信息家电智能协作系统的的设计与实现毕业设计

1、jiu jiang university毕 业 论 文 题 目 信息家电智能协作系统的设计 与实现 英文题目 design and implementation of information appliances intellig-ent collaborative system 院 系 信息科学与技术学院 专 业 计算机科学与技术 姓 名 陈丽芳 班级学号 a081117 指导教师 刘华中 二一二年五月摘 要随着计算机技术、网络技术和信息技术的不断发展以及人们生活质量的不断提高，家居生活智能化已经成为可能，并且成为了家居生活发展的必然趋势。要实现家居的智能化，必定要解决信息家电间的智能协作问

2、题。信息家电作为智能家居的一个重要组成部分，信息家电间的相互协作、相互识别，自主学习和推理会将智能家居的智能化推向一个更高的层次。系统通过推理算法简单模拟实现信息家电间的智能协作，首先采用面向对象的统一建模语言uml语言来对信息家电的协作模型进行分析，建立了一个统一的协作模型；其次将协作模型中的协作关系用产生式规则进行知识表示；再次结合产生式规则专家系统知识设计推理算法；最后通过c语言结合存储在sqlite数据库中的知识库实现推理算法，简单模拟出了信息家电中的智能协作场景。通过在sqlite中的协作规则存储以及协作算法的c语言实现，系统简单模拟出了信息家电智能协作系统中状态接收，协作推理，动作

3、触发的智能协作过程。关键词：信息家电，智能协作，统一建模语言，产生式规则abstractwith the continuous development of computer technology, network technology and information technology and improvement of our living quality, the smart home life has become to be possible, and has become an inevitable trend of our home life development. to

4、realize the intelligent home life, we must solve the problem of information appliances collaboration. information appliances as an important part of the intelligent home life, the mutual collaboration, and mutual distinguish; autonomic learning and reasoning of information appliances will promote th

5、e intelligent home life to a higher level.the system simply simulates the realization of the intelligent collaboration through the reasoning algorithm. first, use the object-oriented unified modeling language (uml) to analysis the collaborative model of information appliances, built a uniform collab

6、orative model; second, use the production rules to express the collaborative relation of the collaborative model; third, combine the production rules based expert systems theory to design a reasoning algorithm; last, realize the reasoning algorithm by using c language and combining the knowledge bas

7、e in sqlite database, simply simulates the scenario of information appliances collaboration.through the collaboration rules that saved in sqlite and the collaboration algorithm that realized by c, the system has simply simulated the intelligent collaborative process that including status receiving,

8、collaboration reasoning, action activating of information appliances intelligent collaborative system.keywords: information appliances, intelligent collaboration, unified modeling language, production rules目 录摘 要iabstractii1 绪论1.1课题的提出(1)1.2课题研究背景(1)1.3课题国内外研究现状(2)1.4课题研究意义(3)1.5本文工作及创新点(4)1.6论文结构(5

9、)2 相关知识介绍2.1信息家电(6)2.2智能协作(9)2.3产生式规则(10)2.4专家系统(11)2.5本章小结(13)3 信息家电智能协作系统的设计3.1基于面向对象的信息家电智能协作系统模型设计(14)3.2智能协作系统uml建模(15)3.3信息家电智能协作系统中的概念模型设计(19)3.4本章小结(21)4 信息家电智能协作系统中的知识表示和智能推理4.1基于产生式规则的知识表示(22)4.2产生式规则专家系统在信息家电智能协作系统中的应用(24)4.3产生式规则自主学习优化(27)4.4本章小结(29)5 信息家电智能协作系统的实现5.1信息家电智能协作规则在数据库中的存储实现

10、(31)5.2信息家电智能协作规则的树型结构存储实现(36)5.3代码设计与实现(38)5.4本章小结(49)6 系统功能测试6.1系统数据库各表内容显示(50)6.2系统增加、删除规则功能显示(50)6.3系统推理功能测试(52)6.4系统规则优化功能测试(54)6.5本章小结(55)7 总结与展望7.1论文工作总结(56)7.2未来工作展望(56)致 谢(58)参考文献(59)1 绪论1.1课题的提出如今，智能家居已经逐步成为一个热点，它已经逐步成为一个平民化的产品。智能家居不仅是体现在给它的使用者提供一个方便、舒适的住宅环境，它还包括在家居安防和家居健康监护等健康家居、安全家居的运用。智

11、能家居所要给大家呈现的将是一个完整的家居体验。虽然说依靠一些简单的信息家电也能给用户提供一些很智能的功能，也越来越多的家电商家推出了众多的类似智能空调、智能冰箱的智能信息家电。信息家电是一种价格低廉、操作简便、 实用性强、带有pc主要功能的家电产品1。根据以上概念可知信息家电是一种家电产品，那么它也就代表了它其实还只是一个独立的个体，因此单纯的依靠信息家电是很难实现家居的智能化的，我们需要解决信息家电间的进一步协作问题，让信息家电间相互识别，相互协作，相互触发并且能够通过主人的事先设置以及日常的行为习惯来自动地完成一些动作，达到信息家电的自主学习和自我推理。通过信息家电间的协作可以实现智能家居

12、的一体化，让智能住宅中的信息家电成为一个整体，并且拥有自己的智慧和自主学习能力，更大程度上地为用户提供一个智能的家居。要实现信息家电间的智能协作，首先要提供一个合适、全面而且适用性高的协作模型。同时，再将信息家电的协作规则运用产生式规则的方式进行储备，成为信息家电间智能协作的一个参照依据，信息家电智能协作系统在运作过程中根据感应到的各信息家电状态来进行自我推理，自动地去推理控制信息家电间的协作。对信息家电的智能协作模型进行分析与设计，以及运用产生式规则原理来简单模拟信息家电间的智能协作，自我触发是本文的主要研究内容。1.2课题研究背景智能家居概念的起源很早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1

13、984年美国联合科技公司（united techno1ogies building system）将建筑设备信息化、整合化的概念应用于美国康乃迪克州（conneticut）哈特佛市（hartford）的cityplacebuilding时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。但当时只是对一座旧式大楼进行了一定程度的改造，采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信息服务2。智能家居至今在中国已经历了近10年的发展，在2011年11月27日安徽合肥举办的第五届中国（合肥）国际家用电器博览会中也引入智能

14、家居新概念，筹备智能家居体验馆、家电全产业链和小家电展示展销、家电新产品新技术发布、家电品牌展等内容。海尔、tcl、新科、春兰、格兰仕等知名家电企业也参加了展会。信息家电是应运智能家居而生的，从1999年3月，微软耗资数十亿美元，在全球范围内力推“维纳斯计划”，向信息家电领域挺进，到随后的美国国家半导体公司总裁赫拉在北京世界计算机博览会上在推销“信息家电”概念的同时还推出了如机顶盒、webpda等早期的信息家电产品以及之后中科院凯思软件集团与微软针锋相对地提出了称为“女娲”计划的嵌入式操作系统3。信息家电发展到现在，已经有越来越多的被冠以“智能”头衔的家电产品被推出市场，但是像海尔集团在物联网

15、时代推出的智能生活解决方案u-home这样的关于信息家电智能协作的完整智能家居协作方案产品却没有很好的发展起来。1.3课题国内外研究现状一些诸如海尔、春兰等的家电企业更多是研究如何推出更多的智能化的信息家电产品，很少致力于信息家电的协作这方面的研究。但是如果要进一步的实现家居的智能化，我们就必须要解决信息家电间的协作问题。要实现信息家电智能协作，必将需要考虑到采用什么样的协作模型来很好地去模拟出信息家电智能协作时的各种场景。目前比较常用协作模型的有基于多agent系统的协作模型、基于共享工作空间下的协作模型。多agent系统是研究如何再一群自主的agent间进行智能行为协调，它具有交互性、社交

16、性、协作性、适应性和分布性等。agent对环境以及其他的agent进行适应，然后改变agent的心智状态来实现agent间的协调4。在多agent系统中，agents的联合行为空间和联合状态空间是高维的，因此具体实现相对较难，此外，多agent系统是一个分布式的系统，但是信息家电的智能协作系统是一个集中式控制的协作系统，各个信息家电不具备单独的控制能力。基于共享工作空间下的协作模型是一种更具普遍性的能够刻画群体协作的模型，整个协作过程不一定是结构化，因而具有更大的灵活性。在共享工作空间下的协作模型中，一个协作空间一般由用户空间、任务空间和文档空间所组成5。虽然国内对基于共享工作空间下的协作模型

17、已经做了一定的探讨，但都没能对其协作环境给出有效的形式化描述。此外，还有基于cscw（computer supported cooperative work 计算机支持的协同工作）的工作模型，也还有学者提出一种采用多种模型混合，基于几种传统的计算机群体协作模型，参照并行工程理念，通过总结和概括计算机支持的协作工作的结构特点和工作方式的面向对象多层次协作模型6。信息家电智能协作的核心在于完成自我推理的过程，要实现信息家电间的互相识别和互相触发，涉及到信息家电协作知识的表示，以及在知识之上的知识搜索和推理技术的运用。知识的搜索与推理是人工智能研究的一个核心问题，对这一问题的研究曾经十分活跃，而且至

18、今仍不乏高层次的研究课题。常用的知识表示方法很多，有图示法、公式法、结构化方法、陈述式表示和过程式表示等，具体的如状态空间法、问题归约法、谓词逻辑发、语义网络、框架。知识的搜索可以采用“盲目”穷举式的盲目搜索，也可以采用启发式搜索，启发式搜索运用启发信息，引用某些准则或经验来重新排列open表中结点的顺序，启发式搜索要比盲目搜索有效得多，因而应用较为普遍。高级求解系统是知识推理和搜索的先进方法，规则演绎系统和产生式系统是两种比较有效的搜索方法7。1.4课题研究意义在智能家居不断发展的今天，普通的家电产品已经不能满足广大消费者的消费需求，而且国内众多的家电商家近几年的营销绩效并不是很好。信息家电

19、虽然在一定程度上给我国的家电市场带来了效益，但是独立的信息家电产品如果不能在智能家居这个大形势下实现智能协作，那信息家电的功能再是强大也不能很好给用户提供一个完整的、智能化的家居体验。只有实现信息家电间的智能协作才能更好地发挥信息家电的潜在功能，让信息家电系统实现智能化的推理和学习。借鉴面向对象的思想，将信息家电中的各个家电产品看成一个对象处理，然后再结合基于面向对象思想的uml语言来对信息家电的协作模型进行建模，从而实现在一定高度上的抽象和统一。uml语言是一种易于表达、功能强大且适用性强、规范化的语言，采用uml建立的协作模型将具有一定的指导作用。因为产生式系统本身具有表达自然直观，便于推

20、理，可进行模块化处理，格式清晰，设计和检测方便，表示灵活的优点，因而运用产生式规则来表示信息家电间的协作规则也会比较直观，易懂，而且便于推理。基于产生式系统表示灵活的优点，我们可以采用基本的产生式规则表示形式结合数据库来存储规则，也可以采用类似树型结构的数据结构来存储规则，此外还可以尝试将规则与十字链表结合，运用十字链表来表示规则，这些表示方法在一定程度上都具有很好的优化空间，例如良好的数据库结构设计可以优化规则的搜索过程同时减少规则的冗余；合理地设计好树型结构中各结点的域可以使得推理过程得到优化同时可以通过优化结点的存储来减少事实结点的存储的次数以减少空间；运用十字链表的方式则是类似于矩阵式

21、的存储，将规则扩展为二维的平面表示。通过灵活地运用各种数据结构，并在此基础上优化存储，优化搜索和推理效率，将会使得产生式系统在信息家电的智能协作系统中得到良好地运用。1.5本文工作及创新点论文中首先通过uml语言建立了信息家电智能协作模型；其次运用产生式规则将协作模型进行表示；再次结合产生式规则设计出智能协作算法；最后用c语言实现算法。本文的创新点在于通过uml所建立的协作模型能高度抽象出信息家电智能协作模型；其次通过产生式规则对协作模型进行知识表示，通过规则集能将信息家电智能协作场景表示成简单的条件结论形式；再次将信息家电中的协作规则分解后存储到关系数据库中使得规则间相互独立；最后基于产生式

22、规则专家系统实现的推理算法具有高度的统一性，适应于大多数协作推理模型。1.6论文结构论文的中英文摘要和目录部分。论文的主要内容主要分为6部分来对课题进行阐述。第一章：论文绪论部分，主要是提出课题，然后分析论文课题的研究背景、现状以及研究意义。第二章：主要是介绍一些论文的相关知识，主要有信息家电、智能协作、产生式规则、专家系统。第三章：主要是对信息家电的智能协作模型进行设计，用面向对象的思想采用uml语言来对信息家电的智能协作模型进行建模，实现对协作模型的一个整体的协作框架。第四章：将第二章中介绍的相关知识结合到信息家电智能协作系统的设计和实现过程中，对知识的表示和推理过程进行阐述和分析。第五章

23、：信息家电智能协作推理算法和规则优化算法的实现部分。第六章：系统的功能测试部分。第七章：系统设计和实现的总结与展望部分。论文的致谢与参考文献部分。2 相关知识介绍本章主要对系统中所要用到的理论知识进行介绍，包括信息家电、智能协作、产生式规则、专家系统。2.1信息家电2.1.1智能家居智能家居（smart home），或称智能住宅，是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境8。智能家居可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起

24、，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。智能家居的智能性可以体现在生活中的各个方面。例如：智能家居可以在低碳生活方面起到良好的作用，比如家里的电视机、音响设备、电热水器等，这些家电在待机状态下都在不停的耗电，如果我们有了智能家居，有了智能化管理，那么在家中无人的时候，在不需要的时候，它会自动断电，节省了

25、电能。智能家居也还可以运用到健康家居、快捷家居中，我们可以设想这样的场景，当你离开家，把电动窗打开，让家里自然通风；在下班的路上通过手机无线控制家居系统，让窗户关上、新风机自动打开，把灰尘滤掉，提供健康环境；下班回到家中，空调根据设置调节好室内的空气温度和湿度，客厅灯光自动打开，浴室热水器烧好热水等待主人使用。通过家居智能，家里的老人在身体不适、出现紧急情况时通过按下紧急按钮，社区健康服务中心就可以迅速上门服务，保证老人的身体健康。此外，智能家居在保障家居财物安全方面也将发挥重要作用，可以通过智能家居中的摄像头实时监控家里的物品，当发现不法分子入室时，安防系统发送警报到远程手机，并通知小区保全

26、和公安部门，让不法分子难逃法网。当然智能家居中的安防系统还可以实时监控家里的煤气等是否出现泄漏等意外情况，当发现意外时报告给小区物业处理，让在办公室办公的你可以完全不用担心家里的状况，另外智能家居系统自动打开窗户和空气清新设备帮你让家里的空气再度恢复到正常，让下班回家的你完全感受不到煤气的泄漏残留。智能家居系统在其使用上也体现了“智能化”的概念。（1）适应人们生活方式的各种变化家居生活的方式和要求是随着社会的变化而变化，智能家居系统也应该随着用户需求的变化而变化。在家居中，生活需求的变化通常表现为前端设备的变化；智能家居交互平台能适应设备品牌的变化、功能的变化、控制逻辑的变化，以及用户操作习惯

27、的变化等各种前端设备的变化。（2）操作简单智能家居交互平台提供了自定义功能和操作菜单，支持各种智能终端，使得操作变得简单方便。应用交互平台式的智能家居系统是开放式系统，用户完全可以根据自己的需求来配置属于自己的智能家居系统，将系统投资成本完全掌握在直己手里。（3）让用户做主智能家居交互平台能真正实现家居“智能”化，即能自动优化控制系统，能自动学习用户的生活习惯，从而把用户从控制操作中解放出来。此外，智能家居交互平台支持各种控制、通信接口和协议，因此允许用户在该平台搭建好以后，对其他所有的控制系统进行自由选择，用户也还通过终端的接口自己来增加、删除规则，让用户真正成为系统的主人。（4）信息服务提

28、供互动平台智能家居交互平台可预存智能化信息，可支持用户即时浏览并进行互动，还可以提供更为丰富的内容，例如家庭办公（soho）支持、家庭节目编辑制作支持、防电磁辐射报警、室内仿真疗养小气候营造、室内仿真景观营造等。同时，智能家居的系统配置可以支持“菜单”式选择，即用户可以根据当前需要，自由地对配置进行增减，并在日后需求变更时随时调整配置。同时，生动的操作界面、自己动手设计符合自己个性的界面、灵活多样的前端设备能使智能家居系统与家居的氛围和谐一致9。2.1.2信息家电自1999年3月比尔盖茨携维纳斯计划进入深圳以来，信息家电一词便成了时代的流行语。信息家电（3c或ia）是计算机（computer）

29、、通信（communication）、消费类电子产品（consumer products）三者融合的产物，其实质就是将移动通讯设备及传统pc机中一些常用功能，与数字技术和网络技术紧密结合，以简单精巧的形式融入到家电设备中，使其成为具有视听、信息处理、双向网络通讯等功能的家庭信息终端，故也叫网络家电。信息家电既具有双向传输信息的功能：如网络浏览、视频点播、文字处理、电子邮件、个人事物管理等，又具有电器简单易用、价格低廉、维护简便的特点。可以说信息家电就是一种价格低廉、操作简便、 实用性强、带有pc主要功能的家电产品。利用电脑、电信和电子技术与传统家电（包括白色家电：电冰箱、洗衣机、微波炉等和黑色

30、家电：电视机、录像机、音响、vcd、dvd等）相结合的创新产品， 是为数字化与网络技术更广泛地深人家庭生活而设计的新型家用电器，信息家电包括pc、机顶盒、hpc、dvd、超级vcd、无线数据通信设备、视频游戏设备、webtv、interne电话等等，所有能够通过网络系统交互信息的家电产品，都可以称之为信息家电。目前，音频、视频和通信设备是信息家电的主要组成部分。另一方面，在目前的传统家电的基础上，将信息技术融人传统的家电当中，使其功能更加强大，使用更加简单、方便和实用，为家庭生活创造更高品质的生活环境，比如模拟电视发展成数字电视，vcd变成dvd，电冰箱、洗衣机、微波炉等也将会变成数字化、网络

31、化、智能化的信息家电。信息家电的诞生是it产业发展到一定阶段的自然产物，它的核心技术是嵌入式操作系统和网络软件行业的规范。信息家电它能够提供较多的功能和服务，比如安全防范、交互式智能控制、家庭信息服务、智能化的故障自诊断以及家庭医疗保健等。同传统的家电产品相比，信息家电具有网络化功能、智能化、开放性、节能性和易用性。它可以根据周围环境的不同，在不需要人为干预的情况下自动地做出响应，也可以根据周围环境自动调整工作时间状态，从而实现节能。2.2智能协作智能协作一般是通过将协作模型运用到协作过程中来实现的。目前比较常用协作模型的有基于多agent系统的协作模型、基于共享工作空间下的协作模型。在开放分

32、布式网络环境中agent是一个抽象实体，由于单个agent的能力有限，一般情况下一个系统中会存在着多个agent。多agent系统是指一个由多个自治运行的agent组成的一个松散耦合又协作公事的系统。多agent系统是研究如何再一群自主的agent间进行智能行为协调，它具有交互性、社交性、协作性、适应性和分布性等。多个agent间相互协作，共同完成某个目标，这样就使得整个系统的工作能力以及智能性提高了许多。常用的多agent系统的协作方法有决策网络和递归建模和markov对策。基于共享工作空间下的协作模型是一种更具普遍性的能够刻画群体协作的模型，整个协作过程不一定是结构化，因而具有更大的灵活性

33、。在共享工作空间下的协作模型中，一个协作空间一般由用户空间、任务空间和文档空间所组成。用户空间是指用户空间是指协作用户的集合。任务空间是指任务集合，在某一协同工作应用系统中，不同成员可以被分配不同的任务（task），一个成员也可能被分配多个任务。文档空间是指各种共享文档资源的集合，共享文档为cscw系统中不同的协作任务提供相应的协作资源。智能协作模型在多机器人协调、过程智能控制、网络通信与管理和交通控制领域都有应用10。例如在机器人足球比赛中，每一个机器人作为一个单独的agent，通过任务分解、多级学习、动态角色分配等实施策略，构造球队站位、队形等行为模式一实现球队在比赛过程中的协调。将智能协

34、作运用到网络通信中的智能协作信息技术也是智能协作的一个应用，该技术主要研究大型互连网络上多个信息子系统相互作用、协同工作，联合完成信息处理任务的原理和方法。2.3产生式规则产生式系统最早由epost于1943年提出，并由anewell和easimon于1972年作为一种人类认识模型引入到人工智能研究领域。在产生式系统中，论域的知识分为两部分：用事实表示静态知识，如事物、事件和它们之间的关系；用产生式规则表示推理过程和行为。产生式系统有三部分组成：总数据库（全局数据库）、产生式规则和控制策略11。总数据库用于存放求解过程中各种当前信息的数据结构，如问题的初始状态、事实或证据、中间推理结论和最后结

35、果等。产生式规则是一个以“如果满足这个条件，就应当采取某些操作”形式表示的语句，其基本形式为：if 前提then结论。产生式的if称为条件、前项或产生式的左边，它说明应用这条规则必须满足的条件；then部分称为操作、结果、后项或产生式的右边。产生式表示既可以表示确定性知识又可以表示不确定性知识，既便于表示启发性知识又便于表达过程性知识。产生式规则如果表示确定性知识时，一般表示为：if a then b，即表示为：如果a成立，则b成立，简化为ab。控制策略的作用是说明下一步应该选用什么规则，也就是说如何应用规则。通常从选择规则到执行操作分三步：匹配、冲突解决和操作。在匹配过程中，把当前数据库与规

36、则的条件部分相匹配。如果两者完全匹配，则把这条规则称为触发规则，当按规则的操作部分去执行时，称这条规则为启用规则。被触发的规则不一定总是启用规则，因为可能同时有几条规则的条件部分被满足，因此则需要进行冲突的解决。当有一条以上规则的条件部分和当前数据库相匹配时，就需要决定首先使用哪一条规则，这就叫冲突解决。例如存在着如果主人回家，而且室内光线很暗时则打开客厅灯光这一规则以及如果主人回家，而且室内光线很暗但现在为白天外面光线很好时，则要做的动作是打开客厅的电动窗帘这条规则。可以说这两条规则是有相同一部分的规则前件的，那当满足主人回家，而且室内光线很暗这一条件时应当如何来进行判断触发哪一条规则则成为

37、了信息家电智能协作控制中需要解决的问题。例如可以按照规则的专一性来进行编排顺序作为冲突解决的策略，或者按照规则排序、数据排序、规模排序和就近排序等策略来解决冲突。按照规则的专一性来解决冲突的思路主要是先判断需要条件更多的规则的所有前件是否满足，然后再判断需要条件少的那条规则，例如在上面的场景中先处理条件更多的那条规则，在满足只有主人回家而且室内光线很暗这两个条件时，必须还要满足现在是白天而且外面光线很好这两个条件，那在只有主人回家而且室内光线很暗而不具备另外两个事实的情况下则不能触发这一规则，继续处理另一条规则，发现条件全部满足，则触发打开客厅灯光这一动作。操作就是执行规则的操作部分，经过操作

38、以后，当前的临时存在事实库将会被修改，将产生出新的事实加入到临时存在事实库中，也有可能会由于新事实的出现而触发其他一些规则的执行。2.4专家系统自从1965年第一个专家系统dendral在美国斯坦福大学问世以来，经过多年的科学研究之后，专家系统的理论和技术日臻成熟，它的应用也得到了飞速的发展。专家系统（expert systems，es）是以逻辑推理为基础模拟人类思维的符号主义人工智能（artificial intelligence，ai）方法。设计一个专家系统要经历知识获取、知识表示、推理机设计、知识库和数据库维护等阶段。专家系统是利用存储在计算机内的某一特定领域内的专家知识，来解决过去只有

39、专家才能解决的现实问题的计算机系统。从组成结构来看，专家系统是一个由存放专门领域知识的知识库和一个能选择、运用知识的推理机制组成的计算机系统。知识+推理=专家系统，所以与常规的程序、软件相比，专家系统似乎更专业、更特殊。专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式12。专家系统一般的系统结构框图如图2-1所示。各部分的功能如下：（1）知识库（knowledge base）知识库存放着以一定形式表示的与领域相关的书本知识、常识性知识和专家凭经验得到的试探性知识，以备系统推理判断之用。一个专家系统性能高低取决于知识库的可用性、确实性和完善性。因此，知识库的设计与建造是专家系统中的一个关

40、键性工作。数据库知识库推理机解释器人机接口用户专家专家图2-1 专家系统的基本结构（2）推理机（reasoning machine）它利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去求解提出的专门问题。它具有启发推理、算法推理，正向推理、反向推理和正反向推理，串行推理和并行推理等功能。（3）解释器（expositor）根据用户的提问，对系统给出的结论、求解过程和当前的求解状态提供说明，便于用户理解系统的问题求解。在知识库完善过程中便于专家或知识工程师发现和定位知识库中的错误，便于领域的专业人员或初学者能够从问题的求解过程中得到直观学习。（4）数据库（global database）也称为全局数据库，它

41、用于存储求解问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据。（5）人机接口（interface）人机接口是系统与用户进行对话的界面。用户通过人机接口输入必要的数据、提出问题和获得推理结果集系统做出的解释；系统通过人机接口要求用户回答系统的询问，回答用户的问题和解释。 2.5本章小结本章主要介绍了系统的设计和实现过程中需要用到的理论知识。包括信息家电、智能协作、产生式规则、专家系统，通过这些基础知识的介绍来了解到信息家电智能协作的一些基本场景和智能家居的智能性体现以及了解到在信息家电的智能协作系统中知识的表示和推理过程实现所需要的理论基础知识，也反映出系统的下一步设计和实现的思路所在。3 信息家电智能

42、协作系统的设计本章采用面向对象的思想对信息家电智能协作模型进行设计，使用uml语言分析智能家居协作中将会出现的协作场景，并用uml语言中的用例图和活动图进行表示。根据分析出的协作场景，再对信息家电中的实体和联系进行关系分析，画出系统的总体e-r图。3.1基于面向对象的信息家电智能协作系统模型设计面向对象的思想主要是把描述事物属性的数据以及对这些数据施加的一组操作封装到一个对象中，构成一个整体，每一个对象都有自己的标识、状态和行为13。将信息家电设备作为一个对象，每一个设备都有其自身的状态和操作。在信息家电系统中的对象涉及到用户、智能控制终端以及各种信息家电设备，结合信息家电智能协作的场景，设计

43、信息家电智能协作模型如图3-1所示。家庭网关web浏览器pda手持遥控智能手机终端network知识库推理机信息家电设备：空调电动窗帘电动窗户电视机临时事实库专家状态感应动作触发图3-1 信息家电智能协作模型用户通过pda等可以支持web浏览器功能的终端设备通过internet或者无线wi-fi网来操纵信息家电中的设备和查询信息家电中的状态。家庭网关具备产生式规则专家系统模块，模块中的知识库通过专家知识来进行初始化，临时事实库通过状态感应获取信息家电设备的状态，推理机根据临时事实参考知识库中的事实进行推理，根据结论触发信息家电设备完成相应的动作，并将产生动作后的新事实加入到临时事实库中。信息家

44、电智能协作系统自动地根据周围环境的变化，例如外界的光照强度以及气温的变化来自动地控制智能家居中的信息家电进行协同合作。根据用户事先的设置把信息家电的协作规则设定好存储到数据库中，在实际的系统运作过程中根据当前的状态来查找到相应的协作规则，触发规则，若事实满足则根据规则来调动其它的信息家电设备完成相应的动作，自动地完成这个协作过程。例如，在傍晚时分，系统根据感应到的光照强度，得到当前即将夜幕降临的事实，则系统自动地将自动窗帘和自动窗户关上，同时如果接近主人下班时间这一事实满足，则自动地将客厅灯光打开，打开空调将室温调整到一个合适的温度值，打开饮水机，浴室打开烧水设备等，这样当主人下班回到家时，就

45、可以舒舒服服地喝一杯热茶，然后沐浴以解去一身的疲乏。3.2智能协作系统uml建模3.2.1uml语言uml（unified modeling language，统一建模语言）是始于1997年一个omg标准，它是一个支持模型化和软件系统开发的图形化语言，为软件开发的所有阶段提供模型化和可视化支持，包括由需求分析到规格，到构造和配置。它是一种功能强大的、面向对象的可视化系统分析的建模语言，它采用一整套成熟的建模技术，广泛地适用于各个应用领域14。运用uml进行面向对象的系统分析设计，通常都要经过如下的3个步骤：（1）识别系统的用例和角色。首先对系统进行需求分析，分析系统的业务流程图和数据流程图，以

46、及系统涉及的各级操作人员，识别出系统中的所有用例和角色；接着分析系统中各角色和用例间的联系，使用uml建模工具画出系统的用例图；最后，勾画系统的概念层模型，借助uml建模工具描述概念层的类图和活动图。（2）进行系统分析并抽象出类。系统分析的任务是找出系统的所有需求并加以描述，同时建立特定领域模型，建立域模型有助于开发人员考察用例，从实际需求中抽象出类，并描述各个类之间的关系。（3）设计系统，并设计系统中的类及其行为。设计阶段由结构设计和详细设计组成。结构设计时高层设计，其任务是定义包、包间的依赖关系和主要通信机制。详细设计主要用来细化包的内容，清晰描述所有的类，同时使用uml的动态模型描述在特

47、定环境下这些类的实例的行为15。uml的重要内容可以由下列五类图（共9种图形）来定义： 第一类是用例图，从用户角度描述系统功能，并指出各功能的操作者。 第二类是静态图（static diagram），包括类图、对象图和包图。其中类图描述系统中类的静态结构。不仅定义系统中的类，表示类之间的联系如关联、依赖、聚合等，也包括类的内部结构（类的属性和操作）。类图描述的是一种静态关系，在系统的整个生命周期都是有效的。对象图是类图的实例，几乎使用与类图完全相同的标识。他们的不同点在于对象图显示类的多个对象实例，而不是实际的类。一个对象图是类图的一个实例。由于对象存在生命周期，因此对象图只能在系统某一时间段

48、存在。包由包或类组成，表示包与包之间的关系。包图用于描述系统的分层结构。 第三类是行为图（behavior diagram），描述系统的动态模型和组成对象间的交互关系。其中状态图描述类的对象所有可能的状态以及事件发生时状态的转移条件。通常，状态图是对类图的补充。在实用上并不需要为所有的类画状态图，仅为那些有多个状态其行为受外界环境的影响并且发生改变的类画状态图。而活动图描述满足用例要求所要进行的活动以及活动间的约束关系，有利于识别并行活动。第四类是交互图（interactive diagram），描述对象间的交互关系。其中顺序图显示对象之间的动态合作关系，它强调对象之间消息发送的顺序，同时显示

49、对象之间的交互；合作图描述对象间的协作关系，合作图跟顺序图相似，显示对象间的动态合作关系。除显示信息交换外，合作图还显示对象以及它们之间的关系。如果强调时间和顺序，则使用顺序图；如果强调上下级关系，则选择合作图。这两种图合称为交互图。 第五类是实现图（implementation diagram）。其中构件图描述代码部件的物理结构及各部件之间的依赖关系。一个部件可能是一个资源代码部件、一个二进制部件或一个可执行部件。它包含逻辑类或实现类的有关信息。部件图有助于分析和理解部件之间的相互影响程度。当前比较流行的uml建模工具主要有rational rose、borlandtogether、powe

50、rdesigner、visio、umlet、staruml等，本文采用staruml来对信息家电智能协作模型进行建模。3.2.2利用uml语言对信息家电协作过程的表示用例图是从系统的参与者角度出发，分析参与者的与系统相关的行为。例如作为系统的使用者用户（user），它的用例包括查询显示知识库所有内容、增加规则、删除规则、启动推理流程。具体的用例图如图3-2所示。图3-2 用户使用系统的用例图活动图主要是描述活动的顺序，展现从一个活动到另一个活动的控制流，在本质上是一种流程图。以空调的工作活动流程为例，首先是检测当前的室温是否适宜，如果室温太高或者太低则打开空调，然后检测窗户是否关闭，如果未关窗

51、户则系统自动关闭窗户，如果室温太低则空调升温，否则降温，之后用户可以设定一个温度值，在打开空调温度后可以设置其风速，然后设定空调的工作时间。具体活动图如图3-3所示。图3-3 空调调节温度的活动图另外系统还可以根据用户的模式选择来自动地完成一系列的动作。例如当用户睡觉时，用户选择系统的睡眠模式，则系统自动地关闭空调、窗户、电视、音响等电器设备，将窗帘拉下，之后将客厅及其他房间的灯光关闭，并将卧室灯光打开，将卧室光强调整至弱光的睡眠状态。具体活动图如图3-4所示。图3-4 用户选择睡眠模式的活动图3.3信息家电智能协作系统中的概念模型设计通过面向对象的思想，分析出每个信息家电它的基本属性和操作，

52、抽象出相应的信息家电智能协作系统中信息家电的基本事实，存储到事实库中。由于活动图主要是描述活动的顺序，展现从一个活动到另一个活动的控制流，在本质上是一种流程图。我们可以将其看成是一个活动之后就推理出另一个活动的发生，将活动之间建立起类似于前提和结论的联系，就可以抽象出应用于信息家电智能协作系统的协作规则，同时一个活动的发生，必将导致信息家电状态的改变，可以说事实本身就是活动之后保留下来的某一个状态，因此活动发生后导致状态的改变，正是这些状态的改变可以让推理得以继续。根据上述在活动和状态之间建立的前提和结论的联系，可以抽象出适用于信息家电智能协作系统的规则。由于实体可以是抽象的概念，将规则分解为

53、抽象的条件和结论，分析出条件和结论其实质都是一些基本的事实，而事实又是属于某一个具体的设备的，得到系统的总e-r图如图3-5所示。11nmn1n1nnconditionconclusionfactdevicecondition_idconclus-ion_idfact_idfact_des-criptiondevice_iddevice_descriptionreas-oningbelong tocorrespondingcondition_needcondition_lackmutexdevice typebelong todevice-type_iddevicetype_descripti

54、oncorrespondingcorrespondingn1图3-5 系统总e-r图其中多个条件可以推理出一个结论，所以在condition和conclusion间存在多对一的推理reasoning联系。每一个condition和conclusion其实质都是一个事实fact，但其中一个fact可以在多条规则中作为条件或结论，所以在condition和fact之间、conclusion和fact之间都存在多对一的对应corresponding联系。每一个事实都是从属于某一个具体的设备的，一个设备可以由多个状态即存在多个事实，此外每个设备都是属于一个设备类型，每个设备类型下有多个设备，所以在fa

55、ct和device之间也存在着一对多的从属belong to联系，在device和device type也存在着一对多的从属belong to联系。事实与事实之间还存在着多对多的互斥mutex关系，具体的实体属性如图中所示。condition实体的属性有condition_id；conclusion实体的属性有conclusion_id，condition_need，condition_lack；fact实体的属性有fact_id，fact_description；device实体的属性有device_id，device_description；device type实体的属性有devicet

56、ype_id和devicetype_description。3.4本章小结本章主要是采用面向对象的思想来对信息家电的智能协作进行建模，抽象出信息家电智能协作系统中的对象，结合智能协作场景，对智能协作模型进行建模。根据信息家电在实际的运作中的活动图，将活动图中活动的顺序发生抽象成产生式规则样式的规则，从而得到一个简单的规则库雏形，分析规则的条件、结论与事实和设备之间的联系，得到系统的总体e-r图。4 信息家电智能协作系统中的知识表示和智能推理系统要实现智能推理，首先要先将系统中的协作规则进行知识表示，将协作知识进行表示后，结合产生式规则专家系统理论，分析系统中的临时事实存储、推理机的推理机制、产生式规则的冲突解决以及产生式规则的自主学习优化的具体实现流程。4.1基于产生式规则的知识表示条件1