二、模糊傳感器的研究意義

 

chuantongdechuanganqishishuzhichuanganqi

，tajiangbeiceliangyingshedaoshishujizhong，yishuzhifuhaolaimiaoshubeiceliangzhuangtai
，jiduibeiceduixianggeiyidingliangdemiaoshu。zhezhongfangfajijingqueyouyanjin，haikeyigeichuxuduodingliangdesuanshubiaodashi
，dansuizhecelianglingyudebuduankuodayushenhua
，youyubeiceduixiangdeduoweixing

，beifenxiwentidefuzaxinghuoxinxidezhijiehuoqu、存儲方麵的困難等等原因，隻進行單純的數值測量且對測量結果以數值符號來描述，這樣做有很大缺陷，例如：

 

（1）某些信息難以用數值符號來描述。例如在產品質量評定中，人們常用的是“優”、“次優”
、“合格”
、“不合格”，也可用數字1，2，3，4來描述，但數字在這裏已失去通常的測量值的意義，它僅作為一個符號，不能來表征被測實體的具體特征。

 

（2）很多數值化的測量結果不易理解。如在測量人體血壓時
，人們更關注的是：老年人的血壓是否正常，青年人的血壓是否偏高。而實測的數據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充。模糊傳感器正是順應人類的生活實踐、生產與科學實踐的需要而提出的。

 

 

三、模糊傳感器的理論基礎

 

1、符號化表示原理

 

模糊語言是人類表述語言的一種
，因為人們對自然界事物的認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(fang)便(bian)
，且(qie)易(yi)於(yu)進(jin)行(xing)高(gao)層(ceng)邏(luo)輯(ji)推(tui)理(li)等(deng)優(you)點(dian)。模(mo)糊(hu)符(fu)號(hao)化(hua)表(biao)示(shi)就(jiu)是(shi)利(li)用(yong)模(mo)糊(hu)數(shu)學(xue)的(de)理(li)論(lun)和(he)方(fang)法(fa)
，借(jie)助(zhu)於(yu)專(zhuan)門(men)的(de)技(ji)術(shu)工(gong)具(ju)
，把(ba)測(ce)量(liang)得(de)到(dao)的(de)信(xin)息(xi)，用(yong)適(shi)合(he)人(ren)們(men)模(mo)糊(hu)概(gai)念(nian)的(de)模(mo)糊(hu)語(yu)言(yan)符(fu)號(hao)加(jia)以(yi)描(miao)述(shu)的(de)過(guo)程(cheng)。符(fu)號(hao)是(shi)信(xin)息(xi)的(de)載(zai)體(ti)，是(shi)對(dui)一(yi)個(ge)物(wu)體(ti)或(huo)事(shi)件(jian)狀(zhuang)態(tai)的(de)描(miao)述(shu)
，它(ta)定(ding)義(yi)了(le)實(shi)體(ti)的(de)特(te)征(zheng)屬(shu)性(xing)或(huo)實(shi)體(ti)間(jian)的(de)關(guan)係(xi)。設(she)Q為數值域，S為語言域，在各自的論域上有若幹個元素qi
、si，且表示為：

 

Q＝〈q1
，q2，…〉 qi∈Q （1）

 

S＝〈s1

，s2
，…〉 si∈S （2）

 

同時，在論域Q和S上分別定義一組關係族：

 

R=〈R1

，R2， …，Rn〉 Ri Q×Q×…×Q （3）

 

P=〈P1×P2×…×Pn〉 Pi S×S×…×S （4）

 

並且定義=〈Q
，R〉，L=〈S，P〉

 

其中
，D—對象關係係統，描述數值域元素及其相互關係
；

 

L—符號關係係統
，描述符號域元素及其相互關係。

 

設有兩個映射M和F，M：Q→S
，使得Si=M（qi），F:R→P，使得Pi=F（Ri）成立，且M Q×S和（qi，si） M
，則稱si是qi的一個符號。si的含義是qi從數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。

 

如果F映射是一對一映射
，而M映射是同態映射，那麼一定存在逆映射：F-1（Pi）＝Ri，M-1（si）＝qi。M映射可以是“單對單”或“多對單”映射。那麼，在後一種情況下，符號域中的一個符號經M-1映射在數值域對應出的不是一個點，而是一個“子域”。因此
，模糊符號化表示有一定的局限性，即在不同測量結構下
，同一測量子集的元素對應不同的符號
；或huo在zai同tong一yi測ce量liang結jie構gou下xia
，存cun在zai測ce量liang子zi集ji的de一yi些xie元yuan素su同tong時shi對dui應ying於yu不bu同tong的de符fu號hao的de情qing況kuang。這zhe一yi局ju限xian性xing可ke通tong過guo基ji於yu多duo值zhi邏luo輯ji理li論lun的de多duo值zhi符fu號hao化hua測ce量liang來lai彌mi補bu。其qi基ji本ben思si想xiang是shi：在實體測量集中，根據對實體的某一特征表現程度的不同，把測量子集Q中zhong的de元yuan素su按an特te征zheng隸li屬shu度du最zui大da歸gui類lei於yu某mou一yi子zi集ji，忽hu略lve其qi他ta特te征zheng的de表biao現xian，因yin此ci隻zhi要yao在zai測ce量liang集ji上shang對dui實shi體ti集ji選xuan取qu適shi當dang多duo個ge特te征zheng表biao示shi，使shi之zhi與yu測ce量liang集ji中zhong的de元yuan素su相xiang對dui應ying
，就jiu可ke把baQ分成有限個意義相關又表現不同的子集{Qi}，對每一個Qi進行符號映射，從而實現對實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
、易理解、人類經驗與知識易集成、較(jiao)寬(kuan)的(de)冗(rong)餘(yu)度(du)等(deng)特(te)點(dian)，但(dan)與(yu)數(shu)值(zhi)測(ce)量(liang)無(wu)限(xian)可(ke)分(fen)相(xiang)比(bi)
，符(fu)號(hao)化(hua)測(ce)量(liang)描(miao)述(shu)細(xi)節(jie)的(de)程(cheng)度(du)和(he)範(fan)圍(wei)不(bu)夠(gou)
，尤(you)其(qi)在(zai)利(li)用(yong)符(fu)號(hao)對(dui)數(shu)值(zhi)轉(zhuan)換(huan)實(shi)現(xian)定(ding)量(liang)測(ce)量(liang)時(shi)更(geng)為(wei)突(tu)出(chu)。而(er)多(duo)級(ji)映(ying)射(she)原(yuan)理(li)在(zai)實(shi)現(xian)數(shu)值(zhi)對(dui)符(fu)號(hao)和(he)符(fu)號(hao)對(dui)數(shu)值(zhi)轉(zhuan)換(huan)的(de)同(tong)時(shi)
，可(ke)以(yi)擴(kuo)大(da)符(fu)號(hao)表(biao)示(shi)的(de)細(xi)致(zhi)程(cheng)度(du)和(he)範(fan)圍(wei)。

 

級映射的基本功能是實現數值→符號的變換和符號→數值變換。其原理如圖2所示，它的信息傳輸分為兩種情況：

 

首先是數值對符號的轉換
，並且是由數值域Q中的元素qi經過映射M的第一級M1映射到符號域S的子集Si，如果子集Si描述細致程度不夠
，則可以進行第二級映射M2，映射M2將qi映射到次子集Sij
，經過若幹級映射可以得到描述qi信息的符號sy；

 

其次
，則是符號對數值的轉換
，由經過多級映射得到的符號sy通過映射M-1得到數字值qj。

 

由於自然語言表現概念的局限性，建議多級映射的級數為3級。例如，對於0℃～100℃的溫度範圍，每級采用7個概念，在映射級數為3級時，精度達到0.3℃。duiyubuxuyaorenmenzhijiecanyudezhongjianceliangjieguoqingkuang，duojiyingshejishukeyigenjuxuyaojiayiqueding。yingshejishudeduoshaolingyifangmianhaiqujueyumeiyijizhongbaohangainian（元素）的de個ge數shu，每mei一yi級ji概gai念nian個ge數shu多duo則ze需xu要yao的de映ying射she級ji數shu就jiu相xiang應ying少shao。如ru果guo多duo級ji映ying射she應ying用yong於yu包bao含han數shu值zhi輸shu出chu在zai內nei的de模mo糊hu傳chuan感gan器qi研yan究jiu

，則ze映ying射she級ji數shu和he傳chuan感gan器qi變bian換huan非fei線xian性xing誤wu差cha是shi相xiang關guan的de，映ying射she級ji數shu應ying該gai通tong過guo給gei定ding的de測ce量liang不bu確que定ding度du加jia以yi確que定ding。

 

四、模糊傳感器的結構及實現方法

 

1
、模糊傳感器的結構

 

模糊傳感器的簡化結構圖如圖3所示。可見
，模糊傳感器主要由傳統的數值測量單元和數值－符號轉換單元組成。其核心部分就是數值－符號轉換單元。但在數值－符號轉換單元中進行的數值模糊化轉換為符號的工作必須在專家的指導下進行。

 

2、模糊傳感器的實現方法

 

綜(zong)上(shang)所(suo)述(shu)，要(yao)實(shi)現(xian)模(mo)糊(hu)傳(chuan)感(gan)器(qi)就(jiu)在(zai)於(yu)尋(xun)找(zhao)測(ce)量(liang)數(shu)值(zhi)與(yu)模(mo)糊(hu)語(yu)言(yan)之(zhi)間(jian)的(de)變(bian)換(huan)方(fang)法(fa)
，即(ji)數(shu)值(zhi)的(de)模(mo)糊(hu)化(hua)，來(lai)生(sheng)成(cheng)相(xiang)應(ying)的(de)語(yu)言(yan)概(gai)念(nian)。所(suo)謂(wei)語(yu)言(yan)概(gai)念(nian)生(sheng)成(cheng)就(jiu)是(shi)要(yao)定(ding)義(yi)一(yi)個(ge)模(mo)糊(hu)語(yu)言(yan)映(ying)射(she)作(zuo)為(wei)數(shu)值(zhi)域(yu)到(dao)語(yu)言(yan)域(yu)的(de)模(mo)糊(hu)關(guan)係(xi)，從(cong)而(er)將(jiang)數(shu)值(zhi)域(yu)中(zhong)的(de)數(shu)值(zhi)量(liang)映(ying)射(she)到(dao)符(fu)號(hao)域(yu)上(shang)，以(yi)實(shi)現(xian)模(mo)糊(hu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)功(gong)能(neng)。這(zhe)裏(li)的(de)語(yu)言(yan)值(zhi)用(yong)模(mo)糊(hu)集(ji)合(he)來(lai)表(biao)示(shi)，模(mo)糊(hu)集(ji)合(he)則(ze)由(you)論(lun)域(yu)和(he)隸(li)屬(shu)函(han)數(shu)構(gou)成(cheng)。因(yin)此(ci)模(mo)糊(hu)語(yu)言(yan)映(ying)射(she)就(jiu)是(shi)要(yao)求(qiu)取(qu)相(xiang)應(ying)語(yu)言(yan)概(gai)念(nian)所(suo)對(dui)應(ying)數(shu)值(zhi)域(yu)上(shang)的(de)模(mo)糊(hu)隸(li)屬(shu)函(han)數(shu)。如(ru)何(he)進(jin)行(xing)概(gai)念(nian)生(sheng)成(cheng)是(shi)實(shi)現(xian)模(mo)糊(hu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)關(guan)鍵(jian)。目(mu)前(qian)有(you)很(hen)多(duo)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)模(mo)糊(hu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)功(gong)能(neng)。

 

國外很多學者對模糊傳感器的實現方法進行過討論，這裏簡要介紹幾種：

 

Foulloy算法簡介：模mo糊hu傳chuan感gan器qi設she計ji的de實shi質zhi是shi模mo糊hu變bian換huan算suan法fa的de設she計ji，即ji參can考kao集ji的de選xuan擇ze與yu模mo糊hu量liang化hua。其qi過guo程cheng是shi首shou先xian根gen據ju專zhuan家jia或huo熟shu練lian工gong人ren的de知zhi識shi和he經jing驗yan獲huo取qu相xiang應ying測ce量liang領ling域yu的de一yi級ji數shu值zhi/語言變換策略，然後應用模糊推理方法求取相應隸屬函數。Foulloy提ti出chu了le基ji於yu語yu義yi關guan係xi的de概gai念nian生sheng成cheng方fang法fa，首shou先xian，由you論lun域yu的de意yi義yi來lai定ding義yi一yi個ge通tong用yong的de概gai念nian，稱cheng屬shu概gai念nian
，使shi之zhi對dui應ying數shu值zhi域yu中zhong論lun域yu上shang的de主zhu要yao區qu間jian，然ran後hou在zai此ci基ji礎chu上shang定ding義yi新xin概gai念nian，以yi產chan生sheng其qi它ta語yu義yi值zhi及ji其qi意yi義yi，新xin概gai念nian通tong過guo語yu言yan修xiu正zheng器qi內nei部bu自zi動dong生sheng成cheng。Foulloy還提出了基於已知點集通過內插方法實現的模糊狀態傳感器，每一學習點通過Delaunay三角法在測量空間的笛卡爾積上構造模糊分割，三角法用於建立與過程狀態相關的符號的模糊意義。

 

Benoit Edengrentaolunleshiyongfuhaoxinxishi，fuhaoyuyiyubeiceliangxinxizaitedingrenwuhuanjingxiadeguanxi，renweimohuchuanganqibixugenjuceliangguanxilaigouzao
，bingqieyinggaikeyizhongzuyishiyingbutongdeceliangguanxi。bingtichulejiangjichugainianzuoweixianyanxinxitigonggeichuanganqi，qiyugainianyouyunsuanzidongshengchengdeshejisixiang。zhezhongfangfabaoliulegainianzhijiandexiangduiyuyi，danbunengbaozhengyuceliangguanxifuhaoshuomingdeyizhixing

，yincibixukaolvhuanjingduiceliangguanxidexiuzhengwenti
，tatichulejiyudingxingxuexiyijitongguofuhetiaojieshuomingdehanshufangfalaijinxingxiuzheng。tatichulejiyuDelaunay多維空間的三角測量的線性插值來構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deng人ren認ren為wei模mo糊hu傳chuan感gan器qi是shi一yi種zhong智zhi能neng測ce量liang設she備bei，由you簡jian單dan選xuan擇ze的de傳chuan感gan器qi和he推tui理li器qi組zu成cheng，將jiang被bei測ce量liang轉zhuan換huan為wei適shi於yu人ren類lei感gan知zhi和he理li解jie的de信xin號hao。由you於yu知zhi識shi庫ku中zhong存cun儲chu了le豐feng富fu的de專zhuan家jia知zhi識shi和he經jing驗yan
，它ta可ke以yi通tong過guo簡jian單dan、廉價的傳感器測量相當複雜的現象。

 

五、模糊傳感器的應用

 

目前

，模糊傳感器已被廣泛應用
，而且已進入平常百姓家
，如模糊控製洗衣機中布量檢測
、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製的成果。隨著科技的發展

，科學分支的相互融合
，模糊傳感器也應用到了神經網絡
、模式識別等體係中。

 

六、結束語

 

模糊傳感器的出現
，不僅拓寬了經典測量學科
，而且使測量科學向人類的自然語言理解方麵邁出了重要的一步。模糊傳感器雖然在色彩、距離等領域有一些成功的應用
，但隻是分散的、個別的，遠未形成係統的理論體係和技術框架，實現模糊傳感器的諸多關鍵技術尚未完全解決，還需廣大測量工作者的繼續探索。

 

 

推薦閱讀：