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南京理工大学硕士学位论文智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 摘要 将智能化技术应用到嵌入式系统中是当前研究的热点。本文首先介绍了嵌入式系 统及其应用，然后从系统的需求特别是智能化需求分析入手，提出了系统的总体结构。 分析了系统的三个组成部分：电梯协议转换卡、嵌入式语音播放器、上层语音管理软 件。最后，给出了系统软硬件调试时遇到的问题及其解决的方法。 电梯系统的信号多种多样，使得对电梯系统信号的识别也变得复杂。本文提出了 将电梯信号知识分类的方法，运用了产生式规则，建立了产生式规则知识库。具体实 施时，针对特定的电梯系统，引入，系统自学习机制，方便了系统的安装。 针对不同的电梯系统，可通过串口、并口采集信号且实现了高速串行通讯模块。 具有接口类型可选择，通讯速率可满足高速要求的功能。结合嵌入式系统与电梯系统 的特点，融合先进的m p 3 技术和存储器技术，使用d a 转换器、功放放大器，具有 语音可定制、语音容量小、语种可选择、音质清晰的特点。同时，为用户提供了友好 的管理界面，简单、易学。 本文设计的嵌入式电梯自动语音报站系统具有可靠性、低成本、低功耗、通用性 的特点，经简单的改造，可以用于其他相关领域中。该系统已经在北京北方东阳电梯 有限公司等投入使用，效果良好。 关键词：嵌入式，智能化，知识库，语音 南京埋工大学硕士学位论文 智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 a b s t r a c t i ti sah e a t e di s s u et oa p p l yi n t e l l e c t u a lt e c h n o l o g yi n t oe m b e d d e ds y s t e m t h i sp a p e r f i r s ti n t r o d u c e dt h ee m b e d d ms y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o na n dt h e np r e s e n t st h eg e n e r a l s t r u c t u r eo fe m b e d d e d s y s t e m f r o mt h e a n g l e o ft h es y s t e m d e m a n d ，e s p e c i a l l y i n t e l l e c t u a l i z a t i o nd e m a n d t h i sp a p e ra n a l y z e st h et h r e ec o m p o n e n t so ft h es y s t e m ：t h e e l e v a t o rp r o t o c o lc o n v e r tc a r de m b e d d e ds o u n dp l a y e r , u pl e v e ls o u n dm a n a g e m e n t s o f t w a r e ，f i n a l l y , i tt a l k sa b o u tt h ep r o b l e m st h a tm a ye n c o u n t e rd u r i n gt h ed e b u g g i n go f t h es y s t e ms o f ta n dh a r d w a r ea n da l s ot h ew a y st os o l v ei t t h em u l t i p l i c i t yo ft h es i g n a l so fe l e v a t o rs y s t e mm a k e st h er e c o g n i t i o no ft h e mv e r y d i f f i c u l t t h i sp a p e rp r e s e n t st h ew a y st oc l a s s i f ys i g n a l so fe l e v a t o rs y s t e m ；a p p l i e d g e n e r a t er u l e sa n dc r e a t et h ek n o w l e d g eb a s eo fg e n e r a t er u l e s i np r a c t i c e ，a c c o r d i n gt o s p e c i f i c e l e v a t o rs y s t e m ，s y s t e ms e l f - l e a r nm e c h a n i s mi sa p p l i e d ，w h i c hm a k e st h e i n s t a l l a t i o no ft h es y s t e mm o r ec o n v e n i e n t ， a c c o r d i n gt o t h ev a r i e t yo fd i f f e r e n t s y s t e m ，s e r i e s p o r t o rp a r a l l e l p o r t s i g n a l c o l l e c t i o nc a nb eu s e da n dt h eh i g hs p e n ds e r i a lc o n u - f l u n i c a t i o nm o d u l e sc a nb er e a l i z e d a n dt h i sh a st h ea d v a n t a g eo fp o r tt y p es e l e c t a b l e ，h i g hc o m m u n i c a t i o ns p e e dw h i c hm e e t s t h ed e m a n d b yc o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e ds y s t e ma n de l e v a t o rs y s t e m ， a p p l y i n gm p 3a n dm e m o r i z e rt e c h n o l o g y , u s i n gd ac o n v e r t e r , p o w e ra m p l i f i e r , i th a st h e c b a r a c t e r i s t i c so fs o u n dc u s t o m i z a b l e ，s m a l ls o u n dv o l u m e ，l a n g u a g es e l e c t a b l e ，a n dc l e a r t i m b r e a tt h em e a nt i m e ，i tp r o v i d e st h ec u s t o m e raf r i e n d l ya n de a s yt oc o m m a n dm a n a g e i n t e r f a c e t h ee m b e d d e de l e v a t o ra u t of l o o ra n n o u l l c e rs y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo fh i g h r e l i a b i l i t y , l o wc o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dg e n e r a l i t y i tc a r ta l s ob ea p p l i e d t oo t h e r f i e l da f t e rs o m ec h a n g e s u c hs y s t e mh a sa l r e a d ya d o p t e db yb e i j i n gs o u t hd o n g y a n g e l e v a t o rc o r p o r a t i o na n dt h eu s a g er e s u l ti sq u i t eg o o d ， k e yw o r d s ：e m b e d d e d ，i n t e l l i g e n c e ，k n o w l e d g eb a s e ，s o u n d i i y7 6 3 0 5 2 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 黎丝里 劭万年石月万目 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：么够年6 月歹日 南京理工大学硕士学位论文 智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 1 绪论 1 _ 1 课题目的和意义 随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使现 代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业控制领域 带来了一次新的技术革命。由嵌入式微控制器组成的系统，最明显的优势就是可以嵌 入到任何微型或小型仪器、设备中。 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适应应用系统，对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系 统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的 产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知 识集成系统 2 1 。 嵌入式系统的应用之一是嵌入式电梯自动语音报站系统。电梯是高层建筑的重要 机电设备。现代化智能大厦不仅要求电梯能够安全平稳地将乘客送达目的地，而且应 该能够预报层站、插播宣传语及特定层站说明语。 而电梯系统的多样性和复杂性，使得电梯信号的输出接口也多种多样，包括串口 ( 又分为r s 2 3 2 接口、r s 4 8 5 接口) 、并口和专用接口等。本文的目的就是研究如何 将智能化技术应用到嵌入式系统中，解决不同电梯型号和电梯信号多样型所带来的问 题，在满足嵌入式系统的约束性条件下，设计出通用的嵌入式电梯自动语音报站系统。 1 2 国际国内研究情况和进展 随着微电子技术的不断创新和发展，嵌入式系统，作为计算机应用的一一个重要领 域，己深入到社会的各个方面，越来越为人们所关注。嵌入式系统是计算机的一种应 用形式，通常指埋藏在宿主设备中的微处理机系统。对用户而言，此类计算机一般不 被设各使用者在意，典型的有微控制器、微处理器和d s p 等。嵌八式处理器使宿主设 备功能智能化、设计灵活和操作简单，它们小到移动电话、i c 卡，大致飞机导航系 统，这些设备功能各异，千差万别，但都具有功能强、实时| 生强、结构紧凑、可靠性 高和面向对象等共同特点。广义而言，嵌入式系统是指作为某种技术过程的核心处理 环节，能直接与现实环境接1 2 1 或交互的信息处理系统。确切地说，在这种应用环境中， 信息处理系统处于嵌入式工作状态，即实时就绪与环境互动，即实时工作方式，其典 绪论 硕士论文 型例子如i p c 在工业过程控制或实验监测中的应用。嵌入式系统通常由硬件和软件两 部分组成。简单的嵌入式系统由微控制器或单片机及嵌入式软件组成。 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。目前掂不完全统计，全世界嵌入式处理 器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，其中8 0 5 1 体系的 占有多半。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有 自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度从 0 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚。和1 ：业控制计算机相比， 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必 须包括r o m 、r a m 、总线接 - 、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保 密性也较差翻。 嵌入式处理器目前主要有p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 等系列。嵌入式操作系 统一般装在处理器的内存中，是嵌入式系统中极为重要的组成部分是嵌入式应用软件 的基础和开发平台，为信息服务商提供新的信息平台，为信息运营商扩充用户群。 嵌入式操作系统可分为立n t ) l 个层次f 2 ：与硬件相关的底层软件、操作系统核心、 图形界面、通信协议、标准化浏览器以及应用软件。嵌入式r t 0 s ( 实时操作系统) 是 一段嵌入在嗣标代码中的软件，用户的其他应用程序都建立在嵌入式r to s 上。嵌入 式r t o s 也是一个可靠和可信性很高的实时内核，将c p u 、中断、1 ，o 、定时器等资源 都包装起来留给用户一个标准的a p i ( 应用程序接口) ，并根据各个任务的优先级，合 理地在不同的任务之间分配c p u 时间。存嵌入式r t o $ 的基础上可以编写出番种硬件 驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数，和通用性的应用程序在一起，可 以作为产品销售，处境行业内的知识产权交流。因此嵌入式r t o s 又是一个软件开发 f 台。目前比较流行的实时多任务操作系统有3 c o m 公司的p a l m 0 5 、微软w i n d o w sc e 、 j s i 公司的p s o s 和q s s l 公司的q n x 等等m 。 以上是有关嵌入式系统的概述。嵌入式系统的核心在嵌入式处理器。本课题所选 用的处理器是美国德州仪器公司( t i ) 近几年开发的新一代单片机，m s p 4 3 0 系列单片 机是该单片机在设计上打破常规采用了全新的概念，其突出的优点是低电源电压、超 低功耗、多种功能。由于其功能远远超过其他系列单片机的功能因而又称之为混合型 单片机。m s p 4 3 0 单片机带有丰富的片j 二外围模块( 包括1 2 位a d 转换器、串行通讯 接口、l c d 驱动电路、p w m 模块及多种时钟模块) ，特别适合应用在智能仪表、防盗系 统、智能化家电、电池供电的便携式设备等产品中。m s p 4 3 0 的这种高集成度使应用 人员不必在接口、外接i 0 口及存储器上花太多的精力，而可以方便的设计真正意义 上的单片系统。m s p 4 3 0 的片内存储器有r o m ( c 型) 、0 t p ( p 型) 、e p r o m ( e 型) 、f l a s h m e m o r y ( f 型) 4 种型号，采用冯诺伊曼结构，因此，r a m 、r o m 和全部的外围模块都位 南京理工大学硕士学位论文智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 于同一地址空间内【l ”。基于m s p 4 3 0 的应用系统开发受到广泛的重视。 m s p 4 3 0 有十分方便的开发调试环境，片内有j t a g 调试接口，只需要一台p c 机 和一个j t a g 调试器即可进行开发。开发语言有c 语言和汇编语言。这也是本课题选 择m s p 4 3 0 的一个原因。 嵌入式电梯自动语音报站系统的信号采集部分，是许多设计者必须考虑和解决的 一个问题。首先，应该对电梯系统的控制结构有所了解。电梯系统一般采用的是主从 式的总线结构，控制机是主，各个楼层的分站机是从，主从机都有地址，大多以r s 4 8 5 总线连接。为了满足系统的响应及时性，系统的通讯速率比较的高，有的达到1 m b p s ， 而有的电梯公司，如t s h i b a 公司的c v l s o 型电梯系统其串行口的通讯速率为 1 5 m b p s 。高速的通讯速率必然对系统处理速度、响应时间、可靠性、抗干扰性提出 更高的要求。同时，电梯主控制机的提供者，处于商业机密的考虑不会提供电梯系统 的通讯协议。在能够正确接收电梯数据的前提下，如何识别数据的含义，提取电梯语 音报站系统所需的有用信息，是摆在系统设计者面前的首要问题。如前所述，有两种 途径来解决。其一是，购买电梯的信号采集卡，采集卡取得电梯数据，输出一一定规则 的电梯信号，采集卡实际上是一个协议的转换器。采集卡的价格也不菲，使用采集卡， 大大简化了电梯信号的采集难度，但也增加了系统的成本。其二是，通过一定的技术 和方法，来分析电梯在各个状态下的数据及其对应的含义找到数据的变化规律，逐步 确定电梯系统的通讯规则。这必须经过多次的数据采集，分析比较，综合归纳和反复 的试验等。破解电梯的通讯协议难度比较的大，但受益也大，系统的成本大大下降。 如果破译协议成功，可以自己做一个功能类似的采集卡，其输出数据的格式与所购买 的采集卡相一致，增加了系统的灵活性。 本系统的核心是嵌入式的语音报站器。语音报站器的芯片种类很多，有的芯片集 成度高、功能齐全，例如i s d 4 0 0 4 语音系列芯片是美国t s d 公司推出的产品，具有可 多次重复录放、存储时间长、使用时不需扩充存储器、所需外围电路简单等特点。再 如a p r 9 6 0 0 语音录放芯片是一种音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音 芯片，单片可录制6 0 秒，串行控制时可分2 5 6 段，并行控制最大可分8 段。 由于本系统的核心是嵌入式语音报站器，不可避免的要接触到一些有关音频方面 的概念。了解音频知识对于设计系统有很大的帮助。下面说明有关音频编码的概念。 自然界中的声音非常复杂，波形极其复杂，通常采用的是脉冲代码调制编码，即p c m 编码。p c m 通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。 采样率和采样大小( 位b i t ) 、有损和无损、频率与采样率的关系等是一些比较常见 也是容易混淆的概念。流特征是随着网络的发展，人们对在线收听音乐提出了要求， 因此也要求音频文件能够一边读边播放，而不需要把这个文件全部读出后然后回 放，这样就可以做到不用下载就可以实现收听了。也可以做到一边编码一边播放，正 i 绪论硕士论文 是这种特征，可以实现在线的直播，架设自己的数字广播电台成为了现实。 嵌入式电梯自动语音报站系统是嵌入式系统的一个应用领域，既有硬件电路技 术、软件设计技术，又有通讯协议的设计；既涉及到音频技术，又涉及到大容量的存 储技术。系统的各个主要组成部分既要有功能的完整性又要不失灵活性，在选择单片 机、功能器件、通讯接口上也要全面的考虑。电梯系统的多样性和复杂性，使得电梯 信号的输出接口也多种多样，解决的方式是引入智能化的技术，包括本文运用的产生 式规则，建立了产生式规则知识库。具体实施时，针对特定的电梯系统，引入系统自 学习机制，方便系统的安装。 相信智能嵌入式系统在电梯中的应用将为电梯等系统的语音报站提供解决问题 的一个途径，语音报站技术的应用面将更为广阔。 4 南京理工大学硕士学位论文智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 2 系统的智能化分析 智能是指在求解问题时从巨大的解空间中迅速找到合适解的能力i ”。一个系统之 所以能在求解问题的过程中体现出高水平的智能理解和智能行为，主要是由于它能够 利用专业领域的概念、事实、方法、模型以及领域的启发性知识。知识原理强调只有 小部分知识能被一般化，而且有通用性。因此，在求解问题时，仅仅有通用性的方法 是远远不够的。事实上，如果只获取通用的方法。那么在求解问题时，会因为缺乏足 够的限制，而无法有效控制求解的范围。知识的数量占解空间的大小之间存在着反比 例的关系，一般说来拥有的领域知识愈多，则搜索的解空间愈小【1 。 一般说来系统拥有的知识愈多，则解决问题的能力亦就愈强。知识量的多少可以 粗略地用以下三个知识阀值来衡量。知识的形式化阀值：求解一个问题所需要的最少 知识量。知识的胜任阀值：系统具有的知识量足以解决某领域、某范围的大部分问题， 那么知识的这一数量，称作胜任阀值。知识的专家阀值：系统所具有的知识能处理领 域中所有异常情况，这时系统的知识量达到了专家阀值”。 电梯系统的多样性和复杂性，使得电梯信号的输出接口也多种多样。在开发研制 嵌入式电梯自动语音报站系统时，碰到了不少问题，其中电梯信号知识的表示、获取 和维护是比较重要的问题。要开发种可适用于大多数型号电梯的、自动播放的嵌入 式电梯自动语音报站系统就必须总结电梯信号接口的相似性、互异性，找出其规律， 采取适当的方法加以解决。本章提出了将电梯信号知识分类的方法，运用了产生式舰 则，建立了产生式规则知识库。具体实施时，针对特定的电梯系统，引入了系统自学 习机制，方便了系统的安装。 2 1 知识及其表示 知识表示是现在a i 研究中最活跃的领域之一，知识表示的技术和理论经历了快速 的变化和发展。对于什么是知识以及知识表示等形成了众多理论，产生了知识处理学。 知识库系统主要处理的就是知识，知识具有不同的表现形式，分别适合于表现不同领 域的知识。知识表示的选择在很大程度上影响知识库的效率。 什么是知识? 从认识论的角度来看，知识是人类知识自然界( 包括社会和人) 的 精神产物，是人类进行智能活动的基础u ”。计算机所处理的知识，按其作用可大致分 为三类 1 3 ： 描述性知识，表示对象及概念的特征及其相互关系的知识，以及问题求解状况的 知识，也称为事实性知识。 5 2 系统的智能化分析 硕土论文 判断性知识，表示与相关领域有关的问题求解知识如推理规则等，也称为启发性 知识。 过程性知识，表示问题求解的控制策略，即如何应用判断性知识进行推理的知识。 知识表示是对智能进行模拟的一个数学模型，然而它可以不是一个对智能本质的 描述，特别是传统的符号主义知识表示离揭示人的智能行为发生的内在过程还有很大 的差距。在神经科学和心理学的指导下，通过对智能行为的生理基础和心理过程的研 究，遵循“解释智能”的思想，可以得到对知识的心智表示的新认识。这种表示观的 不同，预示着人工智能方法论上的进步。人工智能与计算技术的结合产生了所谓“知 识处理”的新课题。即要求计算机来模拟人脑的功能，以知识和智能来解决各种问题， 回答各种询阎、或从已有的知识来推演新知识等等。 知识的表示与知识的获取及知识的运用一起，称为知识处理学的三大课题。而且 般认为知识表示处于其中心地位。因为一方面获取的知识必须表示成某种形式，否 则就无从记录下知识：另一方面显然没有表示也就根本谈不上运用知识。不但能否把 知识表示出来对知识的处理是如此至关重要，而且知识表示的好坏对知识处理的效率 和应用范围影响很大，对知识获取和学习机制的研究也有直接的影响。所以，知识表 示问题向来就是知识处理中最热门的研究课题之一。而且往往把知识表示与知识的运 用结合起来研究，以求知识处理的最佳效果。 为了便于知识管理和推理分析，一般要求所表达的知识简单、明了、易于理解， 并能对知识进行方便、灵活的扩充。知识表示的方法有多神，各种表达方式的能力和 特点有一定的差异。迄今，a i 学者们已经提出了许多表示知识的方法。 2 1 1 逻辑表示法 这里所说的逻辑系指一阶谓词逻辑。逻辑表示法是最早使用的一种知识表示方 法，它具有简单、自然、精确、灵活、模块化的优点。逻辑表示法的推理系统采用归 结原理，这种推理方法严格、完备、通用，在自动定理证明等应用取得了成功。 谓词逻辑是使用量词和逻辑连接符做出有关对象、特征、场景和关系的陈述的。 例如：o n ( b o x ，t a b l e ) ，它表示盒子在桌子上。其中b o x ( 盒子) 和t a b l e ( 桌子) 是 常量，表示个体。0 n ( 在上) 是谓词，表示b o x 弄n t a b l e 的关系。再如所有的大象都是 灰色的可表示为：v x ( e l e p h a n t ( x ) 一c o l o r ( x ，g r a y ) ) 。 对于一阶谓词逻辑表示方法，主要有以下优点。( 1 ) 一阶谓词逻辑建筑在扎实的 数学基础上，所以其具有严密的科学性。( 2 ) 用一阶谓词表示求解问题的所需的知识 符合人类对问题的直觉理解，易于自然表达。( 3 ) 一阶谓词具有完备的逻辑推理算法， 所以大部分的知识均可以用一阶谓词逻辑来表达。( 4 ) 谓词逻辑与关系数据库具有密 智能嵌入- 系统亿i u _ l ；中的向用训究 切的联系。在关系数据库中的逻辑代数表达式是逻辑表达式形式之一，所以很容易把 关系数据库改造为演绎知识库。 一阶谓词有一下几个不足：( 1 ) 一阶谓词逻辑不允许量词作用于谓词和函数， 这限制了它表达和处理知识的能力。( 2 ) 一阶谓词逻辑只能表达描述性的知识，而不 能表达过程性的知识。( 3 ) 在求解较大型的问题过程中，由于知识的组合爆炸使知识 处理效率低下，所以一阶谓词不适合组织大型知识库。 2 1 2 语义网络表示法 语义网络是通过包含结点和边( 连接结点之间的弧) 的有向图来描述对象、事件、 概念以及动作的方法，由于它很自然，所以在人工智能中获得广泛应用。 例如，图2 1 2 l 为描述“我的椅子”( m y c h a i r ) 的个语义网络其中，节点 “m y c i a i r ”以上的部分表示“我的椅子是一个椅子”，“椅子是一种家具”，“座 部是椅子的一部分”结点“m y c h a i r ”以左的部分表示“我的椅子的所有者是我”， “我是一个人”结点“m y c h a i r ”以右的部分表示“我的椅子的覆盖物是皮革”。 图中“i s a ”和“a k o ”是语义网络中常用的关系。“i s a ”表示某一个体是某一集合 的元素。“a k o ”是a k i n d o f 的缩写，表示一个集合是另个集合的予集合，如“椅 子是一个家具”。 图21 ，2 ，1 表示“椅子”的语义网络图 一个有向图将对象自然地联系在关系当中，因而语义网络可用在很复杂的分类学 推理领域中以及那些需要表示对象、事件、场景及行为的特性及它们之间关系的领域 中。在语义网络中，程序可以从感兴趣的任何结点出发，沿着弧到达相关联的结点， 还可继续沿弧到达更远的结点，这种方法非常自然，类似于人类的联想记忆。但是 鉴于每个结点连接多条弧，当我们从开始结点出发后，如果没有很好的组织和强有力 的搜索规则指引，就会容易陷入无穷支路而无解。 7 2 系统的智能化分析倾l 论史 2 1 3 产生式规则表示法 产生式规则把知识表示成“模式一动作”对，表示方式自然、简洁。它的推理机 制以演绎推理为基础，推理系统也称为产生式系统。产生式系统是一个基于产生式规 则表示知识的知识库系统。产生式规则概念由波斯特( p o s t ) 在1 9 4 3 年提出，后由尼维 尔( n e w e l1 ) 和西蒙( s i m o n ) 于1 9 7 2 年提出产生式系统i l3 1 ，本文应用了产生式系统，将 在2 3 节对产生式系统做详细介绍。 产生式规则的般形式为： i f ( 荫提) t h e n ( 动作或结论) w i t hc f 规则主要有两个部分：自d 提和结论。前提是条件，当条件为真时，规则被激活；规 则的结论是规则激活的结果，当规则被激活时，它就为真。规则的激活通过增加或修 改事实来影响知识库。一个规则受到它的确定性( c f 值) 的影响。新事实的确定性由用 于激活规则的事实的确定性和规则本身的确定性来确定。因为产生式系统中知识的模 块化表示以及易扩展性和易修改性，产生式系统己成为人工智能知识表示中最流行的 方法，币被愈来愈多的系统所采用。 此外，知识表示的方法还有直接表示方法、过程表示法、面向对象的表示法以及 多种非规范逻辑等。 2 2 知识的获取 知识获取就是把解决闷题所用的专门知识从某些知识来源变换为计算机程序。知 识来源包括专家、教科书、资料库以及工程师自己的经验。知识获取是建造知识库系 统的关键工序，已成为知识库系统的“瓶颈”问题。 目前，在知识获取过程中起主要作用的是知识工程师。知识工程师的任务就是协 助领域专家将领域知识形式化，并建立知识库。近年来出现的知识获取工具系统部分 地取代了工程师的工作，加速了知识获取的过程。 2 2 1 知识获取的基本过程 整个知识获取的过程可大致分为 | 马个阶段1 2 】： ( 1 ) 明确问题的性质，建立问题求解模犁。 ( 2 ) 确定知识表示形式，建立问题求解的基本框架。 ( 3 ) 实现知识库。 ( 4 ) 测试与精练知识库。 南京理工大学硕士学位论文智能嵌八式系统在电梯中的应用研究 以上四个步骤可能会出现重叠和反复，下面分别加以说明。 1 明确问题的性质，建立问题求解模型 在这一阶段，知识工程师和领域专家应紧密协作，确定问题的性质，系统的作用， 整理出专家解决问题的思路，建立一个粗劣的问题求解模型。这一阶段需要考虑的问 题有：问题求解的目标及其类型；问题是如何划分成子问题的；问题求解中涉及的主 要概念及它们的关系；信息流的特征，哪些信息是由用户提供韵，哪些信息是应当导 出的。 2 确定知识表示形式，建立| 、口j 题求解的基本框架 这是一个将领域知识形式化的过程。在这一过程中，把关键的概念、子问题和信 息流特征形式化地表示出来。究竟采用什么形式，要根据问题的性质选择适当的系统 构造工具或适当的系统框架。在形式化的过程中，三个主要的因素是：假定空间、基 本的过程模型和数据的特征。为了理解假设空间的结构，必须把概念形式化并确定它 们之间的联系，还要确定概念的粒度和结构。为此需要考虑以下问题：把概念描述成 结构化的对象，还是处理成基本的实体；概念之间的因果关系或时空关系是否重要， 是否应当显示的表示出来；假定空间是否有限；假定空间是否由预先确定的类型组成， 还是由某种过程生成的；是否考虑不同的抽象级别。 3 实现数据库 在形式化阶段，已经确定了知识表示形式和问题求解策略，也选定了构造工具或 系统框架。在这一阶段，就是要将前一阶段形式化的知识映射到选定的表示框架中。 前一阶段产生的形式化知识与选定的表示框架所要求的数据结构，推理规则与控制策 略可能有不匹配之处，这一阶段就要消除这些不匹配，实现原型知识库。如果这些不 匹配不能消除，则要考虑重新选择构造工具或系统框架。 4 测试与精练知识库 这一阶段的任务是，通过运行实例发现知识和推理机制的缺陷。通常出现的导致 性能不佳的因素有如下几种： 输入输出特性，即数据获取与结论表示方面存在缺陷。 推理规则有错误、不一致或不完备。 控制策略有问题，不是按“自然顺序”解决问题。 在测试过程中，实例的选择应照顾到各个方面，既要涉及“典型”的情况，也要 涉及到“边缘”的情况。根据测试的结果，应对原型系统进行修改。修改的过程应包 括重新实现，重新形式化，乃至于重新确定问题的性质。测试与修改过程应反复进行， 直到系统达到满意的性能为止，这一过程也称为求精。 9 2 系统的智能化分析硕士论文 2 2 2 知识获取的主要手段 知识获取的过程是知识工程师和领域专家共同工作的过程。根据他们的工作方 式，可将知识获取过程分为交互式与非交互式两种。 交互式也称为主动式( a k a s ) ，由知识工程师提出问题，领域专家作出回答，在 交互中获取知识。 非交互式也称为被动式( p k a s ) ，知识工程师不干扰领域专家的工作，以观察的 方式获取领域知识。这种知识获取方式比交互式难度要大一些，但在有些情况下只能 采取这种方式。 机器学习也是知识获取的一种手段。由计算机取代部分知识工程师和领域专家的 工作。 下面对知识获取的几个主要手段逐一作出介绍。 1 面谈法( i n t e r v i e w ) 与专家进行面对面交谈是一种广泛使用的知识获取方式。但是，不拘形式的会 谈不易得详细的知识，因此，可采用专题面谈的形式，即向专家提出事先拟定好的 问题，由专家任意回答。问题大致分为两类，即“在情况下将怎样处理”和 “为付么这样做”等。 2 模拟法( s i m u l a t i o n ) 模拟法可分为静态模拟( s t a r i cs i m u l a t i o n ) 和动态模拟( d y n a m i cs i m u l a t i o n ) 。 静态模拟是指出某一实例的情况，请专家谈其求解过程。这一方法肯定会得到 一套资料，说明器求解过程所用的知识和步骤。它的优点是，因静态条件下进行，可 以集q 到我们最感兴趣的方面讨论。它的缺点是，对专家而言，工作压力与时间压力 与实际情况不同，且可能忽略某些细节。 动态模拟是在专家处理某真实问题时，知识工程师观察并记录下其实际求解步 骤，然后再进行分析。这种方法的优点是能够观察到专家在自然状态下的工作过程， 缺点是较为费时费力。 3 口语记录分析( p r o t o c o la n a l y s i s ) 心理学家所谓的口语记录分析，即对专家的思维活动做出叙述性的记录。其作法 是，当专家解决问题时( 可以在现场，也可以追忆) ，让专家自己叙述自己想些什么， 并加以笔录或录音，然后对记录加以分析。 基于知识库的系统在开发过程中，知识获取是中心任务，占了总工作量的三分之 左右；并且在使用中仍需不断地修改、扩充和完善，贯穿系统开发和维护整个过程。 知识获取由知识工程师与领域专家密切协作共同完成。 除了人工获取方式外，随着机器学习技术的发展，自动知识获取已成为目前国际 南京理工大学硕士学位论文智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 上人工智能研究的重要方向。例如示例学习、类比学习、解释学习、人工神经元网络 等技术，从实际的实验数据或实例中去自动产生知识。在此过程中，采取与电梯系统 的专家们共同工作的方式，交互式获取为主，非交互式获取作为辅的方法。在专家的 指导下进行知识的概念化、形式化，最终存储入相应的知识库中，从而完成知识获取 ：1 二作。 2 3 电梯信号知识及其分类 电梯系统为了获得楼层、方向等信号，利用并口是其常见的方式。电梯型号的不 固使得信号的输出方式不同、有效电平不一、传输速率快陵差别火、各个传感器的物 理位置不同，传感器的相对位置不同。可以说电梯信号的知识内容丰富而复杂，主要 包括下列几个方面： ( 1 ) 平层信号类知识。这类知识主要用于对电梯楼层信号的识别。乎层，就是使 电梯恰到好处地停稳在每一楼层的楼面。平层信号可分为上平层和下平层。一般的， 在每_ 楼层的楼面处，都有产生平层信号的平层感应器，也成为平层开关。另一方面， 在电梯的底部，有一个隔磁板。隔磁板靠近平层开关，便得到平层信号。如果隔磁板 与两个平层开关未接近时的电平为低，则接近时的电平为高。此类知识使用较多， 般当电梯型号改变时，其信号的含义会发生相应的改变，根据电梯实际的型号及其具 体变化进行系统的分析研究。 ( 2 ) 终端信号类知识。终端信号类知识用来标识电梯到达了最高层或最底层。一 般的，电梯到达最高层会产生上终端信号，到达最低层会产生下终端。终端信号的产 生机理如平层信号的产生机理相似。在电梯的顶部和底部，分别安装有一个隔磁板。 隔磁板靠近终端开关，便得到终端信号。与平层信号一样，终端信号的有效电甲也因 不同的电梯型号而异，有时上下终端信号的电平也可能不一样。 ( 3 ) 到站钟信号类知识。到站钟信号类知识用来表示电梯到达了某一层并进行了 开关门处理。比如某电梯现位于某座楼的一层，某时刻在六层有人按键呼梯，则当电 梯经过上升运行后停在六层，此时便产生到站钟信号。到站钟信号在不同电梯型号中， 有效电平持续的时间也不一样。 ( 4 ) 异常信号类知识。目前，异常主要分为外部引起的异常、内部异常等。外部 异常包括电源电压的突变、电梯系统引入的干扰。内部异常包括处理器运行超时、中 断异常等。 2 系统的智能化分析 硕士论文 2 4 产生式规则知识库 2 4 1 知识库的定义 什么是知识库，至今还没有一个统一的定义。从贮存知识的角度来看，以描述型 方法来存贮和管理知识的机构叫做知识库 1 i 。知识库是事实、规则和概念的集合。事 实在库中是短期信息，这种信息在与用户的交互作用中会迅速改变。规则是从专家们 的经验中抽取出来的知识，是长期信息。它能指导系统如何由已知的或新产生的事实 中推导出假设来。规则的质量直接影响到系统的性能的优劣。概念包含信息和常识。 信息会随着时间的变化而变化，所以是一种非长期的信息；常识是一种不随时间变化 的固定概念，所以是一种长期信息。从使用知识的角度来看，知识库是由知识和知识 处理机构组成的。知识库形成一个知识域，该知识域中除了事实、规则和概念之外还 包含推理、归纳、演绎等知识处理方法、逻辑查询语言、语义查询优化和人机交互界 面等。一般的，从贮存知识的角度出发而做出的知识库的定义比较常用，而且也比较 符合知识库使用的实际情况。 2 4 2 产生式系统的结构 基于规则的产生式系统是目前知识库系统中使用最为普遍的一种。一个产生式 系统由三个基本部分组成： ( 1 ) 规则库：是产生式规则的集合，规则的形式为i f t h e n ( 2 ) 动态数据库( 上下文) ；用以存放求解问题的已知条件信息( 事实) 和推理过程的 中间结果。 ( 3 ) 推理机：控制产生式系统的整个问题求解过程。推理机制基于“认识一行动” 循环周期的推理方法。在认识周期通过模式匹配和冲突消解获取最合适的执 行规则；在行动周期执行适合的规则，并用得到的中间结果更新动态数据库 内容，通过认识行动周期的反复循环；最后达到求解问题的目标。产生 式系统的组成如图2 4 2 1 所示。 南京理工大学硕士学位论文 智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 2 4 3 产生式系统的优缺点 图2 , 421产生式系统的组成图 产生式系统的优点如下： ( 1 ) 知识结构接近人类思维和会话形式，易于理解 ( 2 ) 规则表示形式一致，易于控制和操作 ( 3 ) 具有高度模块化，规则之间互相独立，易于作增删，修改等知识更新操作。 ( 4 ) 能有效地表达表层知识。 产生式系统的缺点如下： ( 1 ) 规则间的相互关系不透明，所以理解知识的整体形象困难。 ( 2 ) 规则之间约束及相互导致知识处理的低效率。 2 4 4 产生式系统的知识表示 1 事实的表示 事实又称为上下文是求解问题的己知条件的当前信息集合。它可以用来描述问题 和描述环境，包括与特定问题有关的各种临时信息。在求解问题的推理操作之前，采 用适当的方式，将事实加入到动态的数据库中。对于表示事实的数据结构，产生式系 统没有具体的规定，如集合、列表、树、数组和图等。但一股常用列表和数组的表达 形式。 例如关于电梯上行信号的例子： 用( 对象，属性，值) 三元组列表来表示事实，则可以组成以下动态数据库： ( 上平层，电平，低) ( 下平层，电平，低) ( 上平层，有效时间，1 0 r e s ) ( 下平层，有效时间，1 5 m s ) 2 系统的智能化分析 一 硕士论文 ( 上平层，级别，1 ) ( 下平层，级别，2 ) ( 上终端，楼层，n i ) ( 下终端，楼层，n 2 ) ( 电梯，方向，上) ( 电梯，最高层，n 1 ) 2 规则的表示 对于一个产生式规则，某条件部分和结论部分采取什么方式束表示，产生式系统 没有明确的规定，但尽可能注意以下两条原则：1 ) 条件部分和结论部分的表示方式 与动态数据库中的事实表示形式尽可能表示一致，便于条件与事实的检索匹配和修改 动态数据库中的事实。2 ) 在能够很好的表达清楚意思的前提下，尽可能使它们表达 简洁，便于规则的处理。 例如：使用上面介绍的三元组列表方式表示事实时，产生式规则表示形式如下： r 1 ： 球( 上平层，级别，1 ) a n d ( 下平层，级别，2 ) a n d ( 电梯，方向，上) t h e n ( 上平屡，优先，下平层) r 2 ：i f ( 上终端，楼层，n 1 ) a n d ( 下终端，楼层，n 2 ) a n d ( 电梯，最高层，n 1 ) t h e n ( 上终端，优先，下终端) 2 4 5 产生式系统的存储 基于本文所设计的系统的特点，知识库存放在f l a s h 型存取器中，采用了一片 s a m s u n g 的k 9 f 1 2 0 8 u 0 。其数据保持时间为1 0 年，可进行十万次编程擦除操作。编程 页周期为2 0 0 u s ，撩除块的时间为2 m s ，页数据的读出速度为每字5 0 n s 。电梯信号如 上平层、下平层、上终端、下终端等是毫秒级的，l i g f l 2 0 8 u o y 运行再微妙级所以该 f l a s h 型存储器完全可以满足系统得要求。 2 5 系统推理算法及实施 利用知识，解释输入的数据或事实，推导出用户所需的结论，并根据要求，说 明得出结论的依据，用于进行这种推理控制的模块称为推理机构。这种推理过程是使 南京理工大学硕士学位论文 智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 用知识才能完成。本节详细介绍产生式系统的推理，本文设计的嵌入式电梯自动语音 报站系统也是使用的这种推理方式。 2 5 1 系统的推理过程 产生式系统的推理机制一个称之为“认识一行动”循环周期的推理过程。在这 里，动态数据库中的内容被当作符号集合，产生式规则以“i f t h e n ” 的形式表示。前提部分是表示当前提部分的逻辑为“真”时，执行对数据库中的内容 进行追加和删除等更新操作。 见图2 5 1 1 产生式系统的推理执行过程可分为三个阶段： ( 1 ) 模式匹配：把当前数据库中的事实和规则库中的各条产生式规则的条件部分 相匹配，如果两者完全匹配( 或近似匹配) ，则把这条规则称为触发规则。将所有的 触发规则取出，组成触发规则集。 ( 2 ) 竞争消解：从触发规则集中按某种控制策略选出一条执行的规则，该规则称 为启用规则。 ( 3 ) 操作：执行启用规则的操作部分， 动态数据库 ：i ! ! ：卫一一一j 规则库 ： 其结果使得动态数