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(yǔ)。隨著模糊理論技術(shù)的發(fā)展，模糊傳感器也得到了國(guó)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(cè)量的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)模糊推理與知識(shí)集成，以自然語(yǔ)言符號(hào)描述的形式輸出測(cè)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(cè)量的符號(hào)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(cè)量映射到實(shí)數(shù)集中，以數(shù)值符號(hào)來(lái)描述被測(cè)量狀態(tài)，即對(duì)被測(cè)對(duì)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(cè)量領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大與深化，由于被測(cè)對(duì)象的多維性，被分析問(wèn)題的復(fù)雜性或信息的直接獲取、存儲(chǔ)方面的困難等等原因，只進(jìn)行單純的數(shù)值測(cè)量且對(duì)測(cè)量結(jié)果以數(shù)值符號(hào)來(lái)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(hào)來(lái)描述。例如在產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)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(lái)描述，但數(shù)字在這里已失去通常的測(cè)量值的意義，它僅作為一個(gè)符號(hào)，不能來(lái)表征被測(cè)實(shí)體的具體特征。

（2）很多數(shù)值化的測(cè)量結(jié)果不易理解。如在測(cè)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(cè)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(cè)量理論和方法來(lái)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(hào)化表示原理

模糊語(yǔ)言是人類表述語(yǔ)言的一種，因?yàn)槿藗儗?duì)自然界事物的認(rèn)識(shí)存在著一定的模糊性，用模糊符號(hào)來(lái)表述信息具有較為簡(jiǎn)單、方便，且易于進(jìn)行高層邏輯推理等優(yōu)點(diǎn)。模糊符號(hào)化表示就是利用模糊數(shù)學(xué)的理論和方法，借助于專門(mén)的技術(shù)工具，把測(cè)量得到的信息，用適合人們模糊概念的模糊語(yǔ)言符號(hào)加以描述的過(guò)程。符號(hào)是信息的載體，是對(duì)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(yǔ)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(duì)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(hào)關(guān)系系統(tǒng)，描述符號(hào)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(hào)。si的含義是qi從數(shù)值域下向語(yǔ)言域映射的投影，而對(duì)每一次測(cè)量qi，符號(hào)si成為qi的描述。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 符號(hào)化表示原理示意圖

如果F映射是一對(duì)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(duì)單”或“多對(duì)單”映射。那么，在后一種情況下，符號(hào)域中的一個(gè)符號(hào)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(hào)化表示有一定的局限性，即在不同測(cè)量結(jié)構(gòu)下，同一測(cè)量子集的元素對(duì)應(yīng)不同的符號(hào)；或在同一測(cè)量結(jié)構(gòu)下，存在測(cè)量子集的一些元素同時(shí)對(duì)應(yīng)于不同的符號(hào)的情況。這一局限性可通過(guò)基于多值邏輯理論的多值符號(hào)化測(cè)量來(lái)彌補(bǔ)。其基本思想是：在實(shí)體測(cè)量集中，根據(jù)對(duì)實(shí)體的某一特征表現(xiàn)程度的不同，把測(cè)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(cè)量集上對(duì)實(shí)體集選取適當(dāng)多個(gè)特征表示，使之與測(cè)量集中的元素相對(duì)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(duì)每一個(gè)Qi進(jìn)行符號(hào)映射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體集多值符號(hào)化測(cè)量。

2、多級(jí)映射原理

雖然符號(hào)具有高級(jí)邏輯表達(dá)、易理解、人類經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)易集成、較寬的冗余度等特點(diǎn)，但與數(shù)值測(cè)量無(wú)限可分相比，符號(hào)化測(cè)量描述細(xì)節(jié)的程度和范圍不夠，尤其在利用符號(hào)對(duì)數(shù)值轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量時(shí)更為突出。而多級(jí)映射原理在實(shí)現(xiàn)數(shù)值對(duì)符號(hào)和符號(hào)對(duì)數(shù)值轉(zhuǎn)換的同時(shí)，可以擴(kuò)大符號(hào)表示的細(xì)致程度和范圍。

圖2 多級(jí)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(jiǎn)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(shuō)明了模糊傳感器的應(yīng)用。

多級(jí)映射的基本功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)值→符號(hào)的變換和符號(hào)→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(duì)符號(hào)的轉(zhuǎn)換，并且是由數(shù)值域Q中的元素qi經(jīng)過(guò)映射M的第一級(jí)M1映射到符號(hào)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(jí)映射M2，映射M2將qi映射到次子集Sij，經(jīng)過(guò)若干級(jí)映射可以得到描述qi信息的符號(hào)sy；

其次，則是符號(hào)對(duì)數(shù)值的轉(zhuǎn)換，由經(jīng)過(guò)多級(jí)映射得到的符號(hào)sy通過(guò)映射M-1得到數(shù)字值qj。

由于自然語(yǔ)言表現(xiàn)概念的局限性，建議多級(jí)映射的級(jí)數(shù)為3級(jí)。例如，對(duì)于0℃～100℃的溫度范圍，每級(jí)采用7個(gè)概念，在映射級(jí)數(shù)為3級(jí)時(shí)，精度達(dá)到0.3℃。對(duì)于不需要人們直接參與的中間測(cè)量結(jié)果情況，多級(jí)映射級(jí)數(shù)可以根據(jù)需要加以確定。映射級(jí)數(shù)的多少另一方面還取決于每一級(jí)中包含概念（元素）的個(gè)數(shù)，每一級(jí)概念個(gè)數(shù)多則需要的映射級(jí)數(shù)就相應(yīng)少。如果多級(jí)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(jí)數(shù)和傳感器變換非線性誤差是相關(guān)的，映射級(jí)數(shù)應(yīng)該通過(guò)給定的測(cè)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。可見(jiàn)，模糊傳感器主要由傳統(tǒng)的數(shù)值測(cè)量單元和數(shù)值－符號(hào)轉(zhuǎn)換單元組成。其核心部分就是數(shù)值－符號(hào)轉(zhuǎn)換單元。但在數(shù)值－符號(hào)轉(zhuǎn)換單元中進(jìn)行的數(shù)值模糊化轉(zhuǎn)換為符號(hào)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(cè)量數(shù)值與模糊語(yǔ)言之間的變換方法，即數(shù)值的模糊化，來(lái)生成相應(yīng)的語(yǔ)言概念。所謂語(yǔ)言概念生成就是要定義一個(gè)模糊語(yǔ)言映射作為數(shù)值域到語(yǔ)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(hào)域上，以實(shí)現(xiàn)模糊傳感器的功能。這里的語(yǔ)言值用模糊集合來(lái)表示，模糊集合則由論域和隸屬函數(shù)構(gòu)成。因此模糊語(yǔ)言映射就是要求取相應(yīng)語(yǔ)言概念所對(duì)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(guó)外很多學(xué)者對(duì)模糊傳感器的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行過(guò)討論，這里簡(jiǎn)要介紹幾種：

Foulloy算法簡(jiǎn)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(guò)程是首先根據(jù)專家或熟練工人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)獲取相應(yīng)測(cè)量領(lǐng)域的一級(jí)數(shù)值/語(yǔ)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(yǔ)義關(guān)系的概念生成方法，首先，由論域的意義來(lái)定義一個(gè)通用的概念，稱屬概念，使之對(duì)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(yǔ)義值及其意義，新概念通過(guò)語(yǔ)言修正器內(nèi)部自動(dòng)生成。Foulloy還提出了基于已知點(diǎn)集通過(guò)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(guò)Delaunay三角法在測(cè)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(guò)程狀態(tài)相關(guān)的符號(hào)的模糊意義。

Benoit E等人討論了使用符號(hào)信息時(shí)，符號(hào)語(yǔ)義與被測(cè)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(cè)量關(guān)系來(lái)構(gòu)造，并且應(yīng)該可以重組以適應(yīng)不同的測(cè)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(dòng)生成的設(shè)計(jì)思想。這種方法保留了概念之間的相對(duì)語(yǔ)義，但不能保證與測(cè)量關(guān)系符號(hào)說(shuō)明的一致性，因此必須考慮環(huán)境對(duì)測(cè)量關(guān)系的修正問(wèn)題，他提出了基于定性學(xué)習(xí)以及通過(guò)復(fù)合調(diào)節(jié)說(shuō)明的函數(shù)方法來(lái)進(jìn)行修正。他提出了基于Delaunay多維空間的三角測(cè)量的線性插值來(lái)構(gòu)造模糊分割的新方法，用以建立采用多元件測(cè)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(cè)量設(shè)備，由簡(jiǎn)單選擇的傳感器和推理器組成，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為適于人類感知和理解的信號(hào)。由于知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)了豐富的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，它可以通過(guò)簡(jiǎn)單、廉價(jià)的傳感器測(cè)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(cè)、水位檢測(cè)、水的渾濁度檢測(cè)，電飯煲中的水、飯量檢測(cè)，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(guó)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(shí)別等體系中。

六、結(jié)束語(yǔ)

模糊傳感器的出現(xiàn)，不僅拓寬了經(jīng)典測(cè)量學(xué)科，而且使測(cè)量科學(xué)向人類的自然語(yǔ)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(cè)量工作者的繼續(xù)探索。