CN101404074B

CN101404074B - 基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法

Info

Publication number: CN101404074B
Application number: CN2008102190359A
Authority: CN
Inventors: 董名垂; 傅彬彬; 李炳南
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2028-11-11
Also published as: CN101404074A

Abstract

本发明提出一种基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法。它使用素数来对知识库中规则条件部分的各子项进行编码，用编码所得素数的乘积来替代原有规则的条件部分；还对可能出现的“溢出”问题实现了自动进阶编码处理；并用整数来编码规则的结论，从而将知识库转化为全数字形式并可用纯四则运算和查表操作来实现专家推理过程并获取推理依据。不但能节省大量存储知识库用的存储器资源，而且加快了系统推理诊断速度，尤其适宜在硬件资源有限的嵌入式平台上实施。此外，用纯数字表达的简短规则极大加快了数据的存取速度和在网络上的远程传递速度，有利于同远程服务器上综合知识库之间的动态同步更新。

Description

基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法

所属技术领域

本发明涉及一种基于纯数字表达知识、纯四则运算来实现专家推理并獲取推理依据的嵌入式专家系统方法，属于人工智能领域，尤其适合专家系统在嵌入式系统、便携式系统、系统芯片、手机设备、小型电脑设备上的运用。

背景技术

基于规则的专家系统因为其知识便于理解、其演绎推理过程接近人们思维逻辑、其结论便于解释，故在各领域得到了广泛的应用，例如医疗诊断领域、预测预报领域、工程控制领域等。与之相关的配套技术也发展得比较成熟，例如知识的自动获取、信号的前置处理、确定型和不确定型推理诊断、推理结论的自动解释等。

基于规则的专家系统的核心部分是知识库和推理机。知识存储在知识库里，一般采用产生式规则来表达。产生式规则可表示为：

IF Antecedent₁ Antecedent₂ …

Antecedent_n THEN Consequent

其中Antecedent₁，…，Antecedent_n等为规则的条件部分，而Consequent则为规则的结论。在进行演绎推理时，依据所获得的事实，逐条搜索知识库里的规则，检查是否与每一条规则的条件部分相符合。若已知事实包含规则条件各子项，则执行该条规则，获得该规则的结论。否则放弃该条规则，匹配失败。反复循环执行以上过程，直至达到目标为止。

这里基于规则的专家系统采用容易阅读的文字或简洁的符号来表达知识，利用基于文字或符号的搜索匹配过程来实现推理诊断，这是一个比较繁琐而且相当耗时的过程。而且，当面对复杂问题的时候，需要有丰富的知识库来支持推理诊断，此时知识库便会占用大量的存储空间；复杂的算法就要占用大量的内存及CPU等计算机资源。这些缺点妨碍了基于规则的专家系统在资源有限的嵌入式、便携式平台上的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有基于文字规则的文字型专家系统或基于符号规则的符号型专家系统的知识库占用存储空间过大、推理诊断速度过慢、对计算机硬件资源要求过高而不适合在嵌入式、便携式平台上应用的不足，提供一种新型的基于纯数字表达和纯四则运算的数字型专家系统方法。该方法用纯数字来表达知识，用简单的四则运算来实现推理并获取推理依据，不但能节省大量的存储器资源，而且能加快系统推理诊断速度，适用于在资源有限的嵌入式、便携式平台上应用。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：提供一种基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法，包括嵌入式专家系统，其特征是：所述嵌入式专家系统的知识库是全数字形式并可用纯四则运算和查表操作来实现专家推理过程并获取推理依据，包括以下步骤：

A、用不同的素数来对知识库中每条规则条件部分的各子项进行编码，用编码所得素数的乘积替代原有规则的条件部分；用不同的整数来编码各条规则的结论，从而将目前国内外广泛使用的文字型或符号型知识库转化为全数字型简单形式；

B、将已知事实根据同样的编码规则用相应的素数来替代，用它们的乘积在数字化知识库支持下通过简单的四则运算来进行推理；

C、用减法运算便可判断已知事实是否与知识库中规则的条件部分完全匹配，若两者相减结果为0，则完全匹配；

D、用求模运算来实现不确定性推理，若求模运算的余数为0，则已知事实包含规则条件，两者匹配；

E、对推理结论进行合/素数反分解即可获得推理依据，对推理结论作出清楚的解释。

所述嵌入式专家系统4还包括与其通讯连接并集成为一体的生物信号采集模块、用户界面、信号处理和特征提取模块、网络接口。

还进一步包括通过即插即触发的有线/无线方式与所述嵌入式专家系统通讯连接的远程中央服务器，使嵌入式专家系统链接到远程中央服务器，对嵌入式专家系统中的知识库进行更新。

本发明所述基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法的有益效果是：采用“嵌入-链接”方案和基于纯数字表达、纯四则运算的数字型专家系统成功解决了在有限的硬件和计算资源的嵌入式、便携式平台上实现分布、实时、多任务控制和复杂的专家系统诊断的技术难点，为进一步设计医学专用集成芯片电路、实现真正可穿戴式测量和智能监护提供了技术实施方案，具有以下优点：

1、本发明采用素数对原有知识库里各规则的条件子项进行编码，利用素数的乘积作为规则的条件部分，将规则的结论也用相应的整数编码为具有唯一性的单个整数，从而将冗长的文字串、符号串转化为简短的数字串，能节省大量的知识库存储空间，使之适宜在嵌入式、便携式平台上实现。

2、本发明采用简单的四则运算来实现专家系统的演绎推理，用简便快捷的四则运算取代繁琐而冗长的字符搜索匹配过程，大大加快了专家系统的演绎推理速度、降低了对处理器和内存储器等硬件资源的要求，便于在嵌入式、便携式平台上实现。

3、对推理结论进行合/素数反分解即可获得推理依据，容易对推理结论作出清楚的解释。

4、数字化的知识库中简短的数字规则极大加快了数据的存取速度和在网络上的传递速度，有利于嵌入式、便携式专家系统同远程中央服务器上综合知识库之间的动态同步更新。

5、基于纯数字表达和纯四则运算的嵌入式专家系统方法适合在手机芯片、系统芯片等微电路上实现，易于同其它模块集成以增强便携式设备的智能性，扩大了专家系统的应用领域。

下面结合附图和实施例对本发明所述的基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法作进一步说明：

附图说明

图1是本发明所述的基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法的数字型专家系统与其他文字型、符号型专家系统在PC机上仿真测试同类诊断问题所需推理时间的比较图。

图2是本发明所述的基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法的控制逻辑框图。

图3是本发明所述的基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法的嵌入式专家系统的内存中数字型知识库的规则存储格式之一。

图4是本发明所述的基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法的嵌入式专家系统的内存中数字型知识库的规则存储格式之二。

图5是本发明所述的基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法的系统原理图。

具体实施方式

以下本发明所述基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法的最佳实施例，并不因此限定本发明的保护范围。

参照图1、图2，提供一种基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法，所述嵌入式专家系统的知识库是全数字形式并可用纯四则运算和查表操作来实现专家推理过程并获取推理依据，包括以下步骤：

通过求模运算删除存放于不确定性推理候选结果区中的冗余结果，即：若一条规则的条件部分可被另一条规则的条件部分整除，则前一条规则仅为后一条规则的假言结果，而非最终结论。

通过用循环相除的方法将产生最终结论的条件部分反分解为其组成的素数群，对照编码表即可解码为规则条件部分的各子项，从而获得推理依据，对推理结论最终作出清楚的解释。

本方法可用于任何嵌入式系统、便携式系统、系统芯片、手机设备、小型电脑设备上实施的具备上述全部或部分主要特征的嵌入式或非嵌入式数字型专家系统，以医疗诊断专家系统为例，就可将产生式规则：

IF Antecedent₁

Antecedent₂ …

Antecedent_n THEN Consequent

用素数编码为：

IF P₁

P₂

…P_n THEN C

这里P₁，P₂，…，P_n等为各不相同的素数，而C为某种疾病所唯一对应的整数编码。然后求出这些素数的乘积A，于是规则可转化为：

IF A THEN C

其中A＝P₁*P₂*…*P_n。于是，在知识库里一串长的字符串便被转化为短的整数数字串，节约了大量的存储空间，易于被移植到嵌入式、便携式平台的闪存里。

同时，由于此新型专家系统是为解决在嵌入式平台上也能进行复杂和高效推理的难题而提出，因此针对目前主流的嵌入式微处理器的处理能力，比如低端的8位单片机，只能处理到2⁸即256的整数，因此需要考虑到计算量“溢出”的问题。这里提出的一个解决整数溢出问题的方案是将数字化知识的结论表达方式由单一整数表征N或者N[1]扩展至多个整数表征N[i](1<i≤K)，增设一个对素数相乘结果进行预判断的条件，随着大的素数的增加，当预判断出乘积结果即将溢出时，可根据溢出的次数增加到K个整数来包含和表征溢出的部分。假设P_n(p₁，p₂，…p_n)是编码后得到的素数列，而N_bound是处理器能够进行的整数运算的最大值，扩展知识表达方式的流程如下所示：

输入：P_n编码后的条件表征素数列

N_bound不同微处理器上能进行的整数运算的最大值

输出：N[K]经扩展后的K个整数表征的素数乘积

流程：i＝1；N[i]＝1； //初始值

For j＝1 to n //对输入的素数进行逐个

判断

{

if((N_bound/p_j)<N[i]) //当乘到第j个素数时

溢出

{

i＝i+1； //扩展编码的阶数

N[i]＝1； //设置下一轮判断的初始

值

}

N[i]＝N[i]*p_j； //如判断无溢出便执行

素数相乘

j＝j+1； //下一个素数

}

最后的K取决于当P_n素数列里所有的素数都相乘和判断是否溢出完毕后的i值。一旦遇到超出各嵌入式平台能处理的整数运算范围的情况，数字化规则结论部分的表达方式会根据以上流程自动扩展编码的阶数，尽管编码后规则表达式会被拆分成若干个相应的存储单位，需要查询和匹配的数量有所增加，但仍然能够保持整数操作的既定优势，而且由于素数相乘结果的唯一性，不会造成推理时数字匹配上的“重码”和混淆，因此很好解决了基于微处理器应用的复杂计算“溢出”问题。

把知识库的文字串、字符串转化为纯数值，不但节省了存储空间，最重要的是可以用简单方便的四则数学运算来取代对文字或符号规则的搜索和匹配，大大加快处理速度。在进行推理诊断时，首先将已知事实根据同样的编码规则逐项转化为相应素数，然后求出它们的乘积M。采用简单的减法运算便可判断该事实是否与规则条件相符。即计算：

S＝M-A

如果S为0，则已知事实与规则条件部分完全符合，于是执行该条规则的结论C。如果需要考虑在不确定性条件下专家系统的非精确性推理，则可采用求模算法来实现非精确性推理，即求解：

R＝M％A

这里％为求模运算符号，R为所得的余数。当R为0时，说明已知事实包含规则条件，该规则的结论部分即被保存并作为假言结果或候选结果。当对推理所得的结果进行解释说明时，根据素数之积反向分解的唯一性，容易分解而得到代表规则条件各子项的素数列。依据编码表反向解码，便可得到具有特定含义的规则条件各子项，具体到医疗领域，便为该种疾病所对应的各种症状。即：

P₁，P₂，…，P_n→C

该数字型专家系统方法易于用微电路实现，所涉及的算法仅为简单的查表操作及四则运算。简洁的程序代码、相应的编码表和数字化知识库特别适合在资源有限的嵌入式、便携式设备上使用。

我们根据专家系统在医学诊断领域里的应用要求，建立了一个小型化的基于心血管疾病诊断规则的知识库和相应的推理机制。主要是根据20项心血管参数的相对超标程度来对心脏、血管和微循环系统的健康状况作出评估和预诊断，其中运用了模糊推理机制，即将每一项参数划分成“非常高”、“比较高”、“高”、“正常”、“低”、“比较低”、“非常低”这七项，比较符合医学专家们思考和判断的实际思路，也比单纯靠数值大小来简单区分正常与否更精准。

表1为这个样机专家系统规则的条件部分编码表。表中对比列出了各项心血管参数的几种表达方式，分别有符号型、文字型和数字型。

表2为这个样机专家系统规则的结论部分编码表。

于是此样机专家系统的一条虚拟规则可以表示为以下形式：

文字型：

[(‘平均脉压’‘比较高’)AND(‘心率’‘高’)AND(‘心输出量’‘低’)]

[(“心律不齐”)AND(“血管硬化”)]

[(‘心搏指数’‘比较高’)AND(‘心搏输出量’‘低’)AND(‘心输出量’‘非常高’)AND(‘肺动脉楔压’‘非常高’)AND(‘血容量‘正常’)]

[(“心脏早搏严重”)AND(“肺循环障碍”)AND(“严重高血压”)]

符号型：

[(‘MAP’

)AND(‘HR’)AND

AND(“Blood vessel is stiff”)]

[(‘SI’

)AND(‘SV’)AND(‘CO’

)AND(‘PCWP

)AND

AND(“Pulmonary circulation is dysfunctional”)AND(“Critical hypertension”)]

数字型：

[(11615)] &DoubleRightArrow; [(93)]

[(7571) (27887) (739)] &DoubleRightArrow; [(1517) (43)]

测试时采用的PC机配置：微处理器为Intel Pentium 166MHz；内存为64M SDRAM；操作系统为Windows 98。其中数字型与文字型专家系统由C语言开发，而符号型专家系统由Visual Prolog开发。按照以上各种规则的表达方式建立的知识库，假设其分别包含有约2000条、约4000条和约8000条规则。占用的存储空间(单位采用KB即千字节表示)如下表所示：

知识库类型	约2000条规则	约4000条规则	约8000条规则
				文字型(KB)	500	1000	2000
符号型(KB)	167	352	667
				数字型(KB)	43	89	173

分别输入10个、15个和20个事实或症状信号给三种不同类型的专家系统，各专家系统在不同容量知识库支持下进行推理所需的工作时间如图1所示。可见数字型专家系统不但对系统的硬件资源需求较少，还大大提高了系统的工作效能。

心血管参数属性

非

比～：正

比

非

符号文字

高低

常高较高常较低常低

HR 心率 2 3 5 7 11 13 17

主动脉

MAP 19 23 29 31 37 41 43

压

心搏输

SV 47 53 59 61 67 71 73

出量

心输出

CO 79 83 89 97 101 103 107

量

心博指

SI 109 113 127 131 137 139 149

数

心脏指

CI 151 157 163 167 173 179 181

数

动脉顺

AC 191 193 197 199 211 223 227

应性

TPR 总周阻 229 233 239 241 251 267 263

血流速

V 269 271 277 281 283 293 307

度

冠动脉

CAP 311 313 317 331 337 347 349

压

肺动脉

PCWP 353 359 367 373 379 383 389

楔压

肺动脉

PAP 397 401 409 419 421 431 433

压

肺动脉

PAR 439 443 449 457 461 463 467

阻

PP 脉压 479 487 491 499 503 509 521

平均收

MSP 523 541 547 557 563 569 571

缩压

平均舒

MDP 577 587 593 599 601 607 613

张压

心肌耗

HOV 617 619 631 641 643 653 659

氧量

心肌氧

HOI 661 673 677 683 691 701 709

耗指数

BV 血容量 719 727 733 739 743 751 757

心泵指

VP 761 769 773 787 797 809 811

数

... ... ... ... ... ... ... ... ...

表1

医学诊断建议	编码
		心悸亢进	2
心律不齐	3
		心泵过高	5
心泵不足	7
		心泵力不均	11
心肌供血不足	13
		周阻过高	17
周阻过低	19
		微循环能力弱	23
心血管循环功能障碍	29
		血管硬化	31
心脏早搏严重	37
		肺循环障碍	41
严重高血压	43
		脉压过小	47
...	...

表2

参照图2，所述基于纯数字表达和纯四则运算的新型嵌入式专家系统方法的控制流程包括以下骤为：

1、通过传感器采集实施对象的事实或症状信号，依据事实或症状信号的属性抽取信号特征值；

2、读取规则条件编码表。若编码表为空，则与远程中央服务器通讯，下载与本地所用传感器对应的规则条件编码表、规则结论编码表和相应的数字化知识库；

3、根据规则条件编码表对事实或症状信号自动进行素数编码；

4、采用求积算法，计算出事实或症状信号的素数编码乘积值M；

5、读取数字型知识库里的一条数字规则：A→C；

6、采用求模算法来获得余数：R＝M％A；

7、判断余数R的值，若R值不为0，说明规则不符合，跳转到第9步；

8、若R值为0，说明规则匹配，该规则的结论则被保存至候选结果区；

9、判断是否搜索完知识库中所有规则。如若没有搜索完，则返回第5步继续读取下一条规则。否则，往下继续执行；

10、判断候选结果区是否为空。若为空，说明定制的数字型知识库不足以支持该数字型嵌入式专家系统工作，须与专家沟通更新该系统的数字化知识库。然后返回第5步在新的知识库基础上重新进行推理。若候选结果区不为空，则继续；

11、处理候选结果集合，删除冗余的结果；

12、对最终结论进行合数分解并根据编码表解码，解释推理结论；

13、将结果反馈给用户，完成整个操作步骤。

参照图3、图4，其中“规则条件索引地址”占用3个字节，可以寻址2²⁴即16MB存储空间，对于数字化知识库来说已经足够。

参照图5，所述嵌入式专家系统4是一种基于纯数字表达和纯四则运算推理诊断、“嵌入-链接”数字型专家系统。

所述嵌入式专家系统4还包括与其通讯连接并集成为一体的生物信号采集模块1、用户界面2、信号处理和特征提取模块3、网络接口6。

还进一步包括通过即插即触发的有线/无线方式与所述嵌入式专家系统4通讯连接的远程中央服务器5，使嵌入式专家系统4链接到远程中央服务器5，对嵌入式专家系统4中的知识库进行更新。

以上为本发明的优选实施方式，并不因此而限定本实用新型的保护范围，凡是采用纯数字表达知识规则和采用纯四则运算进行推理及获取推理依据的具备上述全部或部分主要特征的专家系统方法；采用本方法在任何嵌入式系统、便携式系统、系统芯片、手机设备、小型电脑设备上实施的具备上述全部或部分主要特征的嵌入式或非嵌入式数字型专家系统；具备上述特征的有关算法及其实施，具备上述特征的有关技术方案、技术方法、系统和设备均均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.根据权利要求1所述的基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统，其特征是：所述嵌入式专家系统是一种基于纯数字表达和纯四则运算推理诊断、“嵌入-链接”数字型专家系统，所述嵌入式专家系统(4)包括与其通讯连接并集成为一体的生物信号采集模块(1)、用户界面(2)、信号处理和特征提取模块(3)、网络接口(6)，通过用户界面(2)输入被测对象的基本信息、显示诊断及预警结果。

2.根据权利要求1所述的基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法，其特征是：还包括通过即插即触发的有线/无线方式与所述嵌入式专家系统(4)通讯连接的远程中央服务器(5)，使嵌入式专家系统(4)链接到远程中央服务器(5)，对嵌入式专家系统(4)中的知识库进行更新。

3.一种采用权利要求1或2所述基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法，包括嵌入式专家系统，其特征是：所述嵌入式专家系统的知识库是全数字形式并可用纯四则运算和查表操作来实现专家推理过程并获取推理依据，包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法，其特征是：通过求模运算删除存放于不确定性推理候选结果区中的冗余结果，即：若一条规则的条件部分可被另一条规则的条件部分整除，则前一条规则仅为后一条规则的假言结果，而非最终结论。

5.根据权利要求1所述的基于纯数字表达和四则运算的嵌入式专家系统的控制方法，其特征是：通过用循环相除的方法将产生最终结论的条件部分反分解为其组成的素数群，对照编码表即可解码为规则条件部分的各子项，从而获得推理依据，对推理结论最终作出清楚的解释。