)篩選時(shí)：（a）考慮到一周內(nèi)不同天，用戶行為可能存在的差異，則區(qū)分用戶一周內(nèi)每一天的數(shù)據(jù)；（b）識(shí)別包含當(dāng)前行為模式的時(shí)間窗的長(zhǎng)度，比如，今天是第i個(gè)周一Dayi，找到之前有幾個(gè)周一的用戶行為和今天相似。方法如下：通過(guò)余弦相似性計(jì)算Dayi和Dayi-1相似度σij。如果σij大于一個(gè)閾值Θ，窗的長(zhǎng)度繼續(xù)加一；否則，將跳過(guò)Dayi-1，比較Dayi與Dayi-2的相似性σij。如果連續(xù)m天，σij均低于Θ，時(shí)間窗的長(zhǎng)度將不再增加。篩選的數(shù)據(jù)集中僅包含σij高于閾值Θ的數(shù)據(jù)。

圖4　表征時(shí)間和用戶行為關(guān)系的HMM實(shí)例Figure 4. An HMM representing user behavior and their relationships with time slots of a day

4.2基于HMM的行為預(yù)測(cè)模型定義

借助HMM對(duì)單用戶的行為建模，發(fā)現(xiàn)用戶當(dāng)前的行為模式，HMM模型λ={A，B，π}定義如下：（1）隱狀態(tài)：用戶的N種行為，以及表示用戶沒(méi)有任何行為的狀態(tài)“0”；（2）可觀測(cè)狀態(tài)：用戶每天的96個(gè)時(shí)隙；（3）初始狀態(tài)概率矩陣π：每種用戶行為發(fā)生的概率。借助篩選的數(shù)據(jù)集，計(jì)算每種動(dòng)作x發(fā)生的概率p（x），x∈[1，N]；（4）轉(zhuǎn)移矩陣A：不同用戶行為間轉(zhuǎn)移的概率，即已知狀態(tài)i（打開(kāi)洗衣機(jī)），狀態(tài)j（打開(kāi)掃地機(jī)器人）發(fā)生的概率aij=p（Sj∶t+1｜Si∶t），1≤i，j，≤N；（5）混雜矩陣B：已知用戶行為j已經(jīng)發(fā)生，用戶處于特定時(shí)隙i的概率bij=p（Oi∶t｜Sj∶t），1≤i≤96，1≤j≤N。圖4為用于行為預(yù)測(cè)的HMM實(shí)例。模型中包含包含5個(gè)時(shí)隙，并且隱狀態(tài)有4種用戶行為為例。

4.3用戶行為預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)d天用戶在每個(gè)時(shí)隙可能的行為時(shí)，首先要利用用戶的d-1天的歷史數(shù)據(jù)，篩選出相似數(shù)據(jù)，利用它們更新模型λ={A，B，π}。通過(guò)模型λ={A，B，π}表征當(dāng)前用戶的行為模式?；诖四Ｐ停梢哉归_(kāi)未來(lái)一天的各個(gè)時(shí)隙的用戶行為預(yù)測(cè)。結(jié)合HMM模型的原理，預(yù)測(cè)的本質(zhì)是：已知一個(gè)HMM模型λ={A，B，π}，找到特定時(shí)隙k（觀察狀態(tài)）最有可能的用戶行為i（隱狀態(tài)）。這是一個(gè)HMM的解碼問(wèn)題（decode）。比如，今天是2015年11月15日星期日，想預(yù)知用戶明天的6∶00-7∶00的日常行為。利用維特比算法，結(jié)合反映用戶當(dāng)前行為特征的周一的馬爾科夫模型λ={A，B，π}，識(shí)別滿足6∶00-7∶00這個(gè)時(shí)間段，概率最高的一組隱狀態(tài)序列（用戶行為序列）。這組用戶行為序列，將是用戶行為預(yù)測(cè)的結(jié)果，此結(jié)果將為智能家居中家電設(shè)備的控制找到依據(jù)。實(shí)際應(yīng)用中，可以為家庭中的多用戶分別建模，為多用戶的日常生活預(yù)測(cè)提供了可能性，解決了多人的室內(nèi)環(huán)境中建模和預(yù)測(cè)的局限性。

結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)有的智能家居體系下，本文提出了隱馬爾可夫模型為基礎(chǔ)的用戶行為預(yù)測(cè)的方法。為了保證模型的準(zhǔn)確性和魯棒性，本文利用余弦相似性對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；隨后利用隱馬爾可夫模型挖掘用戶行為的時(shí)域關(guān)系，基于此，提供了用戶行為預(yù)測(cè)的方法。此方法可以對(duì)家庭中的多用戶分別建模和預(yù)測(cè)，解決了多人在室內(nèi)環(huán)境中建模和預(yù)測(cè)的局限性；本方法無(wú)需復(fù)雜的模型訓(xùn)練，算法復(fù)雜度低。為推進(jìn)家居生活的智能化具有一定的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。將模型應(yīng)用到實(shí)際的智能家居中，對(duì)其穩(wěn)定性和可行性進(jìn)行評(píng)估是我們后續(xù)的研究工作。

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中圖分類號(hào)：TP39

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