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摘要：本文概述了模糊傳感器的研究意義及概念，簡要介紹了模糊傳感器的理論基礎及實現方法，並舉例說明了模糊傳感器的應用。
一、引言
模糊傳感器是在20世紀80年nian代dai末mo出chu現xian的de術shu語yu。隨sui著zhe模mo糊hu理li論lun技ji術shu的de發fa展zhan，模mo糊hu傳chuan感gan器qi也ye得de到dao了le國guo內nei外wai學xue者zhe們men的de廣guang泛fan關guan注zhu。模mo糊hu傳chuan感gan器qi是shi在zai經jing典dian傳chuan感gan器qi數shu值zhi測ce量liang的de基ji礎chu上shang，經jing過guo模mo糊hu推tui理li與yu知zhi識shi集ji成cheng，以yi自zi然ran語yu言yan符fu號hao描miao述shu的de形xing式shi輸shu出chu測ce量liang結jie果guo的de智zhi能neng傳chuan感gan器qi。一yi般ban認ren為wei，模mo糊hu傳chuan感gan器qi是shi以yi數shu值zhi量liang為wei基ji礎chu，能neng產chan生sheng和he處chu理li與yu其qi相xiang關guan測ce量liang的de符fu號hao信xin息xi的de傳chuan感gan器qi件jian。
二、模糊傳感器的研究意義
傳chuan統tong的de傳chuan感gan器qi是shi數shu值zhi傳chuan感gan器qi，它ta將jiang被bei測ce量liang映ying射she到dao實shi數shu集ji中zhong，以yi數shu值zhi符fu號hao來lai描miao述shu被bei測ce量liang狀zhuang態tai，即ji對dui被bei測ce對dui象xiang給gei以yi定ding量liang的de描miao述shu。這zhe種zhong方fang法fa既ji精jing確que又you嚴yan謹jin，還hai可ke以yi給gei出chu許xu多duo定ding量liang的de算suan術shu表biao達da式shi，但dan隨sui著zhe測ce量liang領ling域yu的de不bu斷duan擴kuo大da與yu深shen化hua，由you於yu被bei測ce對dui象xiang的de多duo維wei性xing，被bei分fen析xi問wen題ti的de複fu雜za性xing或huo信xin息xi的de直zhi接jie獲huo取qu、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：D=〈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。係統原理如圖1所示。
圖1 符號化表示原理示意圖
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。
圖2 多級映射原理示意圖
多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。
圖3 模糊傳感器結構示意圖
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 E等(deng)人(ren)討(tao)論(lun)了(le)使(shi)用(yong)符(fu)號(hao)信(xin)息(xi)時(shi)，符(fu)號(hao)語(yu)義(yi)與(yu)被(bei)測(ce)量(liang)信(xin)息(xi)在(zai)特(te)定(ding)任(ren)務(wu)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)關(guan)係(xi)，認(ren)為(wei)模(mo)糊(hu)傳(chuan)感(gan)器(qi)必(bi)須(xu)根(gen)據(ju)測(ce)量(liang)關(guan)係(xi)來(lai)構(gou)造(zao)，並(bing)且(qie)應(ying)該(gai)可(ke)以(yi)重(zhong)組(zu)以(yi)適(shi)應(ying)不(bu)同(tong)的(de)測(ce)量(liang)關(guan)係(xi)。並(bing)提(ti)出(chu)了(le)將(jiang)基(ji)礎(chu)概(gai)念(nian)作(zuo)為(wei)先(xian)驗(yan)信(xin)息(xi)提(ti)供(gong)給(gei)傳(chuan)感(gan)器(qi)，其(qi)餘(yu)概(gai)念(nian)由(you)運(yun)算(suan)自(zi)動(dong)生(sheng)成(cheng)的(de)設(she)計(ji)思(si)想(xiang)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)保(bao)留(liu)了(le)概(gai)念(nian)之(zhi)間(jian)的(de)相(xiang)對(dui)語(yu)義(yi)，但(dan)不(bu)能(neng)保(bao)證(zheng)與(yu)測(ce)量(liang)關(guan)係(xi)符(fu)號(hao)說(shuo)明(ming)的(de)一(yi)致(zhi)性(xing)，因(yin)此(ci)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)環(huan)境(jing)對(dui)測(ce)量(liang)關(guan)係(xi)的(de)修(xiu)正(zheng)問(wen)題(ti)，他(ta)提(ti)出(chu)了(le)基(ji)於(yu)定(ding)性(xing)學(xue)習(xi)以(yi)及(ji)通(tong)過(guo)複(fu)合(he)調(tiao)節(jie)說(shuo)明(ming)的(de)函(han)數(shu)方(fang)法(fa)來(lai)進(jin)行(xing)修(xiu)正(zheng)。他(ta)提(ti)出(chu)了(le)基(ji)於(yu)Delaunay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。
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