萬(wàn)阿平

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院揚(yáng)州分院，江蘇 揚(yáng)州 225003)

0 前言

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，有必要開發(fā)出具有更強(qiáng)大計(jì)算能力的芯片。傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的芯片在用于大數(shù)據(jù)并行計(jì)算時(shí)需要復(fù)雜的指令系統(tǒng)，計(jì)算速度不能滿足實(shí)際要求。芯片的本質(zhì)是集成電路，其主要制作工藝是將集成電路制造在半導(dǎo)體晶圓上，當(dāng)前集成電路技術(shù)發(fā)展迅速，晶體管可達(dá)到每平方毫米100萬(wàn)的數(shù)量級(jí)。

1 語(yǔ)音芯片的發(fā)展

1.1 智能芯片

在信息化時(shí)代，電子產(chǎn)品得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其核心技術(shù)是芯片的設(shè)計(jì)制造。芯片被視作微型“計(jì)算機(jī)”，能夠嵌入在卡片、存貨清單和設(shè)備中，人工智能芯片這種具有復(fù)雜算法處理能力的芯片其性能主要取決于內(nèi)部特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單的指令集，如類腦芯片。與傳統(tǒng)語(yǔ)音芯片相比，智能語(yǔ)音芯片的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)在于它可以通過使用元器件對(duì)接收到的命令進(jìn)行信息分析和分類，并指導(dǎo)機(jī)器執(zhí)行各種動(dòng)作。同時(shí)，智能語(yǔ)音芯片還可以進(jìn)行高質(zhì)量、高壓縮率的錄音，并在需要時(shí)進(jìn)行回放，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。

1.2 語(yǔ)音芯片

人工智能或機(jī)器翻譯技術(shù)在自然語(yǔ)言處理方面已獲得許多成果。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外媒體的廣泛報(bào)道，智能語(yǔ)音技術(shù)受到公眾的廣泛關(guān)注，這也使得智能語(yǔ)音技術(shù)得到飛速發(fā)展。目前，人機(jī)交互技術(shù)依托人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展，在智能化、自動(dòng)化趨勢(shì)下蘊(yùn)含巨大的商業(yè)價(jià)值。而語(yǔ)音芯片作為現(xiàn)代汽車智能化的表現(xiàn)，能夠滿足車輛消費(fèi)者在車內(nèi)工作、休閑娛樂等要求，是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 新能源汽車的智慧系統(tǒng)

2.1 智慧系統(tǒng)的研發(fā)困境

目前，智慧系統(tǒng)的研發(fā)困境主要是自主核心技術(shù)缺乏，產(chǎn)品信息共享體系不足和校企聯(lián)合培養(yǎng)人才儲(chǔ)備不足等。我國(guó)的新能源汽車需要在車載新能源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)方面逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，這在合資發(fā)展道路上是難以實(shí)現(xiàn)的，從而造成在生產(chǎn)或出口過程中投資成本較大。而智能網(wǎng)聯(lián)市場(chǎng)還處在萌芽期，部分細(xì)分市場(chǎng)蘊(yùn)藏著巨大的潛力，未來(lái)還可能應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等機(jī)械設(shè)備中，無(wú)人駕駛是重點(diǎn)發(fā)展方向[1]。近年來(lái)，各車企紛紛發(fā)布智能網(wǎng)聯(lián)汽車戰(zhàn)略，盡管他們的智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)名稱不同，但功能大多包含語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音控制、云服務(wù)和空中下載技術(shù)等[2]。如今，傳統(tǒng)信息共享平臺(tái)已不能滿足研發(fā)企業(yè)的大量信息共享需求，因此需要對(duì)信息交互平臺(tái)進(jìn)行完善，以便其能更廣泛地應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域。在我國(guó)高等職業(yè)院校教育改革目標(biāo)下，采取“校企合作，產(chǎn)教融合”的教學(xué)模式推動(dòng)我國(guó)實(shí)用性技術(shù)人才培養(yǎng)，但目前還處于探索階段，還需在地方政府政策引導(dǎo)下不斷拓展和加深合作范圍及合作深度。

2.2 智慧系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)

目前，國(guó)家不斷提倡環(huán)境保護(hù)，營(yíng)造采用綠色能源的社會(huì)環(huán)境，因此新能源汽車成為汽車行業(yè)的主要發(fā)展方向。而數(shù)字化系統(tǒng)在新能源汽車中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，如音樂播放器、藍(lán)牙電話、車載導(dǎo)航和可視化通訊等，這些都帶來(lái)了更加舒適便利的駕駛體驗(yàn)。新能源汽車本身就具有人工智能的技術(shù)和硬件基礎(chǔ)，搭載智能語(yǔ)音系統(tǒng)以后使得其應(yīng)用場(chǎng)景更為豐富和廣泛，可以滿足用戶的更多需求，如商務(wù)汽車和房車需要具備工作學(xué)習(xí)和生活的必備條件，智能翻譯可以幫助連線跨國(guó)會(huì)議和接打國(guó)際長(zhǎng)途電話等。一方面，智能語(yǔ)音技術(shù)可以賦能傳統(tǒng)家電，延伸設(shè)備的功能，提升人們的智能使用體驗(yàn)；另一方面，隨著人類生活水平的改善，未來(lái)的家居電氣設(shè)備種類將日益增多，能夠搭載智能語(yǔ)音功能的或?qū)⑦_(dá)到近百款。

3 新能源汽車的語(yǔ)音芯片設(shè)計(jì)

語(yǔ)音芯片需要運(yùn)用到多種智能語(yǔ)音技術(shù)，包括信號(hào)處理與模式、發(fā)生機(jī)理與聽覺機(jī)理、概率論與信息論和人工智能等。而芯片與集成電路制造屬于精密儀器制造，對(duì)制造環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境具有較高要求，對(duì)應(yīng)的開發(fā)與制造成本相對(duì)較高。

3.1 總體架構(gòu)

語(yǔ)音芯片按照對(duì)象與內(nèi)容可以分為特定人語(yǔ)音芯片和非特定人語(yǔ)音芯片[3]。特定人語(yǔ)音芯片用于對(duì)指定的人進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，在進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別前必須將用戶的語(yǔ)音參考樣本存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中作為比較，也就是說，必須在使用前對(duì)特定人的語(yǔ)音進(jìn)行訓(xùn)練。通常在機(jī)器提示下訓(xùn)練固定次數(shù)，機(jī)器便能掌握特定人員的講話習(xí)慣與特點(diǎn)，進(jìn)行更為貼切的交互。非特定人語(yǔ)音芯片是指無(wú)特定人員語(yǔ)音資料庫(kù)的語(yǔ)音技術(shù)，無(wú)論年齡和性別，只要說的是同一種語(yǔ)言，機(jī)器就能進(jìn)行識(shí)別。非特定人語(yǔ)音芯片的應(yīng)用模式是在產(chǎn)品定型前，根據(jù)確定的十幾個(gè)語(yǔ)音交互條目，采集約200人的語(yǔ)音樣本，通過計(jì)算機(jī)算法處理交互條目的語(yǔ)音模型和特征數(shù)據(jù)庫(kù)，然后在芯片上燒錄。若將該燒錄芯片應(yīng)用于智能娃娃、電子寵物等機(jī)器，這些機(jī)器就具有人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)兒童與玩具的雙向互動(dòng)，起到陪伴作用。但該模式具有顯著的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需采集多人語(yǔ)音樣本即可進(jìn)行交互，缺點(diǎn)是識(shí)別準(zhǔn)確率不高，性能也不穩(wěn)定。

圖1給出了語(yǔ)音芯片在新能源汽車中的應(yīng)用設(shè)計(jì)流程。語(yǔ)音芯片的設(shè)計(jì)需滿足如下功能：① 準(zhǔn)確簡(jiǎn)單的語(yǔ)音指令；② 完成簡(jiǎn)單的人機(jī)語(yǔ)音交互；③ 提升語(yǔ)音準(zhǔn)確率，降低背景噪聲干擾；④ 多復(fù)用設(shè)計(jì)，在多種場(chǎng)景下可以自動(dòng)匹配模式；⑤ 低功耗，保證使用時(shí)間可達(dá)一周；⑥ 系統(tǒng)遇到故障能自動(dòng)重啟，保證使用的穩(wěn)定性；⑦ 具有一定的糾錯(cuò)功能，自動(dòng)錄入錯(cuò)誤并糾正；⑧ 適用性廣，可嵌入多種電子設(shè)備并保持正常運(yùn)行。

圖1 語(yǔ)音芯片應(yīng)用設(shè)計(jì)流程

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

語(yǔ)音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示，其一般操作順序?yàn)椋合到y(tǒng)錄入語(yǔ)音，完成語(yǔ)音詞匯特征提取，構(gòu)建聲學(xué)模型，構(gòu)建語(yǔ)音模型，詞匯與語(yǔ)音庫(kù)詞匯解碼，設(shè)置好中斷函數(shù)，最后開啟中斷允許位。如果不使用中斷函數(shù)的方式，需要在“開始語(yǔ)音”后判斷寄存器(B2H)中的值，如果寄存器中的值為21H，就表示有結(jié)果產(chǎn)生，如果沒有就返回，此后的讀取候選列表等操作與中斷方式相同。

圖2 語(yǔ)音系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

4 語(yǔ)音芯片的應(yīng)用

嵌入式語(yǔ)音芯片可分為封閉域和開放域，封閉域范圍圍繞指定的字詞集合，即在開發(fā)系統(tǒng)的時(shí)候會(huì)設(shè)定好應(yīng)當(dāng)注意的字詞，對(duì)范圍外的詞語(yǔ)語(yǔ)音系統(tǒng)識(shí)別得不夠準(zhǔn)確。而這樣的設(shè)定字或詞的方式可通過聲學(xué)模型和語(yǔ)音模型進(jìn)行裁剪，有利于減小引擎的運(yùn)算量，最后再將引擎封到嵌入式語(yǔ)音芯片中，這樣便可完全脫離云端，無(wú)需連網(wǎng)也可以完成智能語(yǔ)音識(shí)別。目前主流的語(yǔ)音芯片是將日常生活語(yǔ)音轉(zhuǎn)化成文本，屬于開放域語(yǔ)音識(shí)別，如果不與人工智能結(jié)合，其應(yīng)用場(chǎng)景不如封閉域語(yǔ)音識(shí)別廣泛。典型的應(yīng)用場(chǎng)景就是在汽車人機(jī)交互導(dǎo)航地址搜索框中錄入語(yǔ)音，系統(tǒng)根據(jù)用戶發(fā)布的語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別，搜索出相關(guān)的地址信息進(jìn)行導(dǎo)航。

5 結(jié)語(yǔ)

伴隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車的智能化水平不斷提升，增強(qiáng)了產(chǎn)品的舒適性和便利性。語(yǔ)音芯片的設(shè)計(jì)和應(yīng)用推動(dòng)了第3次人工智能熱潮，未來(lái)智能語(yǔ)音技術(shù)將在集成更多功能的同時(shí)控制能耗，并將大量應(yīng)用到新能源汽車等領(lǐng)域，使人機(jī)交互方式得到推廣和應(yīng)用。