一、引言

模糊傳感器是在20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的術(shù)語。隨著模糊理論技術(shù)的發(fā)展，模糊傳感器也得到了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注。模糊傳感器是在經(jīng)典傳感器數(shù)值測量的基礎(chǔ)上，經(jīng)過模糊推理與知識集成，以自然語言符號描述的形式輸出測量結(jié)果的智能傳感器。一般認(rèn)為，模糊傳感器是以數(shù)值量為基礎(chǔ)，能產(chǎn)生和處理與其相關(guān)測量的符號信息的傳感器件。

二、模糊傳感器的研究意義

傳統(tǒng)的傳感器是數(shù)值傳感器，它將被測量映射到實(shí)數(shù)集中，以數(shù)值符號來描述被測量狀態(tài)，即對被測對象給以定量的描述。這種方法既精確又嚴(yán)謹(jǐn)，還可以給出許多定量的算術(shù)表達(dá)式，但隨著測量領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大與深化，由于被測對象的多維性，被分析問題的復(fù)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(shù)值測量且對測量結(jié)果以數(shù)值符號來描述，這樣做有很大缺陷，例如：

（1）某些信息難以用數(shù)值符號來描述。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(shù)字1，2，3，4來描述，但數(shù)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，不能來表征被測實(shí)體的具體特征。

（2）很多數(shù)值化的測量結(jié)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(shù)據(jù)往往不能被普通人讀懂，因而滿足不了人們的需求。

因此，有待用新的測量理論和方法來補(bǔ)充。模糊傳感器正是順應(yīng)人類的生活實(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(chǔ)

1、符號化表示原理

模糊語言是人類表述語言的一種，因?yàn)槿藗儗ψ匀唤缡挛锏恼J(rèn)識存在著一定的模糊性，用模糊符號來表述信息具有較為簡單、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(shù)學(xué)的理論和方法，借助于專門的技術(shù)工具，把測量得到的信息，用適合人們模糊概念的模糊語言符號加以描述的過程。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?qū)嶓w間的關(guān)系。設(shè)Q為數(shù)值域，S為語言域，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：D=〈Q，R〉，L=〈S，P〉

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

L—符號關(guān)系系統(tǒng)，描述符號域元素及其相互關(guān)系。

設(shè)有兩個(gè)映射M和F，M：Q→S，使得Si=M（qi），F(xiàn):R→P，使得Pi=F（Ri）成立，且M Q×S和（qi，si） M，則稱si是qi的一個(gè)符號。si的含義是qi從數(shù)值域下向語言域映射的投影，而對每一次測量qi，符號si成為qi的描述。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 符號化表示原理示意圖

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(shù)值域?qū)?yīng)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(jié)構(gòu)下，同一測量子集的元素對應(yīng)不同的符號；或在同一測量結(jié)構(gòu)下，存在測量子集的一些元素同時(shí)對應(yīng)于不同的符號的情況。這一局限性可通過基于多值邏輯理論的多值符號化測量來彌補(bǔ)。其基本思想是：在實(shí)體測量集中，根據(jù)對實(shí)體的某一特征表現(xiàn)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于某一子集，忽略其他特征的表現(xiàn)，因此只要在測量集上對實(shí)體集選取適當(dāng)多個(gè)特征表示，使之與測量集中的元素相對應(yīng)，就可把Q分成有限個(gè)意義相關(guān)又表現(xiàn)不同的子集{Qi}，對每一個(gè)Qi進(jìn)行符號映射，從而實(shí)現(xiàn)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(dá)、易理解、人類經(jīng)驗(yàn)與知識易集成、較寬的冗余度等特點(diǎn)，但與數(shù)值測量無限可分相比，符號化測量描述細(xì)節(jié)的程度和范圍不夠，尤其在利用符號對數(shù)值轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)定量測量時(shí)更為突出。而多級映射原理在實(shí)現(xiàn)數(shù)值對符號和符號對數(shù)值轉(zhuǎn)換的同時(shí)，可以擴(kuò)大符號表示的細(xì)致程度和范圍。

圖2 多級映射原理示意圖

本文概述了模糊傳感器的研究意義及概念，簡要介紹了模糊傳感器的理論基礎(chǔ)及實(shí)現(xiàn)方法，并舉例說明了模糊傳感器的應(yīng)用。

多級映射的基本功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)值→符號的變換和符號→數(shù)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(shù)值對符號的轉(zhuǎn)換，并且是由數(shù)值域Q中的元素qi經(jīng)過映射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(xì)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(shù)值的轉(zhuǎn)換，由經(jīng)過多級映射得到的符號sy通過映射M-1得到數(shù)字值qj。

由于自然語言表現(xiàn)概念的局限性，建議多級映射的級數(shù)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(shù)為3級時(shí)，精度達(dá)到0.3℃。對于不需要人們直接參與的中間測量結(jié)果情況，多級映射級數(shù)可以根據(jù)需要加以確定。映射級數(shù)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(shù)，每一級概念個(gè)數(shù)多則需要的映射級數(shù)就相應(yīng)少。如果多級映射應(yīng)用于包含數(shù)值輸出在內(nèi)的模糊傳感器研究，則映射級數(shù)和傳感器變換非線性誤差是相關(guān)的，映射級數(shù)應(yīng)該通過給定的測量不確定度加以確定。

四、模糊傳感器的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法

1、模糊傳感器的結(jié)構(gòu)

模糊傳感器的簡化結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。可見，模糊傳感器主要由傳統(tǒng)的數(shù)值測量單元和數(shù)值－符號轉(zhuǎn)換單元組成。其核心部分就是數(shù)值－符號轉(zhuǎn)換單元。但在數(shù)值－符號轉(zhuǎn)換單元中進(jìn)行的數(shù)值模糊化轉(zhuǎn)換為符號的工作必須在專家的指導(dǎo)下進(jìn)行。

圖3 模糊傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2、模糊傳感器的實(shí)現(xiàn)方法

綜上所述，要實(shí)現(xiàn)模糊傳感器就在于尋找測量數(shù)值與模糊語言之間的變換方法，即數(shù)值的模糊化，來生成相應(yīng)的語言概念。所謂語言概念生成就是要定義一個(gè)模糊語言映射作為數(shù)值域到語言域的模糊關(guān)系，從而將數(shù)值域中的數(shù)值量映射到符號域上，以實(shí)現(xiàn)模糊傳感器的功能。這里的語言值用模糊集合來表示，模糊集合則由論域和隸屬函數(shù)構(gòu)成。因此模糊語言映射就是要求取相應(yīng)語言概念所對應(yīng)數(shù)值域上的模糊隸屬函數(shù)。如何進(jìn)行概念生成是實(shí)現(xiàn)模糊傳感器的關(guān)鍵。目前有很多方法可以實(shí)現(xiàn)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(xiàn)方法進(jìn)行過討論，這里簡要介紹幾種：

Foulloy算法簡介：模糊傳感器設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是模糊變換算法的設(shè)計(jì)，即參考集的選擇與模糊量化。其過程是首先根據(jù)專家或熟練工人的知識和經(jīng)驗(yàn)獲取相應(yīng)測量領(lǐng)域的一級數(shù)值/語言變換策略，然后應(yīng)用模糊推理方法求取相應(yīng)隸屬函數(shù)。Foulloy提出了基于語義關(guān)系的概念生成方法，首先，由論域的意義來定義一個(gè)通用的概念，稱屬概念，使之對應(yīng)數(shù)值域中論域上的主要區(qū)間，然后在此基礎(chǔ)上定義新概念，以產(chǎn)生其它語義值及其意義，新概念通過語言修正器內(nèi)部自動生成。Foulloy還提出了基于已知點(diǎn)集通過內(nèi)插方法實(shí)現(xiàn)的模糊狀態(tài)傳感器，每一學(xué)習(xí)點(diǎn)通過Delaunay三角法在測量空間的笛卡爾積上構(gòu)造模糊分割，三角法用于建立與過程狀態(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)，符號語義與被測量信息在特定任務(wù)環(huán)境下的關(guān)系，認(rèn)為模糊傳感器必須根據(jù)測量關(guān)系來構(gòu)造，并且應(yīng)該可以重組以適應(yīng)不同的測量關(guān)系。并提出了將基礎(chǔ)概念作為先驗(yàn)信息提供給傳感器，其余概念由運(yùn)算自動生成的設(shè)計(jì)思想。這種方法保留了概念之間的相對語義，但不能保證與測量關(guān)系符號說明的一致性，因此必須考慮環(huán)境對測量關(guān)系的修正問題，他提出了基于定性學(xué)習(xí)以及通過復(fù)合調(diào)節(jié)說明的函數(shù)方法來進(jìn)行修正。他提出了基于Delaunay多維空間的三角測量的線性插值來構(gòu)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(rèn)為模糊傳感器是一種智能測量設(shè)備，由簡單選擇的傳感器和推理器組成，將被測量轉(zhuǎn)換為適于人類感知和理解的信號。由于知識庫中存儲了豐富的專家知識和經(jīng)驗(yàn)，它可以通過簡單、廉價(jià)的傳感器測量相當(dāng)復(fù)雜的現(xiàn)象。

五、模糊傳感器的應(yīng)用

目前，模糊傳感器已被廣泛應(yīng)用，而且已進(jìn)入平常百姓家，如模糊控制洗衣機(jī)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(jī)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家們研制的成果。隨著科技的發(fā)展，科學(xué)分支的相互融合，模糊傳感器也應(yīng)用到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別等體系中。

六、結(jié)束語

模糊傳感器的出現(xiàn)，不僅拓寬了經(jīng)典測量學(xué)科，而且使測量科學(xué)向人類的自然語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(yīng)用，但只是分散的、個(gè)別的，遠(yuǎn)未形成系統(tǒng)的理論體系和技術(shù)框架，實(shí)現(xiàn)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(xù)探索。