許文倩 黃 棟 陳照春 林 娟

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 福州 350008）

當(dāng)前,特種設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉ钜约案餍懈鳂I(yè)的生產(chǎn)過程中是不可或缺的要素。然而在其生產(chǎn)和使用等環(huán)節(jié)中的隱患越來越多,每個(gè)隱患都將可能是釀成事故的風(fēng)險(xiǎn),這給特種設(shè)備安全監(jiān)管帶來了前所未有的挑戰(zhàn)[1-4]。因此,特種設(shè)備安全宣傳教育工作任務(wù)尤為艱巨。調(diào)研發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)開展特種設(shè)備宣傳教育的實(shí)踐中,需要選擇經(jīng)驗(yàn)豐富、素質(zhì)全面的人員進(jìn)行專門培訓(xùn)來回答專業(yè)性的問題[5],投入的時(shí)間成本和人力資源成本不只是用金錢來簡單估算。即使如此也難以做到統(tǒng)一、全面的答復(fù)所有問題。

隨著人工智能的興起,AI智能交流機(jī)器人使特種設(shè)備的宣傳教育快速普及成為可能。因此,本研究將收集特種設(shè)備相關(guān)知識,結(jié)合特種設(shè)備知識的特點(diǎn),選擇自然語言分析歸納方法,建立領(lǐng)域知識庫,彌補(bǔ)特種設(shè)備知識庫接口空白。通過搭建的特種設(shè)備知識庫,連接問答Web服務(wù)器,構(gòu)建基于特種設(shè)備知識庫的AI交流機(jī)器人,從而打造特種設(shè)備專屬宣傳教育工作的新模式。

1 特種設(shè)備領(lǐng)域庫構(gòu)建

AI交流機(jī)器人的核心在于如何智能化地模擬人類進(jìn)行回答。目前AI交流機(jī)器人需要固定的行業(yè)領(lǐng)域知識庫,如股票、游戲、電信、房產(chǎn)等,通過相應(yīng)的知識庫接口,使得AI交流機(jī)器人能夠擁有交流或回復(fù)的功能[6-7]。由于當(dāng)前特種設(shè)備本體描述的信息欠完備,未見針對特種設(shè)備領(lǐng)域的知識庫,因此在構(gòu)建特種設(shè)備問答過程中會導(dǎo)致實(shí)例層的信息較少,使得當(dāng)前AI無法對特種設(shè)備相關(guān)領(lǐng)域問答進(jìn)行解惑。為了完備問答體系,建立特種設(shè)備領(lǐng)域知識庫,能力化、邏輯化和細(xì)致化對特種設(shè)備知識進(jìn)行模塊化描述。

研究首先通過網(wǎng)絡(luò)信息,對市場監(jiān)督管理局、特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院等相關(guān)專業(yè)知識網(wǎng)頁進(jìn)行的宣傳科普以及問答平臺進(jìn)行分析,獲取相關(guān)知識并以Excel形式匯總問答題庫來源,部分網(wǎng)址如圖1所示。

圖1 特種設(shè)備相關(guān)知識庫源

通過收集當(dāng)前常見特種設(shè)備知識問題,類比其他行業(yè)知識庫,以領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)、權(quán)威工具書、重要文獻(xiàn)、學(xué)位論文、期刊論文以及公共互聯(lián)網(wǎng)資源等的答案對特種設(shè)備知識庫進(jìn)行整合分析,知識系統(tǒng)構(gòu)建如圖2所示。

圖2 知識庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了簡化整合知識庫體系,避免重復(fù)問答,研究采用思維導(dǎo)圖對問答層級進(jìn)行匯總,部分問答如圖3所示。

圖3 特種設(shè)備知識問答思維導(dǎo)圖

通過知識圖譜方法將八大類特種設(shè)備拓展分析,對思維導(dǎo)圖信息進(jìn)行分類整合,通過知識圖譜模型來模塊化描述現(xiàn)實(shí)世界中各種人或物之間的關(guān)系[6,8-9]。在知識圖譜模型中使用節(jié)點(diǎn)來描述人或物,用節(jié)點(diǎn)之間的邊來描述人或物之間的關(guān)系；每個(gè)節(jié)點(diǎn)和關(guān)系都可設(shè)置不同的屬性進(jìn)行區(qū)分。在知識圖譜中節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系構(gòu)成了一個(gè)主、謂、賓的三元組[8-10]。設(shè)計(jì)特種設(shè)備獨(dú)有的知識庫,并采用Neo4j進(jìn)行圖譜整理以及語義分析[11]。

Neo4J為高級程序設(shè)計(jì)語言,程序提供API接口,并可執(zhí)行Cypher查詢命令,工作原理如圖4所示[12]。

圖4 Neo4J 數(shù)據(jù)庫工作原理

通過Match命令查詢出相連關(guān)系p1和p2,然后通過Create命令建立實(shí)體p1和p2的連接。構(gòu)建如圖5所示知識圖譜結(jié)構(gòu),明確相關(guān)問題與答案體系,有序整理相關(guān)知識結(jié)構(gòu)。

因此,在知識圖譜構(gòu)建方面,圖譜以特種設(shè)備為中心,由八大特種設(shè)備為第二層級出發(fā),通過收集的相關(guān)特種設(shè)備法律法規(guī)、結(jié)構(gòu)、安全等常見特種設(shè)備相關(guān)知識以及常見問題對知識圖譜進(jìn)行初步整合,部分圖譜如圖5所示。研究提煉出相關(guān)特種設(shè)備領(lǐng)域問答928條,用于深入構(gòu)建特種設(shè)備領(lǐng)域問答體系。

圖5 特種設(shè)備問答知識圖譜

2 交流機(jī)器人軟硬件系統(tǒng)

研究構(gòu)建的AI機(jī)器人對人類日常問答的流程歸納并進(jìn)行類比模仿,并輸出答案結(jié)果。人機(jī)交互軟硬件系統(tǒng)流程具體細(xì)節(jié)如圖6所示,主要可分為4個(gè)部分：語音識別、AI問答服務(wù)器連接、問答數(shù)據(jù)庫搭建與電信號轉(zhuǎn)聲信號輸出。

圖6 特種設(shè)備知識庫的AI交流機(jī)器人問答流程

2.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究采用科大訊飛的AIUI語音識別軟硬一體的解決方案,通過創(chuàng)建整合處理的知識圖譜至自建獨(dú)立賬號技能庫,并對問答語言進(jìn)行分析[12-13]。

在語音識別方面,AIUI模塊支持語義識別和離線識別[14]。語義識別屬于在線識別,領(lǐng)域問題以在線形式在訊飛云端服務(wù)器進(jìn)行處理。離線識別采用本地離線識別引擎進(jìn)行識別,其識別能力弱于在線識別功能。本研究語音主控的設(shè)計(jì)采用在線與離線相結(jié)合的混合識別方法,音頻將送到本地離線引擎和云端解析,并采用結(jié)果反饋優(yōu)先順序策略對問題進(jìn)行分析。

此外,主控將添加已有的音樂、天氣等日常知識庫,并加入整合后的特種設(shè)備知識庫,同步云端配置特種設(shè)備知識技能庫,在系統(tǒng)中對關(guān)鍵字以及詞語語義進(jìn)行分析,如圖7所示。以特種設(shè)備用途問題為例,輸入相同問題的不同表述,系統(tǒng)將會分析問題語義并返回一段包含了語義分析結(jié)果的Json數(shù)據(jù),如圖8所示。系統(tǒng)調(diào)用其提供的接口并解析輸出的Json數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)問答對接。

圖7 語義分析案例

圖 8 問答案例

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件部分采用雙麥識別響應(yīng)方式,以陣列式輸入音頻,該方式具備功耗低、識別率高、響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。主要配有信號層處理、解碼層處理和對接層處理功能,如圖9所示[14]。

圖9 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從嵌入式硬件角度劃分,分為電源模塊、DSP數(shù)字信號處理模塊、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、AMP語音放大芯片、MCU主控制器模塊和存儲器模塊,如圖10所示。電源模塊包含實(shí)現(xiàn)鋰電池充電管理所需的電源；采用DSP模塊作為語音信號的專用微處理器,對語音信號進(jìn)行算法識別與處理；通過雙麥陣列式麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)聲電轉(zhuǎn)換；語音放大芯片主要實(shí)現(xiàn)語音電信號的濾波和編碼功能,通過自動(dòng)增益控制器作用實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離語音采集,經(jīng)過內(nèi)部多級放大電路得到穩(wěn)定放大信號并對語音進(jìn)行壓縮編碼,輸給主控制器；MCU主控制器模塊主要實(shí)現(xiàn)將語音放大編碼芯片傳輸?shù)恼Z音文件寫入存儲器模塊,并完成文件讀寫管理和工作模式切換等任務(wù)；存儲器模塊主要用于實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的存儲和刪除。

圖 10 硬件設(shè)計(jì)

綜上,在知識交流過程中,由麥克風(fēng)輸入語音音頻,把語音轉(zhuǎn)換為控制命令或文本,上傳AI問答服務(wù)器并實(shí)現(xiàn)問答數(shù)據(jù)庫連接,結(jié)果信息默認(rèn)由串口部分輸出,并將電信號轉(zhuǎn)聲信號得出答案解析。

3 結(jié)束語

研究構(gòu)建的特種設(shè)備領(lǐng)域AI交流機(jī)器人完成了特種設(shè)備相關(guān)知識整合,建立特種設(shè)備專業(yè)知識庫,融合自然語言處理技術(shù),填補(bǔ)在AI交流領(lǐng)域特種設(shè)備知識庫的空白。

通過基于特種設(shè)備知識庫的AI交流機(jī)器人在特種設(shè)備安全宣傳教育領(lǐng)域的應(yīng)用,有效提高特種設(shè)備安全宣傳教育的趣味性、影響力、針對性以及有效性,對提高設(shè)備安全宣傳教育質(zhì)量以及提升我國特檢隊(duì)伍形象具有重要的意義。