0 引言

    在人工智能領(lǐng)域，機(jī)器學(xué)習(xí)和自適應(yīng)等算法是主要研究方向，而面對(duì)智能家居領(lǐng)域的控制，機(jī)器學(xué)習(xí)等方法并不合適。原因如下：首先，樣本空間不足，沒(méi)有足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)^[1]。例如，一般城市家庭的生活作息是以星期為單位，即使只收集一個(gè)家庭50組數(shù)據(jù)就需要花費(fèi)一年的時(shí)間，這在實(shí)際運(yùn)用中行不通；其次，學(xué)習(xí)難度大。準(zhǔn)確性地學(xué)習(xí)一個(gè)人或一個(gè)家庭的生活作息難度非常大，因?yàn)槿瞬淮嬖诮^對(duì)的內(nèi)在作息規(guī)律，隨機(jī)性非常大^[2]；最后，計(jì)算能力不足。人工智能一般需要很大的計(jì)算量，而智能家居的控制算法基本運(yùn)行在單片機(jī)或微控制器上，這些處理器相對(duì)PC或服務(wù)器級(jí)別的處理器而言，主頻低，單核，位長(zhǎng)短和浮點(diǎn)計(jì)算能力欠缺或不足^[3-4]。

    基于以上事實(shí)，智能家居控制算法不能采用既有模型和思路來(lái)實(shí)現(xiàn)。算法必須具備不需要學(xué)習(xí)樣本、應(yīng)對(duì)變化反應(yīng)速度快、計(jì)算量小和容易被編碼等特點(diǎn)^[5-6]。智能家居的控制算法是一個(gè)具體場(chǎng)景的應(yīng)用，故在學(xué)術(shù)上對(duì)此的研究并不多。本文通過(guò)不斷的嘗試和實(shí)驗(yàn)，提出了以真假值為主要計(jì)算手段的TF算法。 

1 算法概述

    為簡(jiǎn)化算法的表達(dá)并增強(qiáng)實(shí)用性，引用電熱水器作為家庭設(shè)備終端進(jìn)行說(shuō)明，該設(shè)備是中國(guó)普通家庭普及率最高的家用電器。一般家庭使用熱水的習(xí)慣集中在早晨和晚上，而電熱水器卻是全天24小時(shí)保存熱水，造成了電能浪費(fèi)[7]。以中國(guó)南方為例，夏季即使白天和夜里不使用熱水，熱水器一般會(huì)空燒一次，而在冬天則空燒的頻率更大，嚴(yán)重造成了電能浪費(fèi)。由于家庭組成千變?nèi)f化，不可能通過(guò)提前在熱水器中預(yù)置一個(gè)全能的控制算法來(lái)做實(shí)際控制，但可以在熱水器中預(yù)置一個(gè)具備最低級(jí)控制能力并同時(shí)具有收集分析歷史數(shù)據(jù)和根據(jù)數(shù)據(jù)的變化動(dòng)態(tài)做出決策的TF算法。在實(shí)際使用中，通過(guò)它在不同的家庭環(huán)境中控制熱水器的同時(shí)提取用戶(hù)數(shù)據(jù)，制定出與特定使用者相匹配的控制策略。

2 建立表達(dá)模型

    熱水器的使用是現(xiàn)實(shí)世界中的具體問(wèn)題，如果要想通過(guò)算法或程序來(lái)進(jìn)行智能控制和管理，則首先需要建立相關(guān)的數(shù)據(jù)表達(dá)模型，這個(gè)表達(dá)模型應(yīng)該容易被計(jì)算機(jī)表示和處理，只有在這個(gè)表達(dá)模型基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算等處理。

2.1 原始數(shù)據(jù)采集

    算法控制的直接對(duì)象是熱水器，因此要了解對(duì)應(yīng)家庭使用熱水的時(shí)間段數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)只有通過(guò)熱水器獲知。熱水在實(shí)際使用中總是時(shí)斷時(shí)續(xù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)人的簡(jiǎn)單洗漱過(guò)程一般會(huì)持續(xù)10~15分鐘，平均開(kāi)關(guān)水龍頭3次^[8]，而如果把這些瑣碎的時(shí)間片全部收集起來(lái)進(jìn)行處理則沒(méi)有任何意義。數(shù)據(jù)收集采取的辦法是兩次使用熱水的時(shí)間差在半個(gè)小時(shí)以?xún)?nèi)，則算為一次。通過(guò)使用該收集數(shù)據(jù)的方法抽查并記錄某一家庭某一周使用熱水的數(shù)據(jù)如下所示：

    周一： 06:28-07:03\11:40-13:59\18:32-00:05

    周二： 06:53-07:28\19:20-22:22

    周三： 06:10-07:40\19:43-00:20\22:21-00:12

    周四： 06:31-06:58\17:46-20:19

    周五： 06:11-07:42\17:17-00:28

    周六： 09:01-11:11\12:40-14:22\08:03-01:16

    周日： 08:40-10:15\11:49-15:48\18:53-23:20

2.2 數(shù)據(jù)處理和離散化

    為了更加清晰地發(fā)現(xiàn)規(guī)律，需要對(duì)原始采集的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，實(shí)質(zhì)是將其工作區(qū)間擴(kuò)大和計(jì)數(shù)單位離散化。具體的處理方法是將起始時(shí)間在xx:01-xx:30和xx:31-xx:60(xx:00)之間的數(shù)據(jù)劃歸到xx:00和xx:30。結(jié)束時(shí)間在xx:01-xx:30和xx:31-xx:60(xx:00)之間的數(shù)據(jù)劃歸到xx:30和xx+1:00。處理過(guò)的數(shù)據(jù)如下所示：

    周一： 06:00-07:30\11:30-14:00\18:30-00:30

    周二： 06:30-07:30\19:00-22:30

    周三： 06:00-08:00\19:30-21:30\22:00-00:30

    周四： 06:30-07:00\17:30-20:30

    周五： 06:00-08:00\17:00-00:30

    周六： 09:00-11:30\12:30-14:30\08:00-01:30

    周日： 08:30-10:30\11:30-16:00\18:30-23:30

    通過(guò)將處理過(guò)的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，原始數(shù)據(jù)是被處理過(guò)數(shù)據(jù)的一個(gè)真子集。雖然原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后發(fā)生變化，但可以在不影響使用者數(shù)據(jù)提取的前提下簡(jiǎn)化計(jì)算工作，所以進(jìn)行這樣的數(shù)據(jù)處理是必要的。

    為了更清晰地看清規(guī)律將數(shù)據(jù)可視化，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)得出表1的位圖表?？v向?yàn)闀r(shí)間單位，每半個(gè)小時(shí)為一個(gè)計(jì)算單位；橫向?yàn)?個(gè)時(shí)間單位，每天是一個(gè)計(jì)算單位。

    根據(jù)實(shí)際使用情況每半個(gè)小時(shí)對(duì)應(yīng)著布爾值“真”或是“假”，用T表示“真”，F(xiàn)表示“假”。通過(guò)表1發(fā)現(xiàn)，只要控制算法最終能確定每個(gè)格子的值取真還是假即可。至此，將實(shí)際問(wèn)題中的模擬量轉(zhuǎn)化成了由位圖表示的計(jì)算機(jī)可處理的表達(dá)模型，整個(gè)算法也是基于位圖展開(kāi)的。

2.3 應(yīng)用場(chǎng)景分析及研究重點(diǎn)

    算法的最終使用場(chǎng)景是在沒(méi)有任何歷史數(shù)據(jù)存在的情況下，收集數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)同步進(jìn)行。由于使用家庭不同和節(jié)氣等原因，生活作息會(huì)不斷變化，即使是通過(guò)累積歷史數(shù)據(jù)分析并得到了決策方法，也不能以后就一直使用這個(gè)方法，還必須持續(xù)地分析過(guò)去的數(shù)據(jù)，形成與使用者家庭當(dāng)前最匹配的控制方法。

    在現(xiàn)實(shí)中，城市居民的生活往往以周或天為一個(gè)規(guī)律性的周期，所以需要加入一個(gè)控制周期參數(shù)LP(learning period)來(lái)定義控制周期。根據(jù)實(shí)際情況給LP取兩個(gè)值，如果是天，用LP=d(day)表示；或者是星期，用LP=w(week)表示。

    在LP=d的情況下，前一天的數(shù)據(jù)會(huì)一定程度地影響第二天對(duì)熱水器的控制，這種情況適用于不是以星期為生活周期的家庭。

    在LP=w的情況下，前一個(gè)星期的輸入數(shù)據(jù)會(huì)在一定程度上影響下個(gè)星期對(duì)控制器的控制。其實(shí)LP=w是由LP=d的組合而行成的情況，以每周的星期三為例，當(dāng)前星期的周三只能借鑒前一個(gè)星期周三的歷史數(shù)據(jù)，本質(zhì)還是LP=d的情況，所以本論文重點(diǎn)研究LP=d的情況。

3 算法原理

    當(dāng)前控制位圖(A)+最近一天的數(shù)據(jù)位圖(B)=最終控制位圖(C)(計(jì)算方法)，如圖1所示。

    其中當(dāng)前控制位圖(A)表示當(dāng)前的控制決策；最近一天的數(shù)據(jù)位圖(B)表示最新的歷史數(shù)據(jù)，它是算法的輸入；最終控制位圖(C)表示通過(guò)計(jì)算得出的最新控制決策結(jié)果，它是算法的輸出。而在整個(gè)算法工作流程中，計(jì)算方法是核心，直接決定著最終控制結(jié)果的好壞。

3.1 TF初步方法

    最簡(jiǎn)單的初步計(jì)算方法是采取類(lèi)似真值計(jì)算法來(lái)得出目標(biāo)控制位圖。以圖1的07:00-07:30這一格為例來(lái)說(shuō)明。圖2給出了計(jì)算法則。

    這種策略完全參考最新一天的數(shù)據(jù)，把最近一天的數(shù)據(jù)當(dāng)作下一天的控制方法。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但是不具備靈活性和健壯性。尤其是對(duì)突然不規(guī)律的一天數(shù)據(jù)這種情況，完全沒(méi)有抵御能力。另外也沒(méi)有考慮到06:30-07:00和07:30-08:00等目標(biāo)格附近對(duì)最終結(jié)果的影響，因?yàn)檎５纳钭飨⒍际窃谝欢ǖ膮^(qū)間內(nèi)搖擺，必須要注重時(shí)間前后性的聯(lián)系。

3.2 TF改進(jìn)方法

    初步方法除了參照最近一天的數(shù)據(jù)B外，并沒(méi)有參考以前的數(shù)據(jù)，需要在初步方法基礎(chǔ)上做進(jìn)一步改進(jìn)。要想?yún)⒖家郧暗臍v史數(shù)據(jù)，需要把歷史數(shù)據(jù)一定程度反映到當(dāng)前控制位圖A中。每一個(gè)格子在可以取真假值之外，需要再攜帶一個(gè)權(quán)值，這里用W表示。以W作為參考，面對(duì)最新一天的數(shù)據(jù)位圖時(shí)，可以綜合W的值來(lái)做出決策，而不是完全按照最新一天的位圖信息來(lái)決定下一天的控制位圖。初步方法有一點(diǎn)需要保留——T值即刻生效法，無(wú)論當(dāng)前控制位圖A的某一格子是T還是F，或者W取值是什么，只要最近一天數(shù)據(jù)位圖B的對(duì)應(yīng)格子是T，則下一天的控制位圖對(duì)應(yīng)格子做出的決策是T。采取“T值即刻生效法”是為了盡量不要遺漏工作時(shí)間，快速對(duì)變化做出反應(yīng)，從而減少給正常生活帶來(lái)麻煩。這也是整個(gè)算法的原則之一，實(shí)現(xiàn)手段是盡量使算法的T值域大于等于真正的T值域，這樣可以更好地為智能生活帶來(lái)方便。圖3給出了“T值即刻生效法”的運(yùn)算法則。

    W的一種取法是統(tǒng)計(jì)式的方式，即以T或F的總數(shù)為分子，T和F的和總數(shù)為分母。W的另外一種取法是記錄式的方式，記錄預(yù)定義的一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)的T或是F的總數(shù)。由于人的活動(dòng)具有時(shí)間局部性，相同活動(dòng)規(guī)律具有聚集性，第二種方法可以反映相應(yīng)的聚集性和連續(xù)性，所以W采取第二種方式取值，具體的取法如下。

    用3個(gè)域來(lái)保存最近三天的T/F值記錄。W的3個(gè)域初始值均為T(mén)，在未接觸到使用者數(shù)據(jù)時(shí)，默認(rèn)全天工作。W的動(dòng)態(tài)變化如圖4所示。

    W從整體上看是一個(gè)按著時(shí)間的先后順序向左移動(dòng)的記錄。W保存的是使用者家庭最近過(guò)去三天的T/F值情況。

    在T值即刻生效法和W的約束下，需要新的計(jì)算法則，以W在n(n>=3)天后的情況為例來(lái)說(shuō)明，如圖5所示。

    以第n天的數(shù)據(jù)劃分為兩種情況。

    第一種情況：第n天的數(shù)據(jù)值為T(mén)。根據(jù)T值即刻生效法會(huì)直接得出控制結(jié)果為T(mén)。這種情況下不需要參考W的值。

    第二種情況：第n天的數(shù)據(jù)值為F。這種情況，T值即刻生效法不起作用，做決策的依據(jù)是查看第n-2天的數(shù)據(jù)值和第n-1天的數(shù)據(jù)值的真假。如果全部是F，則得出控制值為F；如果只有T存在，則會(huì)得出控制結(jié)果為T(mén)。該情況采取這種策略的目的是為由T向F變化提供一個(gè)容量為3的緩沖，只有連續(xù)三天為F才能確定為F，這些做法很好地體現(xiàn)了T值域最大可能性的覆蓋真實(shí)情況。具體的計(jì)算法則如圖6所示。

3.3 TF最終方法

    改進(jìn)方法可以反映人們生活習(xí)慣的時(shí)間局部性，但其缺點(diǎn)是邊界過(guò)于硬朗和容易造成控制漏洞。下面以圖1的15:00一格為研究對(duì)象來(lái)說(shuō)明。

    使用改進(jìn)方法則只參考時(shí)間段15:00～15:30的當(dāng)前控制位圖A和15:00～15:30的最新歷史數(shù)據(jù)B，然后得到15:00～15:30的控制結(jié)果C。而實(shí)際上，人們的生活行為是線性的，具有時(shí)間前后連續(xù)性。為此，除了需要參考15:00～15:30的當(dāng)前位圖和最近一天15:00～15:30的數(shù)據(jù)位圖外，需要把它前一格的數(shù)據(jù)和后一格的數(shù)據(jù)作為參考，進(jìn)行評(píng)估。截取圖1的數(shù)據(jù)如圖7所示。

    使用改進(jìn)方法可以分別得到C的14:30格子、15:00格子和15:30格子的控制結(jié)果。為了反映時(shí)間的連續(xù)性，在C的基礎(chǔ)上建立3個(gè)格子的關(guān)聯(lián)。具體分為兩種情況：

    第一種情況：當(dāng)使用改進(jìn)方法計(jì)算出15:00格子的控制結(jié)果為T(mén)，則依然遵守T值即刻生效法，不做任何操作，直接確定其最終控制結(jié)果為T(mén)。

    第二種情況：當(dāng)使用改進(jìn)方法計(jì)算出15:00格子的控制結(jié)果為F，并通過(guò)改進(jìn)方法計(jì)算出14:30格子和15:30格子的控制結(jié)果。如果想要確定15:00格子的最終控制結(jié)果，需要參考其相鄰格子的值。具體的辦法是采取簡(jiǎn)單投票法，如果其他兩個(gè)格子都是T，則15:00格子的最終控制結(jié)果為T(mén)；否則，15:00格子的最終控制結(jié)果為F。這種做法進(jìn)一步加大了T域覆蓋真實(shí)T的可能性。

    最終方法在初步方法和改進(jìn)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和完善，去掉了初步方法和改進(jìn)方法的缺點(diǎn)和不足，繼承了它們的優(yōu)點(diǎn)。最終方法具有對(duì)T變化反應(yīng)迅速、對(duì)F變化反應(yīng)遲緩，并具有柔和邊界和防止控制漏洞等特性。

4 測(cè)試結(jié)果和評(píng)價(jià)

    對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試有模擬和實(shí)踐兩種方法。對(duì)于TF算法而言，由于沒(méi)有方法對(duì)人的這種隨機(jī)性行為進(jìn)行模擬，所以采用模擬方法并不可行。故采用實(shí)踐測(cè)試方法對(duì)TF算法進(jìn)行測(cè)試。

    由于時(shí)間等因素的限制，對(duì)TF算法進(jìn)行了小范圍測(cè)試，統(tǒng)計(jì)以天為生活周期某一家庭使用熱水器的數(shù)據(jù)，持續(xù)時(shí)間為10天。另外，為了說(shuō)明算法的使用效果，把算法的控制結(jié)果和這一個(gè)家庭的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

    通過(guò)測(cè)試結(jié)果表發(fā)現(xiàn)，前三天是導(dǎo)入期，故TF算法具有最大工作時(shí)間，其控制的熱水器是全天24小時(shí)工作，沒(méi)有收斂，從第四天開(kāi)始收斂。其中有兩個(gè)參數(shù)需要統(tǒng)計(jì)，一個(gè)是命中率為93.9%，這個(gè)參數(shù)直接影響到使用者的體驗(yàn)，命中率越高，則用戶(hù)越滿(mǎn)意。非命中的格子在測(cè)試結(jié)果圖8中已經(jīng)被標(biāo)記出來(lái)，非命中率為6.1%。

    從節(jié)能省電的角度來(lái)評(píng)價(jià)算法，則需要統(tǒng)計(jì)無(wú)效控制，去掉前三天的情況，無(wú)效控制率為36.7%。單純從節(jié)能省電的角度來(lái)評(píng)價(jià)算法，這個(gè)參數(shù)越低，則電能利用率越高。但是，只有在命中率滿(mǎn)足一定要求下，提升這個(gè)指標(biāo)才有意義。

    由于學(xué)術(shù)界對(duì)智能家居智能算法的研究很少，故沒(méi)有辦法通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)證明算法性能，但可通過(guò)統(tǒng)計(jì)并對(duì)比使用TF控制算法前后的用電量來(lái)測(cè)試。表2分別統(tǒng)計(jì)了TF控制算法運(yùn)行不同時(shí)間與平時(shí)的用電量比率。

5 結(jié)論

    本文從智能家居的智能控制的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，分析了智能家居對(duì)智能算法的要求，建立了智能表達(dá)模型。通過(guò)實(shí)際測(cè)試TF算法，驗(yàn)證了該控制算法具有很好的智能性和健壯性，并具備很強(qiáng)的節(jié)能省電功能，可以滿(mǎn)足智能控制的要求并被實(shí)踐推廣。

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