信息家电智能协作系统的设计与实现

信息科学与技术学院学士学位论文

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

产生式规则表示知识的基本形式为：if<前提>then<结论>，表示当前提成立时可以推出结论的成立，产生式规则具有如图4-1所示的模型。

条件1 ?? 前提 结论 条件n 图4-1 产生式规则的模型

根据产生式规则的基本模型和所设计的协作模型，将信息家电中的协作规则定义如表4-1所示。

表4-1 系统总体规则定义

Condition Need Condition Conclusion Num TS01 A11 A41 TS01 A01 TS11 A41 2 A41 A21 A11 2 A11 A31 2 TS11+A11→A31 TS01+A01→A11 28+1→2 3 1 A41→A21 5→3 2 升温→设定温度 温度太低+空调关闭→打开空调 TS01+A11→A41 28+2→5 1 温度太低+空调打开→升温 Formula Fact ID Remark 29+2→4 4 温度太高+空调打开→降温 22

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A31 TS11 A01 A11 W11 LS01 L01 LS01 L11 LS11 L11 GS01 GS01 GS01 S1 S1 S1 S1 S1 S1 G1 G1 AU11 G1 G1 G1 G1 A21 A11 A11 W01 2 W01 L11 L11 L21 L21 L01 L01 G01 W11 F11 TV01 AU01 A01 C01 W01 L01 AU11 AU31 2 AU31 TV11 TV21 C11 W11 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 GS01→G01 GS01→W11 GS01→F11 S1→TV01 S1→AU01 S1→A01 S1→C01 S1→W01 S1→L01 G1→AU11 34→24 11 34→21 12 34→27 13 36→13 14 36→16 15 36→1 16 2 LS01+L11→L21 2 LS01+L01→L11 30+9→10 8 30+10 →11 A11+W11→W01 2+21→20 7 1 2 A31→A21 TS11+A01→A11 4→3 5

降温→设定温度 温度太高+空调关闭→打开空调 空调打开+窗户打开→关闭窗户 29+1→2 6 光线太弱+灯关→开灯 9 光线太弱+灯开→调光 2 LS11+L11→L01 31+10 →9 10 光线太强+灯开→关灯 煤气泄漏→关闭煤气 煤气泄漏→开窗 煤气泄漏→打开空气清新设备 睡眠→关电视 睡眠→关音响 睡眠→关空调 睡眠→拉下窗帘 睡眠→关窗 睡眠→关灯 起床→打开音响 36→22 17 36→20 18 36→9 19 37→17 20 起床+音响打开→音响播放G1+AU11→AU31 37+17→19 21 古典音乐 G1→TV11 37→14 22 起床→打开电视 G1+TV11→TV21 37+14→15 23 起床+电视打开→换台 G1→C11 G1→W11 37→23 24 37→21 25 起床→拉起窗帘 起床→打开窗户 23

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GS01 GS11 AR11 AR01 1 1 GS01→AR11 GS11→AR01 34→39 26 35→38 27

煤气泄漏→报警 煤气正常→停止报警 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

4.2.1临时事实的存储

临时事实库是一个动态的库，在不同的信息家电运行状态下，临时事实库中存放的事实也是不同的。信息家电智能协作系统可以通过感应和监控设备来获取当前系统中各信息家电的状态存储到临时事实库中，然后推理机根据临时事实库中事实搜索规则库进行推理，在满足规则触发规则结论动作后再将新产生的事实加入到临时事实库中。考虑到用户可以自己增加信息家电设备以及移除某一信息家电设备这一信息家电设备数量的不确定性，以及每次所获得的事实数量的不确定性，可以采用单链表结构来存储临时事实。在临时事实链表中按顺序移动指针来对每一个事实结点进行推理。

由于在某一时刻下，某一具体的信息家电其状态是不能互斥的，例如空调不能同时具备开和关两个状态，所以获取到的事实应当也是不能互斥的。另外在推理过程中产生的新事实也可能会和之前所具备的事实相冲突，例如假设当前具备空调关和温控设备检测到温度过高的事实，则将触发打开空调这一动作，在动作完成后会增加一个空调开的新事实到临时事实链表的最后，显然空调开和空调关是相互冲突的，因此在增加新事实后需要删除之前的互斥事实空调关。对应到临时事实链表中则是删除一个结点的操作，对于这样删除某一中间结点的操作对链式结构而言也是很方便的，但如果采用顺序结构则需要将数组中被删除元素后面的元素依次往前移动一个空间。

除了在推理产生的事实后需要考虑到事实间的互斥，还需要考虑到如果某一条规则的结论所对应的事实在临时事实库中应经存在，如果再去触发这一动作发生则会显得多余。例如如果在空调已经打开的情况下，某一规则能推理出开空调的动作，在这种情况下显然不需要再去触发开空调这一动作。此外，如果之前存在空调开这

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一事实，在推理过程中会将所有具备条件为空调打开的规则结论所对应的Con_Lack减1，如果再去触发开空调这一动作，则在推理到这一新事实时，再将Con_Lack减1也是不合理的。

4.2.2产生式规则专家系统的推理

产生式系统是专家系统的基础，专家系统就是从产生式系统发展而来的。基于规则的专家系统是一个计算机程序，该程序使用一套包含在知识库内的规则对工作存储器内的具体问题信息（事实）进行处理，通过推理机推断出新的信息。其工作模型如图4-2所示。

知识库 （规则、事实） 工作存储器（临时事实） 推理机 图4-2 基于规则的工作模型

在信息家电智能协作系统中，知识库用来存储在实际的推理过程中所要参照的规则以及所有已定义好的事实，规则中的每一个前提和结论都是存储在事实库中的事实编号，例如有事实TS01：Room 1's temp is too low，事实编号为28；事实A11：Turn on No.1 air condition，事实编号为2；事实A41： Turn up No.1 air condition's temp，事实编号为5；存在规则：TS01+A11→A41（温度太低+空调打开→升温），如果用编号来存储的则可以表示为28+2→5。将所有定义好的规则存储到数据库中作为信息家电智能协作过程中所要触发动作的依据，系统根据规则的结论来触发相应的动作来完成一个简单的推理过程。工作存储器中存储当前系统中信息家电状态所对应的临时事实，它是事实库中事实的一个子集。推理机作为信息家电协作过程中的核心部分，它主要是借助于把存放在工作存储器内的临时事实和存放在知识库内的规则结合起来，建立人的推理模型，以推断出新的信息。推理机作为产生式系统模型的推理模块，并把临时事实与规则的前项进行比较，确定哪条规则能够被激活。通过

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