• 沒有找到結果。

氣壓實驗之嵌入式專家系統設計

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "氣壓實驗之嵌入式專家系統設計"

Copied!
88
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)國立臺灣師範大學應用電子科技研究所 碩士論文 指導教授:曾煥雯博士. 氣壓實驗之嵌入式專家系統設計 Design of an Embedded Expert System on Pneumatic Experiment. 研究生:吳崇溢. 撰. 中 華 民 國 九十七年六月.

(2) 國立臺灣師範大學應用電子科技研究所 碩士論文 指導教授:曾煥雯博士. 氣壓實驗之嵌入式專家系統設計 Design of an Embedded Expert System on Pneumatic Experiment. 研究生:吳崇溢. 撰. 中 華 民 國 九十七年六月.

(3) 國 立 臺 灣 師 範 大 學 學 位 論 文 授 權 書 本授權書所授權之論文為授權人在國立臺灣師範大學 應用電子科技 研究所 96 學年度第 二 學期取得 碩 士學位之論文。 論文題目:__氣壓實驗之嵌入式專家系統設計__________ 指導教授:__曾煥雯教授___________________ 授權事項: ■同意 一、 授權人 □不同意. 非專屬無償授權本校及國家圖書館將上列論文資. 料以微縮、數位化或其他方式進行重製,並可上載網路收錄於本校博 碩士論文系統、國家圖書館全國博碩士論文資訊網及臺灣師範校院聯 合博碩士論文系統,提供讀者基於個人非營利性質之線上檢索、瀏 覽、下載、傳輸、列印或複印等利用。 二、 論文全文電子檔上載網路公開時間: 【第一項勾選同意者,以下須擇一勾選】 ■ 即時公開 □ 自__. 年__. 月__. 日始公開。. 授權人姓名: 學. (請親筆正楷簽名). 號:694750075. 註:1. 本授權書須列印並簽署兩份,一份裝訂於紙本論文書名頁,一份繳至圖書館辦理離校手 續。2. 授權事項未勾選者,分別視同「同意」與「即時公開」 。. 中. 華. 民. 國 九十七 年. 六. 月 三十 日.

(4) 國立台灣師範大學應用電子科技研究所 研究生:吳崇溢 碩士論文(中文):氣壓實驗之嵌入式專家系統設計 (英文):Design of an Embedded Expert System on Pneumatic Experiment 經審查合格,特予證明 論文口試委員 博士. 博士. 博士. 博士 國立臺灣師範大學 本論文指導教授. 教授. 博士 國立臺灣師範大學應用電子研究所教授 本論文指導教授. 所. 長:_____________________________. 中 華 民 國. 九十七. 年. 六. 月 三十 日.

(5) 氣壓實驗之嵌入式專家系統設計 學生:吳崇溢. 指導教授:曾煥雯博士. 國立臺灣師範大學應用電子科技研究所碩士班 摘. 要. “專家系統”(Expert System, ES)是具有高實用價值的綜合性學科,也 在電腦科學進化史上扮演著極為重要的角色,所以常被列為主要的課程之 一。本研究採用專家系統與知識庫系統的設計,運用於智慧型訓練與教育 (Intelligence Computer-Assisted Instruction, ICAI),考量傳統氣壓實作迴路 複雜、故障維修困難外,加上學習者人數多,教師難以充分指導每一位學習 者的每一個操作,因而降低了學習成效。 系統設計用於氣壓實作之嵌入式專家系統設計,核心係以 8051 為基底 之嵌入式系統晶片,運用專家系統 CLIPS 的推論結果建構知識規則庫、實 驗配管規則庫、錯誤配管診斷規則庫,再將規則庫內容植入嵌入式系統晶 片,做成智慧型嵌入式系統晶片,擔任硬體輔助教學的角色,系統晶片與實 際氣壓實做配管服務平台結合,透過數位訊號擷取模組診斷學習者的配管過 程,診斷與分析學習者的配管模式,提供學習者完善多層次之學習環境。 使用 Silicon Laboratories 所開發的嵌入式系統晶片為系統發展核心,提 供具專家系統功能的氣壓實做教學平台,學習者透過氣壓實作實際配管服務. i.

(6) 面板(Reality Wiring Service Panel, RWSP)的數位訊號,偵測學習者實際配管 情況,應用嵌入式系統晶片體積小、低耗能、穩定性高、處理速度快的特性 來增加系統的真實性、互動性及智慧性,適時地提供輔助教師對學生在實驗 過程中的隨時監控、引導、操作、示範,完成互動式氣壓實作訓練服務環境, 突破傳統教學思維的範疇,不僅讓學習環境呈現多元化,也助於提昇學習成 效。 關鍵字:專家系統、技能學習、嵌入式系統. ii.

(7) Design of an Embedded Expert System on Pneumatic Experiment Student:Wu Chung-Yi. Advisors:Dr. Tzeng Huan-Wen. Institute of Applied Electronics Technology National Taiwan Normal University ABSTRACT. Expert systems are knowledge-based systems that emulate expert thought to solve significant problems in a particular domain of expertise. The artificial intelligence represented by expert systems has evolved to be a very useful approach for problem solving. In this research, produces an Intelligence Computer-Assisted Instruction (ICAI) system for Pneumatics, including expert system and knowledge-based systems design. The real-based teaching systems harness the power of information technology to increase interaction between the teacher and the students, to promote individualized learning environments, and to improve the quality of teaching and learning. In this research, Silicon Laboratories development is used as the system module. Its’ system kernel uses system on chip microprocessor for 8051 based. According to the expert system inference results, classify knowledge rule base, experiment rule base, and diagnosis rule base. Finally, those expert rules are embedded on microprocessor. The microprocessor properties are real time,. iii.

(8) interaction and intelligent reasoning. The function of the module in Reality Wiring Service Panel (RWSP) is to receive the signal from signal acquisition module. Students can practice and accustom to the operating and experimenting on this test-platform for the experiment study of pneumatic operation. Following the requests of real-time, small-volume, low-loss, high- stability, this research develop an interaction and intelligence system for assist teachers to give a guidance and examples to students. Students could use and practice in the virtual wiring environment to achieve the practice purpose of skill learning. Finally, this environment can monitor different kinds of wiring study, and it has the functions of real-time interaction, intelligent guidance and determination for wiring experiment on pneumatic. This system has enhances the efficiency of learning environment and the effectiveness of learning. Keywords: Expert System, Skill Learning, Embedded System. iv.

(9) 謝. 誌. 一路走來總覺得人生有很多煩惱,有時天真的以為一覺醒來什麼煩惱都 會煙消雲散,然而,現實生活中煩惱卻不斷地接踵而來。好在遇到困惱時總 有貴人伸出援手幫助我,協助我度過難關,感覺我還是非常幸運的。 在研究所這幾年的求學生涯中,有好幾次想要放棄,歷經幾次痛苦的掙 扎,依然猶豫不決。然而,在指導教授 曾煥雯博士的支持與鼓勵下,還是 咬緊牙根努力撐過來了,雖然最後的研究成果不如老師當初預期,但是在老 師的體諒下,也終於順利完成。在此,藉這個機會表達我心中無限感激的心 以及歉意。 在論文口試過程中感謝陳俊良教授及王順源教授的建議與指教,點出了 我許多做研究與寫論文時的盲點,使我的論文更加完整。雖然,我做的研究 充其量不過只是一篇小小的報告,但在你們的加持下將使它更顯得有份量。 寫到這,感覺寫一篇「謝誌」真的不容易,心中有千頭萬緒不知該如何 下筆,要感謝的人實在太多了。回首在大學唸書的當時,承蒙所長 洪欽銘 教授及彭信成教授的指導,讓我在基本理論上更加的充實,也得以再進一步 往研究所發展。 接著要感謝的是一大群伙伴,是在研究所期間一起共同分享生活中喜怒 哀樂的伙伴。真誠的感謝實驗室成員:明偉、倫騰、才新、明霖、智相、柏 志、家豪、欽智及憲璋給予我的建議,讓我得以平安的度過這幾年研究所生. v.

(10) 涯,也要預祝才新實習完後能順利的通過教甄。 當然也要感謝我的同學:淑如、宜賢、瑋琦、民儕、述理、哲瑜、宏見、 佳鈺及凱翔,感謝你們陪伴我度過研究所求學生涯,因為有你們的陪伴,讓 我的生活更加多采多姿。畢業後大家將要各自為自己的理想及抱負努力,無 法再像現在一樣共同分享生活中的喜怒哀樂。在此,祝福你們心想事成萬事 如意。 要感謝的人真的很多,沒有妳們的支持與鼓勵,或許就沒有今天的我。 然而,有些人無法一一提及,表達我心中感激之意,希望未來當妳們有緣讀 到我的謝誌時,能夠想到妳們給予我的幫助,才能讓我走到這裡。 最後,要感謝我的家人,你們給予我的支持與鼓勵一直是我最大的後 盾,讓我得以順利的完成碩士論文。也要對我的新婚妻子叔芬表達感謝及抱 歉之意,從婚禮結束後一直忙於完成我的碩士論文,而忽略了妳,但妳仍是 默默的在我的身邊加油打氣,藉這個機會表達我真誠的愛意,我會好好照顧 妳下半輩子的。. 吳崇溢 謹誌 中華民國九十七年六月. vi.

(11) 目. 摘. 錄. 要 ................................................................................................................ i. ABSTRACT.......................................................................................................... iii 謝. 誌 ................................................................................................................v. 目. 錄 ............................................................................................................. vii. 圖 目 錄 .............................................................................................................. ix 表 目 錄 .............................................................................................................. xi 第一章 緒論 ..........................................................................................................1 1.1 緣起 .........................................................................................................1 1.2 研究動機 .................................................................................................1 1.3 研究目的 .................................................................................................4 1.4 研究範圍與限制 .....................................................................................7 1.5 名詞釋義 .................................................................................................8 第二章 文獻探討 ................................................................................................10 2.1 互動式教學環境 ...................................................................................10 2.2 技能教學 ...............................................................................................17 2.3 專家系統 ...............................................................................................24 2.4 嵌入式系統與 Silicon C8051F 簡介 ....................................................34 第三章 系統分析與架構 ....................................................................................39 3.1 研究架構 ...............................................................................................39. vii.

(12) 3.2 研究方法 ...............................................................................................46 3.3 配管訊號感測 .......................................................................................49 3.4 氣壓控制系統 .......................................................................................52 第四章 系統建構 ................................................................................................55 4.1 系統建構情形 .......................................................................................55 4.2 系統硬體建構結果 ...............................................................................58 4.3 氣壓實驗配管介面建構結果 ...............................................................60 第五章 結論與展望 ............................................................................................67 參考文獻 ..............................................................................................................69 自. 傳 ..............................................................................................................73. viii.

(13) 圖 目 錄. 圖 1-1 氣壓實驗教學研究流程 .........................................................................6 圖 2-1 專家系統基本架構 ...............................................................................26 圖 2-2 專家系統之結構 ...................................................................................27 圖 2-3 AND Tree .............................................................................................29 圖 2-4 OR Tree ................................................................................................30 圖 2-5 知識庫建立之方式 ...............................................................................30 圖 3-1 系統介面設計流程圖 ...........................................................................40 圖 3-2 人機互動架構圖 ...................................................................................41 圖 3-3 嵌入式系統模組架構圖 .......................................................................42 圖 3-3-4 專家系統診斷氣壓實驗配管之 And-Or-Tree..................................45 圖 3-5 研究方法與步驟 ...................................................................................48 圖 3-6 超音波換能器線路之基本架構圖 .......................................................49 圖 3-7 發射線路 ...............................................................................................51 圖 3-8 接收線路 ...............................................................................................51 圖 3-9 試題一之氣壓迴路圖 ...........................................................................53 圖 3-10 超音波換能器的安裝 .........................................................................54 圖 4-1 氣壓實驗流程 .......................................................................................56 圖 4-2 氣壓實驗配管系統與學習者之間的互動介面...................................57 圖 4-3 氣壓實驗配管系統選擇介面 ...............................................................57. ix.

(14) 圖 4-4 嵌入式晶片開發模組與線上執行模擬器...........................................58 圖 4-5 訊號切換模組 .......................................................................................59 圖 4-6 超音波訊號發射模組 ...........................................................................59 圖 4-7 超音波訊號接收模組 ...........................................................................60 圖 4-8 氣壓實驗硬體整合圖 ...........................................................................60 圖 4-9 氣壓實驗配管系統 ...............................................................................61 圖 4-10 學習者對 RWSP 氣壓配管服務面板操作情況 ................................63 圖 4-11 學習者對 RWSP 氣壓配管服務面板操作情況 ................................63 圖 4-12 閃爍燈指引學習者接線步驟的燈號.................................................63 圖 4-13 系統引導學習者氣壓實驗接線 .........................................................64 圖 4-14 操作學習診斷流程 .............................................................................66. x.

(15) 表 目 錄. 表 2-1 專家系統與傳統程式設計比較 ...........................................................33. xi.

(16) 第一章. 緒論. 1.1 緣起 由於傳統教學是由教師在旁指導與教授實習相關知識,教師必須在旁顧 慮學習者的安全與操作的正確性,這樣不僅耗時耗力,對教學效果成效不 佳,因此有電腦輔助教學(Computer Assisted Instruction, CAI)來幫助教師 教導與學習者學習,但電腦輔助教學需藉助電腦或周邊附屬硬體來實現,學 習者需在電腦面前進行學習,學習者和教師之間欠缺良好的溝通管道,且課 程內容、目的和主題無法做彈性的規劃,使教師的教學方式太過被動,而限 制了老師的教學策略和學習者互動的安排[1] 。 因此本研究嘗試將嵌入式系統應用在氣壓實作硬體教學上,在系統內放 入具電腦輔助教學、專家系統與人工智慧的概念,系統具明顯順序的推論特 性與人性化之人機互動特性,整合順序性與互動性,應用到嵌入式專家系統 設計上,建構真實、互動的氣壓實作技能教學學習系統。. 1.2 研究動機 在一片產業升級聲中,自動化技術實已成為工業與社會經濟成長的重大 關鍵之ㄧ。近年來,我國產業界,尤其是製造業,面臨勞動力嚴重不足、工 資上漲、、、等相關因素衝擊。因此,自動化技術的訓練、推廣與運用,更 顯得迫切與需要。液氣壓學是自動化技術相當重要的一環,也是應用最廣泛. 1.

(17) 的一項技術。舉凡工廠生產線、加工業及運輸業等,無不需要液氣壓系統協 助完成正常運作,液氣壓設備更是佔了自動化設備中很大的產值。然而液氣 壓控制原理、元件作動方式與控制技術並非泛泛學問,實驗設備也十分昂 貴,導致有關人員培訓與技術養成相當不易。 有鑑於此本研究主要目的希望提供給學習者一種簡易的學習方式,將氣 壓的基本理論與實務融合,藉由氣壓實做教學平台,學習傳統氣壓元件作動 方式與控制原理。並透過智慧型訓練與教育(ICAI),學習氣壓迴路設計方 法,繪製氣壓設備符號圖。本研究提供一個實際的氣壓實做教學平台,配合 專家系統與知識庫系統的設計,運用其內部知識進行推理而後做出決策及判 斷,提供給學習者參考。 許多教授和研究者建議學習的環境應是沒有固定的地方和時間表,現今 世界變遷快速,工程的訓練需要更多的知識和技能,但如今教育政策的改 革,職業學校的一般科目課程時數逐漸增加,相對地實習課程節數已從過去 的十四節課調為四節課,使得學習者真正動手實作的時間已不如從前充實, 所以這些工程的創造和技能,光靠在學校的上課時間是不夠的,必須要從學 校以外的環境和花費時間來研究相關的領域和知識[2] 。 互動式電腦輔助教學系統能將部份以技能為導向的課程,使用電腦模擬 的方式呈現,本研究以電腦輔助教學的概念放入嵌入式系統設計中,系統可 以讓學習者先接受示範學習,並提供適時的訊息回應,讓學習者學習基本氣 壓實驗純氣壓迴路及電氣氣壓迴路配管,等學習者學習成熟後再實際操作,. 2.

(18) 如此可以節省訓練時間,降低設備、耗材的成本,以及降低操作時的危險性, 而且對教師往後對課程的規劃與改進也能較具彈性。使用嵌入式系統設計軟 硬體的教學架構,可以降低實驗室設備成本、允許某種程度的自我訓練和遠 離實驗室。因此本研究提供了真實實驗的氣壓實驗配管平台介面,讓學習者 可真正親手體驗氣壓配管,達到真實實驗的目的。 從實際教學方面而論,「教」與「學」是相輔相成,如果學習者在學習 時,缺少一個教師從旁輔導、互動,學習者之學習成效難以彰顯,又因是親 自動手實作,就難免有錯誤發生的情況,所以需要有教師在一旁協助、輔導, 但教師通常都只有一位,很難兼顧所有學習者的需求;因此本研究建立一個 專家系統為基礎的智慧型診斷系統,藉由診斷的機制,來彌補「教」的不足, 並讓這具有專家知識能力的診斷系統,來代理教師輔助學生們進行相關氣壓 實驗配管[3] 。 一個完備的輔助教學系統,不僅只是提供學習者學習的教材,還能適時 適性地導引學習者進行有意義的學習,讓學習者在使用電腦輔助教學學習 時,能像在傳統教室般有個「指導老師」在旁督導[4-7]。故本研究運用人工 智慧結合專家系統於超媒體電腦輔助教學建構在嵌入式系統上,讓學習者可 以自行有意義的獨立學習,這樣的機制是一個擷取專家知識和教師專業或經 驗,以協助學習者在學習上的問題。如此就可藉由教學的輔助功能,減輕教 師負擔,並提昇學習者學習興趣、縮短學習過程,建立良好的互動與主動學 習機制,使整體學習達到更高效益[8] 。. 3.

(19) 因此本研究將專家系統診斷機制引入到氣壓實驗配管系統中,藉由這個 機制擔任教師的角色,從旁協助指導學習者,讓學習者能自主操作實驗過程 進行氣壓配管練習,進行親自體驗動手的真實配管,學習者不需時時刻刻仰 仗教師的指導,只需藉由診斷系統與學習者之間的互動,即可教導並監督學 習者正確的氣壓實驗配管行為,由於系統增強了人機互動的關係,可以減少 教師負擔、增加學習者的經驗與信心、減少學習者發生不必要的實驗意外, 期望達到建立以真實、互動為主的嵌入式專家系統應用在氣壓實驗配管平 台。. 1.3 研究目的 近年來,由於「知識工程」(Knowledge Engineering)技術的突破,以 及電腦設備的進步,專家系統的研究已有不錯的成果,所以根據研究背景與 動機的探討,將電腦輔助教學技術放入嵌入式晶片的應用提供了有別於傳統 知識教授與學習的模式,而人工智慧的技術,擷取專家知識經驗去協助問題 的解決,它具有知識決策、分析、診斷、學習、設計的能力,透過電腦所呈 現的視覺環境可讓學習者真實的學習,彷彿置身在真實的氣壓實驗環境,且 專家系統具有整合多位專家知識、意見、即時反應,以及解析問題的功能, 對於決策支援、自動控制及各類診斷的問題,是十分合適的解決方式[9] 。 本研究為提升學習者在技能訓練、輔助學習成效為目的,分為三大時期 討論(如圖 1-1 所示): 1.. 研究初期:. 4.

(20) 研究初期以知識推導、知識分析為主,將氣壓實驗架構、理論詳盡分析, 做為論文研究底層架構,並以嵌入式專家系統硬體實例測試,驗證嵌入式專 家系統應用於氣壓實驗環境的可行性。 2.. 研究中期:. 研究中期以三大方面探討氣壓實驗的學習過程,分別為順序推論、人機 互動、綜合順序與人機互動特性。順序推論特性:係指氣壓實驗有正確的配 管引導方式協助學習者完成技能訓練,系統經由診斷機制,分析學習者的學 習過程,是否符合氣壓實驗理論的正確性。人機互動特性:學習者在實驗過 程中,透過人機互動介面服務面板可掌握即時訊息,系統會將適時的訓練資 訊回饋給學習者。整合順序與人機互動特性:整合以上兩項特性,學習者可 以在無教師教導情形下,自我訓練氣壓實驗的技能學習,在完善的學習環境 下,獲得充實的技能學習。 3.. 研究成果期:. 系統經整合測試後,學習者可經由人機介面服務面板自我學習相關氣壓 實驗,經由與系統的學習、互動獲得正確的氣壓實驗知識,系統經由實驗診 斷的功能可隨時觀看系統傳遞的訊息幫助學習,學習者在完善的教學環境下 可不受時間限制,隨時自我學習。. 5.

(21) 知識推導. 氣壓實驗架構分析. 知識分析. 氣壓實驗理論分析. 研究初期. 氣 壓 實 驗 教 學 研 究 流 程. 順序推論 研究中期. 人機互動. 系統整合. 專家規則. 研究成果期. 學習、 互動. 氣壓實驗之嵌入式 專家系統服務介面. 學習者. 圖 1-1 氣壓實驗教學研究流程 故本論文為了達到建立真實、互動的氣壓實驗配管環境,設計一個具真 實性、智慧性及互動性的氣壓實驗技能教學嵌入式專家系統,其所欲達成之 研究目的如下: 1.. 提供模擬測試與真實實驗的教學環境,建構模擬測試環境,做為進 入實際氣壓操作的預備課程,減少學習時間。. 2.. 建構具引導功能的實際氣壓操作平台,使實驗平台和學習者能即時 互通,達到技能學習的目的。. 3.. 本系統應用專家系統技術的概念,建構一套氣壓實驗之嵌入式專家. 6.

(22) 系統設計,係將相關的專家知識植入系統晶片上,以提供學習者操 作及診斷學習者的學習歷程。 4.. 使用嵌入式系統技術來監控及建立一個與學習者在進行氣壓實驗 配管練習中的互動關係,透過數位訊號的擷取,診斷學習者的配管 正確與否,提供人機之間的互動機制,提升氣壓實驗教學效能。. 5.. 利用嵌入式系統晶片的韌體技術來建構氣壓實驗配管平台的數位 訊號偵測環境,並與真實氣壓實驗配管平台介面透過數位輸入/輸出 來進行配合及互通,讓學習者實際操作,並提供即時的訊息互動, 達到訓練臨場反應之功效。. 6.. 建立具有明顯順序推論特性與明顯的人機互動特性,綜合順序推論 特性與人機互動特性,達到完善互動式教學環境。. 7.. 應用 CLIPS 來發展專家系統,利用專家系統來診斷、引導氣壓實驗 之過程,建構可讓學習者依系統所指示之順序,完成其氣壓實驗配 管步驟之機制,達到學習者可自行操作氣壓實驗示範教導之功能。. 1.4 研究範圍與限制 本研究考量於時間、人力及物力等因素,並基於上述的研究背景與動 機、研究目的,本研究範圍與限制如下: 1. 本研究所建構使用於氣壓實驗之嵌入式專家系統設計與實現僅以氣壓 丙級技術士技能檢定術科中『試題一』單元操作為例,作為傳統氣壓迴. 7.

(23) 路配管之實驗。 2. 氣壓實驗配管系統透過嵌入式系統晶片規劃與周邊硬體電路設計,本研 究設計之實際氣壓實驗配管介面提供學習者可選擇引導學習(示範訓 練:由系統引導學習者進行實驗訓練)或是操作學習(自我訓練:由學 習者自我訓練,經由系統診斷學習結果)。 3. 本研究僅提供學習者氣壓實驗配管之引導學習及操作學習,而在氣壓實 驗理論及訓練後的結果,限於物力的關係並未作進一步討論,不進行學 習者訓練結果之評估。 4. 由於實驗設備因素(氣壓元件價格昂貴),因此系統僅提供氣壓丙級技 術士技能檢定術科中『試題一』單元操作的配管學習。. 1.5 名詞釋義 1.. 技能教學:技能教學在於訓練學習者獲得一種技能,作為謀生或求 職的工具,進而培養其創造的能力。本研究中定義利用訓練過程培 養學習者對於氣壓實驗過程的認知,加強技能實驗的學習。. 2.. 嵌入式系統(Embedded System):嵌入式系統是一種控制、監視、 輔助設備、機器或甚至工廠運作的裝置。它是一種電腦軟體與硬體 的綜合體,並且特別強調量身定做的原則,也就是基於某一種特殊 用途,我們就會針對這項用途開發出截然不同的一項系統出來,也 就是所謂的客制化(Customize)。依照客戶需求制訂特殊用途的嵌 入式系統。. 8.

(24) 3.. 專家系統(Expert System, ES) :專家系統是以知識為基礎所形成的 系統,以電腦看得懂的形式將專家知識儲存起來,並加以控制策 略,使電腦能像專家一樣,利用這些知識和經驗法則來解決問題。. 4.. 實際配管服務面板(Reality Wiring Service Panel, RWSP) :以嵌入式 系統晶片設計偵測面板的數位訊號裝置,以開放式標準串列通訊與 資料收集系統介面溝通,來提供一個與實際氣壓實驗平台相同的面 板,讓學習者可直接在這個實際的平台上練習配管。. 5.. 引導學習:學習者依照系統內定的配管實驗順序或是接點,在配管 實驗環境中進行學習。. 6.. 操作學習:系統開放給學習者自由進行配管,可不依照系統內定的 配管實驗順序或是接點配管,最後經由系統診斷配管是否正確。. 7.. 配管引導:目的為了新手或對實驗配管還尚未瞭解的學習者進行訓 練,系統會依配管的步驟、順序及要點,一步一步(Step by Step) 依序地引導學習者,讓學習者能對實驗配管有一定程度的瞭解。. 9.

(25) 第二章. 文獻探討. 依本研究的目地及氣壓實驗之嵌入式專家系統設計的建立,為實驗本研 究成果,主要的文獻探討及基本理論參考共分五節,第一節為互動式教學環 境;第二節為技能教學;第三節為專家系統;第四節為嵌入式系統;第五節 為嵌入式系統晶片 Silicon C8051F 簡介。. 2.1 互動式教學環境 本研究氣壓實驗之嵌入式專家系統設計為實現具互動式教學功能,使學 習者彷彿置身在教師身旁,從教師身上獲取相關知識,且系統具有真實互動 式教學的功能,達成智慧、互動、真實的學習環境,以下分別敘述電腦輔助 教學的概況。 一、 電腦輔助教學(Computer-Assisted Instruction, CAI) 電腦輔助教學已漸漸成為學校教學媒體中重要之一環,其功效亦隨電腦 科技的改進與配合學習理論的軟體發展而日益顯著。CAI 與傳統教學相較之 下,具下列優點[7] : 1. 個別化教育:利用電腦輔助學習或教學,不僅適用於資優的學習者, 對於學習進度落後,而且教師無法做個別輔導的環境下,也可以讓 該學習者趕上進度。 2. 不受時空的限制:CAI 不像傳統教學受時間及空間限制,可以隨時利. 10.

(26) 用,學習者亦可由原來學習停頓的地方,繼續中斷的課程。 3. 適應人格的自然發展:在 CAI 的教學環境中,給學習者隱私權,讓 學習者獨立作業時,減少面對同學之間的壓力,可以讓較害羞的學 習者或得較舒適的學習環境。 4. 精緻的教材發展:CAI 之教材發展乃由教育學者、教師、學習者及程 式專家等共同編寫。 5. 合乎經濟效益:CAI 的教材發展是由教育學者、教師、學習者、及程 式專家等共同編寫出來的,因此一個良好的 CAI 教材,可以提供多 數教師使用,所以可以節省很多教學勞力與時間的耗損。 6. 可進行模擬實驗:在自然科學或行為科學中,某些實驗具危險性, 透過 CAI 可編定狀況,供學習者模擬操作,不具危險性。 然而,傳統教學也由於所教導學習者的是具思考、難掌握的,所以有一 些特色是電腦輔助教學較難比擬的: 1. 學習互動:團體教學中互動教學較具啟發性,而此互動效果是電腦 連線作業最不易表現的。 2. 教師的身教:教師的身體語言,可把只能意會之處表達出來,如適 時的獎勵與責備,使學習者能有所領會。 3. 語言表達的機動性與彈性:傳統教學,語意表達可保持機動與彈性, 句子的長短,亦可依學習者的臉部表情,改變說明。 4. 情意教學:教師可視學習者的回答反應及情緒表現,作適當的雙向. 11.

(27) 溝通。 因此,教師在實施電腦輔助教學時,必須加強以下幾點[10] : 1. 增加師生與同儕間互動:電腦輔助教學難以達成教學時師生以及同 儕互動時的激勵及啟發,學習者之間的互動減少、情感也會減少。 因此,電腦輔助教學所扮演的角色不宜完全取代教學,而只能做為 教學時類似教材的輔助工具,教師不宜太過於依賴輔助教學而失去 教學的意義。 2. 增加教學設備經費:某些電腦輔助教學軟體需要較高級的電腦或多 媒體設備才能充份發揮功能。 3. 強化教師的觀念與態度:部份教師的主觀以為電腦輔助教學是取代 教師的教學,或者有些過度依賴電腦輔助教學,認為讓學習者自行 去執行就好,而不加以輔導或輔助,甚至部份教師排斥電腦,不願 意接受與學習電腦,類以這樣的情況,就得要仰賴教師在觀念上必 需要有認為電腦輔助教學只是輔助教學的器材,而不是完全取代教 學的認知。 4. 積極發展人才與教材:一個良好的電腦輔助教學教材開發非常不 易,除了必需具備課程的專業知識、教學技術、以及程式語言及多 媒體設計之技巧外,最好能夠具備教學經驗,但具備這樣的人材實 在太少,再加上花費非常多的時間在電腦輔助教學軟體的發展,一 般教師不太可能花費時間在這塊區域,使得優良的教材付之闕如。. 12.

(28) 因此,惟有兩者互相搭配,取其長處相互為用,以發揮教學的最大效果, 所以本研究設計實體氣壓配管實驗平台,讓教師可在課堂利用這個平台達到 具有 CAI 及傳統教學的優點。 二、 互動的要素: 一個受歡迎的老師,其上課的內容必定是多采多姿,教法必定生動活 潑,並且授課時讓學生產生互動,另其教學策略一定要考量學生學習的起點 行為。因此,互動也是教導的不可或缺之要素,而要構成一個具有互動性的 溝通須有下列三個條件[11] : 1. 訊息必須是對特定對象而發的。 2. 交換訊息時,應根據對方所給予的回應,調整自己所要提出的訊息。 3. 溝通的管道必須是雙向的。 此外,構成互動的七個要素為[12] : 1. 立即回應(Immediacy of Response):以電腦教學為例,若學習者想 要知道一些相關資料(例如圖片) ,可按滑鼠,則電腦立即顯示資料。 2. 非線性資料處理(Non-sequential Access Information) :是指老師常在 教學過程中允許學生發問、討論、或問問題。待處理完學生問題後, 再進入下一個段落的學習。 3. 適應性(Adaptability) :即針對不同的學習者給予不同的訊息傳達與 教學方式。. 13.

(29) 4. 回饋(Feedback):以電腦教學為例,電腦必須針對學習者的回應, 提供有關的訊息。因為學習者個別差異大,所以回饋必須因人而異。 5. 選擇性(Option):是指學習者能自由操控的權力。例如:假設電腦 只充許學習者按空白鍵來更換下一個螢幕畫面,則給予學生的選擇 權太小,相對地互動性就減少。 6. 雙向溝通(Bi-directional Communication) :互動系統必須具備雙向溝 通的管道。若電腦只提供訊息而不接受學習者的意見、反應或指令, 那麼互動性的功能必降低。 7. 中斷性(Interruption):是指學習者具有權利從先前的課程互動系統 中離開,以加入另一個課程活動。 三、 電腦輔助教學的型態或表現方法: 在許多的研究中,將電腦輔助教學的型態或表現方式其共同者可區分成 教導式、練習式、模擬式、遊戲式、問題解決法、對話詢問法、測驗法等, 與本研究的較有關的是教導式、練習式、模擬式三種,分別作以下的介紹: 1. 教導式(Tutorials): 目的是讓電腦擔負整個教學的責任,最具有對教材傳真的效果,其 作法通常是把傳統式教學的課文或練習直接或間接地搬進(設計程 式)電腦中,讓學習者從中學習以達成教學目標。這就有如本研究 所提供給學習者實驗技能教學的功能,學習者可以依照氣壓實驗的 配管步驟,一步一步的引導學習者進行實驗配管,實驗中如配管錯. 14.

(30) 誤,系統即時顯示錯誤資訊,讓學習者進行修正、改善。 2. 練習式(Drill & Practice): 練習式教學活動主要是提供學習者有重複練習的機會,以幫助學習 的效果。適用在學習者已接受過一個單元課程,但仍需多次練習以 熟悉新觀念的一種教學方式。學習者經由本研究所設計的教學引導 後,可自行選擇操作學習做自我訓練,系統會在監控模式下觀察學 習者實驗配管的正確性,透過互動式引導與操作的教學功能,達到 熟悉及熟練配管的實務技能。 3. 模擬式(Simulation): 藉由電腦模擬技術及學習理論的結合來達成輔助教學之目的,它允 許使用者控制輸入參數與觀察輸出結果,並可提供學習者探索的學 習環境,讓學習者經由模擬實驗、做中學來形成具體的概念,進而 達到學習的目標。 四、 互動式電腦輔助教學的特性 電腦輔助教學有其深厚的理論基礎。有效掌握學習理論的精髓,製作出 來的 CAI 課程軟體應能具備下列特性[7]: 1. 互動性(Interaction): 電腦能接收及評鑑學習者的反應,提供適當的回饋,從而產生學習 傳播理論中的「雙向溝通」。 2. 個別化(Individualization):. 15.

(31) 依學習者的個別需要、興趣、能力及學習方式,提供適合的方法及 最適當的教材,達到個別化教學,落實以學習者為中心之教育理念。 3. 多樣化(Versatility): 結合各種視聽媒體,集合成多媒體 CAI(Multi-Media CAI),充分 發揮聲、光、色及實景動態的教學效果,令教學可更具變化。 4. 動機性(Motivation): 電腦的智慧性、擬人化(Personalization),產生親和效果,使教室 不再是脫離真實世界的象牙塔,而能引起學習者的學習動機。 5. 隱私性(Privacy): 由於 CAI 的個別化,使學習者在自我的環境中學習,無論學習失敗 或進度緩慢,也不致「丟臉」 ,可大大減輕同儕的壓力(Peer Pressure) , 保持隱私。 6. 一致性(Consistency): 教師會因受限於生理或心理的限制,使教學品質易受到內外因素的 影響,然而電腦卻不會有這些問題,可以維持教學品質的一致性。 五、 電腦輔助教學之問題 運用多媒體電腦輔助教學協助教師進行教學活動,進而改善教學成效並 達到因材施教的目標,但由於教學不是僅有科學論理上的探討,也涵蓋了教 育理論和心理學等領域範圍,其中充滿了各種的不確定因素,使得目前的電 腦輔助教學普遍存在著許多共同的問題[13] :. 16.

(32) 1. 系統具備的智慧性不高:無法診斷、分析學習者特性,來決定該使 用何種教學策略與教材。 2. 僅採用單一教學策略及固定教材:沒有依照學習者的能力,給予適 性化的教學,就有如是在翻閱一本電子書籍。 3. 缺乏合適的導引與工具:在網頁上學習,容易造成學習者迷失在這 一頁一頁的網頁中或認知超載。 4. 系統無學習能力:無法觀察及分析學習者的行為與成果,來做為下 次決策時之依據。 5. 系統之彈性與調適性能力不夠:缺少新增或調整專家知識庫的內 容,無法對教學或引導策略進行修正。. 2.2 技能教學 一、 技能教學的目的 技能教學的目的在於訓練學習者獲得一種技能,作為謀生或求職的工 具,進而培養其創造的能力。技能要求熟練,貴在不斷的動手實現或是勤加 練習。然而技能是需要練習的,而技能的認知也就是從「做中學」去體會與 知覺技能,進而達到熟練與創造的技能[10] 。 二、 技能學習的目的 技能學習(Motor-Skill Learning)的目的,係指學習者學習某種技能(如 打字、開車、彈琴等)時,經由練習,使手眼以及各種感覺協調一致,最後. 17.

(33) 達到精熟地步所經過的歷程。目的在於訓練學習者獲得一種技能,作為謀生 或求職的工具,進而培養其創造的能力。技能要求熟練,貴在不斷的動手去 做及勤加練習[10] 。 三、 構成技能的主要成分 1. 認知成分: 學習者需要理解訓練的項目。一般來說,動作層次愈高,越是需要 作出判斷,採取對策,並要求周密的計畫。 2. 知覺成分: 大多數教師強調在技能學習中知覺因素的重要性,學習者必須準確 和敏銳地辨別需要作出的反應線索。 3. 個性成分: 所有的教師都提到各種個性和氣質特徵,如保持冷靜和放鬆能力的 重要性。 四、 技能性教學方法 技能教學通常是一種感官知覺和肢體動作調和的活動,而有技能主要差 別在於行為表現是否有目的感、精確、快速、行動協調、順暢,因此技能教 學主要是新反應或新動作的學習,而一般技能教學的方法有以下四種分別敘 述如下[14] : 1. 示範教學法:示範教學法是一種視覺的教學方法,教師在教學過程 中具體解釋一個操作或實驗的步驟,進而執行一套程序或動作,使. 18.

(34) 學習者了解實際的現象和原理;示範教學法通常包含有行動、程序、 技術和知識,並且以各種設備和教具作適當的配合,而程序包括技 能操作及科學原理,由逐步的示範來教導技術和知識的觀念。 2. 練習教學法:練習教學法就是把某動作或是教材反覆操練,以期養 成機械式的正確反應,是一種讓學習者安排的情境和教師的督導下 練習、表現和應用,而練習教學法的教學目的是在於養成某種習慣 或技能,因此主要功能在養成機械習慣、熟練的技能。 3. 設計教學法:設計教學法也稱為作業教學法,其主要目的是設計教 學活動使學習者有目的、有計劃之下進行手腦並用的學習活動,在 此學習活動下,學習者利用具體的物資材料、工具及設備,在自己 計劃實施下以完成某一項作品而達成學習目的,因此設計教學法即 是自己內心所想的,為使其具體化、現實化,自己擬定計劃,利用 熟練與經驗,自己處理完成達到有目的、有計劃的活動。 4. 發表教學法:發表教學法是一種集合各種教學方法彈性運用的教學 活動,學習者以啟發式討論後發表個人的見解,可以在協同學習、 欣賞和價值澄清之後發表個人的感受或態度,可以在精熟學習或反 覆練習之後,發表動作技能方面成熟的水準,其主要功能在表達技 術、溝通觀念、實現自己、知行合一、熟練學習、組織思想、陶冶 情趣、促進創造、創新文化、增益生活。 一般而言,一個整合的教學模式過程應包含三個部份:(1)指引學習方向 的教學目標、(2)落實學習內容的教學活動、(3)檢討學習成效的教學評量。. 19.

(35) 此三者在程序上前後銜接,在實質內容上相互呼應,構成具有內在關聯的教 學過程。其中,缺乏具體的教學目標,則教學活動和教學評量失去依據,缺 乏生動的教學活動,則教學目標不易充分達成,缺乏有效的教學評量,則無 法獲知學習成效,也無法據以改進教學目標和教學活動。因此,一個合理的 教學過程不僅需要三者同時存在且分別發揮其作用,更需要三者在實質內容 上緊密相扣,形成一個整體性的運作模式。 五、 技能的分類 根據技能(Skill)的性質和特點,可以把技能區分為動作技能(Motor Skill)和智力技能(Mental Skill)兩種[14] : 1. 動作技能包括書寫、跑步、體操、騎車、操縱生產工具等,即是指 在學習活動、體育活動、生產勞動中的行為操作。 2. 智力技能是指藉助於內部言語在頭腦中所進行的認知活動,例如, 感知、記憶、想像、思維等的心智操作,其中主要是腦部思維活動 的操作方式。 六、 技能教學的目標 教學目標是教師在教學後,預期達到的學習結果。美國教育學者布魯斯 將教學目標分為認知領域(Cognitive domain) 、情意領域(Affective Domain) 和技能領域(Psychomotor Domain)。其中認知領域包括知識及智慧能力二 大部份,而智慧能力包括理解、應用、分析、綜合及評鑑等五個層次,情意 領域包括接受、反應、評價、組織和品格形成等五大層次,至於技能領域的. 20.

(36) 教育目標分類研究者見仁見智,大多數教育家同意伊利諾大學家政系辛普森 教授的分類法,將其分為感覺、趨向、指導的反應、機巧與複雜明顯的反應 等五大層次[14] 。 本研究是以技能教學領域為著眼,因此教學訓練可以透過任務分析法進 行探討有時稱為「行業分析」、「工作分析」或「職業分析」。任務分析的方 法實際應用範圍極為廣泛,並依其應用範圍因而產生各種不同的名詞與稱 呼。例如:職業教育課程之發展(行業分析) 、訓練課程之發展(任務分析)、 職業輔導(職業分析)、教學設計(任務分析)、工作改善(工作分析)、人 員聘雇(工作分析) 、人力規劃(職業分析)等[2]。 七、 技能教育的評量 技能教學的目標在訓練學習者學會某種技能,使其能應用在生活或是工 作中。因此,學習者不僅只是知道要怎麼做,還要能做到那一件事。而在技 能教育的評量中,各種技能的特質都有不同程度的要求,但仍可歸納如下各 點[15] : 1. 準確度:表示在進行某種技能操作時,學習者能很準確的操控適合 的工具,使用相符的材料,並放置在正確的位置。 2. 速度:在技能教學中學習者進行某項技能操作時,其動作的反應速 度通常為技能熟練度的主要評量依據。 3. 複雜度:評量某種整合性技能的複雜程度,即組織能力。例如:能 將電腦各部分拆卸後再組裝起來、會使用各種儀器完成電路的檢修。. 21.

(37) 4. 創造度:能自行創造出新產品。 然而,當在真實的實習環境中,教師必須面對多個學習者,因此,教師 對於上述要求的評量會碰到一些困境: 1. 紀錄與觀察的困難:教師需花時間對一學習者做觀察與紀錄,才能 得知學習能力,如此,很難達到公平與公正。 2. 製作除錯式評量試題的困難:如當在電路的實習課程中,學習者常 因使用壞的元件或接錯電路而渾然不知,需做除錯訓練,但佈置故 障點耗時且枯燥。 3. 無法跳躍式學習:如同一個單元電路的完成,是經過許多步驟的, 且其中的部分電路是學習者之前便已經學過的,但學習者無法跳過 所學過的部分電路而完成此單元的實習。 4. 作可調整性評量試題的困難:一個電路的完成,是循序漸進的,對 不同程度的學習者,很難有彈性的佈置各種樣式的電路來做評量。 這些都是在真實環境中可能會碰到的問題,所幸在可利用電腦的模擬技 能教學或嵌入式系統晶片的引導操作來克服。 八、 技能學習的複雜程度 在技能領域的學習中,可依其複雜程度區分為七類[14] : 1. 知覺的層次:學習者感覺到與技能有關的行為、事物與關係,也就 是知覺是刺激與行動的中介歷程,學習者經過感覺而選擇適當的線. 22.

(38) 索,再經由轉換的過程以實施動作。 2. 趨向的層次:是對特殊行動或經驗預備適應的階段,也就是學習者 對動作行為做預備適應與調整的心理狀態。 3. 引導的反應的層次:是個人在教學指導下所表現的明顯反應動作, 或依照範例、標準作自我評鑑而表現的行為動作。這層次才是由教 師開始實施教學的活動。 4. 機械化動作層次:學習者所表現的操作行為已達到某種自信和熟練 的程度,技能已能顯現其獨立的能力。學習者的技能表現操作技巧 雖未完全熟練,但學習者已習得該項技能的方法,較複合的明顯反 應所欠缺的是練習和應用的歷程。 5. 複合的明顯反應層次:指個人能做複雜的技能反應,以最少時間和 氣力做出最有效的動作,此一層次的技能已達到熟練的地步。 6. 適應或調整層次:指改變原有的技能方式,對新問題情境或技術做 適應,包括高度的解決問題的能力。此一層次的技能已達到熟練的 地步。在此層次中,個體不但技能非常熟練,且能用以解決實際工 作上的問題。 7. 創新層次:利用原有的技能行為做基礎而創出新的技能方法。而此 一層次的學習也是技能的最高表現,學習者在此一層次中能夠應用 學習與經驗,而自行設計創造新的事物。 九、 技能教學的特點 技能教學具有下列特點[10] :. 23.

(39) 1. 專業認知與技能學習具有相關性:尤其是愈複雜的技能,其專業認 知上的要求也就愈高;甚至在一般共同科目的認知,有時也會與技 能學習的優劣相關。 2. 學習者的適應、態度、成就及動機等心理狀態與技能學習具有相關 性:學習者在做同樣重覆練習的同時,其心理狀態會漸漸的倦怠、 疲累,此時所表現的技能就會出現精度波動的狀況。 3. 同質性低與越複雜的技能其精度會降低:在此狀況下,學習者技能 的表現會起伏較大,並且如同面對新技能一樣,精度會倒退。 4. 互動與技能學習具相關性:師生之間的互動,可以輔助學習者快速 進入主題,並解決學習者部份的問題;而學習者之間的互動,則可 以互相比較及探討問題癥結,使彼此的心得互相交流分享,達到技 能學習的目標。 5. 練習時間的長短、次數與技能學習具相關性:要達到良好的技能水 準,其練習時間要長久、次數要多。 6. 教學品質直接影響技能學習:教師心理狀態、技能認知上的不同, 在教學品質上所呈現的亦不同。. 2.3 專家系統 「專家」由於訓練和經驗,在特定領域擁有專家知識。由於專家在解決 問題時比一般人有效率,所以將某領域專家們的知識與經驗,經過知識加工 服務的過程,建立一套以推理的方式來解決問題的系統。廣義來說,專家系. 24.

(40) 統係指某些電腦軟體,除了具備處理問題的必要資料外,更具一種模仿人類 推理和思考的能力。專家系統類似人類專家的存在,能應用知識並配合思 考、解決問題。同時也是一套電腦軟體,因此可以提供非專家的學習者一種 操作的環境來處理事情、解決問題[16-17]。 一、 專家系統之定義 人工智慧(Artificial Intelligence)的技術乃是“創造機器智慧用以執行原 本只能由人類來執行的任務”[18]。近幾十年來,人工智慧已經被拓展為數各 不同領域,包括專家系統、類神經網路、模糊系統、進化運算與混沌理論, 而專家系統乃是人工智慧的一個衍生物[15] 。 專家系統(Expert System)是人工智慧的一個分支,應用大量來自人類 專家(Expert)的專業知識(Expertise)來解決問題,專家由於訓練和經驗, 在特定領域裡擁有專業知識,即一般人所沒有的專業技能和知識。專家系統 中的知識可以是專家直接提供的,也可由書本、雜誌上或由具有相關知識及 經驗的人獲得。在專家系統中,使用特定用途的知識及規則(Rule)來解決 問題,這些知識與規則被存放在知識庫(Knowledge Base)裡,也因此專家 系統早期被稱為「知識庫專家系統」(Knowledge-Based Expert System),亦 稱為「知識系統」(Knowledge-Based System)[19]。 專家系統是依據專家思考推理方式所發展的電腦程式,能解決那些需專 家才能解決複雜的問題,也就是以電腦能看得懂的形式將專家知識儲存起 來,並加入控制策略,利用這些知識和經驗法則來解決問題,也就是說專家. 25.

(41) 系統是一個知識庫程式,可用來解決某領域的問題[20] 。專家系統是以知識 為基礎的系統(Knowledge-Based System),專家系統可定義為“一種電腦化 的系統,它藉由取得人類的知識來模仿人類專家,然後用來指點初學者,讓 他們可以解決複雜的問題”。基本上,一個專家系統是以知識庫為核心,學 習者將事實或其他資訊供應給專家系統,經由專家系統處理後,即可獲得相 當於專家建議的解答。專家系統內部一般包含兩個主要部分:知識庫及推論 機。知識庫主要儲存專家對應用領域的專業知識;推論引擎則依學習者輸入 的事實描述,並應用知識庫的知識,透過一定的推理步驟解決問題,知識庫 專家系統的基本架構如圖 2-1 所示[21] 。. 專家系統 事實. 學習者. 推論引擎. 知識 知識庫. 圖 2-1 專家系統基本架構 二、 專家系統之結構 在傳統思維下,專家是在特定領域具有其經驗產生專業知識的人,其可 以解決特定領域的專業問題。專家系統是人工智慧的分支,是一種用以解決 特定領域問題的智慧型軟體系統。一般而言專家系統主要包含四個部份(如 圖 2-2):(1)知識庫(Knowledge Base):主要包含特定領域的知識與經驗, 為專家系統核心,知識庫儲存用以解決處理問題之知識,包含領域資料、事. 26.

(42) 實及領域專家的經驗與知識。(2)推論引擎(Inference Engine):依據專家系 統學習者的問題與知識庫的內容進行推論以取得專家知識,學習者輸入事實 描述,推論引擎便應用知識庫裡的知識,透過一定的推理步驟來解決問題。 (3)使用者介面(User Interface):提供使用者與專家系統進行溝通,提供使 用者透過使用者介面輸入判斷的資料並獲得推論結果。(4)知識擷取模組 (Knowledge Acquisition Module):知識擷取模組主要用來持續將新的法則 加入知識庫中,知識擷取的目標是將專業領域的知識轉換成知識庫或是其他 電腦化的表達方式。. 知識庫 使用者介面. 知識擷取模組. 推論引擎. 圖 2-2 專家系統之結構 專家系統的輸出主要是透過推論引擎對其知識庫中的資料來進行推 論,依據推論的過程可以將常見的專家系統區分為以下幾類: 1. 法則式專家系統(Rule-based Expert System):法則式專家系統主要將 專家經驗以「若則」法則IF (Condition) THEN (Action)的結構來 進行知識的推論。. 27.

(43) 2. 框架式專家系統(Frame-based Expert System):將物件或事件的知識 存於資料結構的框架,知識的推論具有繼承性,越上層的框架較具通用 的特性,越下層則越具獨特性。 3. 模糊專家系統(Fuzzy Expert System):模糊專家系統透過歸屬函數 (Membership Function)使專家知識的推論具有靈活的解釋能力,是基 於模糊推論至於不確定的專家知識,使用模糊子集的方式轉成知識庫, 為了實現快速不確定的模糊推論的專家系統[22]。 4. 類神經專家系統(Neural Expert System):以類神經網路為演算的核心, 利用網路的學習來進行知識擷取,透過階層式網路的回想來進行知識的 推論。 專家系統的核心是由推論引擎(Inference Engine)和知識庫(Knowledge Base)所構成,整個專家系統可以看成一部「汽車」,而專業知識是系統的 「汽油」 ,知識庫類似車子的「油箱」 ,可以儲存大量的專業知識,其推論引 擎可以看成車子的「引擎」 ,用以推動專家系統這部車子前進,使用者(User) 提供事實(Fact)或其他資訊給專家系統,然後專家系統根據使用者的輸入, 經過推論引擎的推論,從知識庫中選擇適當的專家意見或是專業知識回應給 使用者[21] 。 三、 知識庫的呈現 知識庫是由不同的點(Node)所構成的樹(Tree),一般有 AND-node 和 OR-node,介紹如下[21] :. 28.

(44) 1.. AND-node: 此類的點需所有的子樹(Child-Tree)皆被滿足,它才會被滿足。子點 (Child-Node)檢查的順序是由左而右。如果一個子點不被滿足,那其 它的點是不被檢查的,且 AND-node 是被認為不被滿足的。子點的數目 是沒有範圍限制。此類的點習慣呈現格式的規則,如圖 2-3 所示。子點 由左到右檢查 Condition 1、Condition 2…Condition n,當子點皆滿足時, 才會執行某項程序(Do Something)。. IF “Condition 1" and “Condition 2" and ...and “Condition n " THEN “Do something " AND. Condition 1. .... Condition n. Do something. 圖 2-3 AND Tree 2.. OR-node: 只要有一個子點被滿足,此類的點就被滿足。子點的檢查是由左至右, 當一個子點被發現滿足,檢查便停止,後續的條件便不執行。此類的點 習慣呈現格式的規則,如圖 2-4 所示。當子點的 Condition 被滿足,則 執行 OR-node 的 Action 1 或是 Action 2 的動作。. 29.

(45) IF “Condition " THEN “Action 1 " ELSE “Action 2 " OR. OR. Action 2. Condition. Action 1. 圖 2-4 OR Tree 四、 知識庫的建立 發展專家系統最主要的工作是在於建立知識庫,其建立方式如圖 2-5 所 示。知識工程師(Knowledge Engineer)首先與人類專家(Human Expert) 建立起對話(Dialog)以取得專家的知識,這個步驟就類似傳統程式設計師 與客戶討論程式設計所要達到的系統需求。知識工程師很明確地將知識編碼 成知識庫,然後專家評估專家系統而且給知識工程師一些評論,這個步驟一 直反覆進行直到專家認為系統的效能能夠符合要求為止[23] 。本研究之專家 知識庫共分為知識規則庫、實驗配管診斷規則庫與錯誤配管診斷規則庫,除 規則表示過程不同外,皆屬於規則式知識庫。. Human Expert. Knowledge Enginner Dialog. Knowledge Base of Expert System Explicit. 圖 2-5 知識庫建立之方式 五、 專家系統之效益與優點. 30.

(46) 專家系統可以提供給使用者許多效益[21] ,包括: 1. 減少費用與增加輸出: 與使用頻繁的專家系統比較,人類的專業知識是非常昂貴的,且專家系 統可以比人類工作得更快。 2. 品質: 專家系統可以藉由提供前後一致的建議以及減少錯誤率來改善品質。 3. 缺乏的專業知識: 在沒有足夠的專家,或是專家即將退休、離開時,專家系統可以替代人 類專家來提供缺乏的專業知識。 4. 使用較少昂貴的設備: 在許多情況下,人類必須仰賴昂貴的器具來進行監視與控制,專家系統 可以用較價廉的設備來執行相同的任務。 5. 設備操作: 專家系統使複雜的設備更容易使用。 6. 在危險的環境中工作: 許多任務需要人類在危險的環境下工作,專家系統可以替代人類在危險 的環境中工作。 7. 可靠性: 專家系統是可靠的,不會變疲勞或是厭煩、打電話請假或是罷工,而且 不會抱怨,專家系統可以持續投注注意力於所有細節上,而且不會遺漏 適當的資訊及可能的解答。. 31.

(47) 8. 反應時間: 專家系統在某些情況下反應比人類快,特別是在需要處理大量資料的時 候。 9. 用不完整及不確定的資訊工作: 與傳統電腦系統比較,專家系統可以像人類專家一樣用不完整的資訊工 作,使用者可以用“不知道”或“不確定”的答案回應給系統,而專家系統 仍然能夠產生一個答案,雖然它也許不是確實的答案。舉例來說,如果 使用者或專家以或然率的方式輸入一些資訊,如有 80%的機會,專家 系統也可以提供或然率的結論。 10. 教育的益處: 專家系統可以提供訓練,初學者可以利用專家系統來增加經驗,而專家 系統的解釋能力也可以用來作為教學上建議。 11. 加強問題解決能力: 專家系統可以整合專家的判斷於分析之中來加強問題的解決能力,它也 透過解釋來增進使用者的瞭解。 12. 在有限的領域中解決複雜的問題: 專家系統可以解決逼近人類能力的複雜問題,某些專家系統甚至可以解 決超越人類知識範圍的問題。 專家系統和傳統程式設計方式有很大的差異,如表 2-1 兩者比較所示, 專家系統解題的知識是與推論機制是相互分開的;因此,只要修正知識庫的 內容,即可以強化其解題模式,與傳統程式設計把資料與演算法交織在一起. 32.

(48) 處理動輒要修改程式有很大的不同[15] 。 表 2-1 專家系統與傳統程式設計比較. 專家系統. 傳統程式設計. 表示知識. 表示資料. 架構較嚴謹. 架構較鬆散. 知識庫與推論機制分開. 資料與演算法混雜. 高度交談式處理. 批次式順序處理. 知識密集型. 知識不密集. 特定領域的應用. 屬於較一般性的應用. 六、 專家系統之問題與限制 對比較簡單的應用來說,專家系統似乎是簡單而且有效的,但是大多數 的專家系統程式並不容易瞭解、除錯、擴增及維護,其他會影響專家系統使 用的因素為[21] : 1. 知識並不會永遠都是很容易利用的。 2. 專業知識不容易從專家取得。 3. 每位專家狀態評估的方法可能會不同,但是有可能都正確。 4. 在時間的壓力下,即使是有極佳的專家也很難提供好的狀態評估。 5. 專家系統只在有限的領域中工作得很好,在某些情況下可能是非常狹窄 的領域。 6. 大多數的專家沒有獨立的方法來檢查他們的結論是否為恰當。. 33.

(49) 7. 專家用來表示事實與關係的用語與字彙經常是有限制的。 8. 發展的成本以及時間可能非常高,而使得專家系統的使用受到限制。. 2.4 嵌入式系統與 Silicon C8051F 簡介 在嵌入式系統底端的單晶片領域,從 8 位元單晶片誕生至今,已近三十 年,在眾多的單晶片家族中,80C51 系列一直扮演著一個獨特的角色。Silicon Laboratories 推出 C8051F 更令業界人士刮目相看。回顧歷史,在 Intel 公司 推出了 MCS-51 不久便實施了最徹底的技術開放政策;在眾多電器商、半導 體商的積極參與下,將 MCS-51 發展成了眾多型號系列的 80C51 MCU 家族。 MCS-51 經典的體系結構、極好的相容性和 Intel 公司的開放政策不僅使眾多 廠商參與發展,驅使半導體廠商對 MCS-51 實行為所欲爲的改造。由於 MCS-51 提供的最佳相容性,使 MCS-51 在被「肢解」式改造後,還能以不 變的指令系統、基本單元的相容性保持著 8051 核心的生命延續,並在未來 SoC 發展中,擔任 8 位元 CPU 核心的重任。 一、 Silicon Laboratories C8051F 對 80C51 的技術突破 我們習慣於將各廠商生產的與 51 相容的形形色色的單晶片系列稱之為 80C51 系列。它們都採用 CMOS 技術,並與 MCS-51 相容。與 MCS-51 相比 較,80C51 已有很大發展。然而,當前 Silicon Laboratories 公司發展的 C8051F 系列,在許多方面已超出當前 8 位元單晶片水平,有許多新的技術概念需要 學習與更新。. 34.

(50) 二、 採用 CIP-51 核心大力提升 CISC 結構運行速度 至今 MCS-51 系列晶片已成為 8 位元單晶片中運行最慢的系列。為了提 升速度,DALLAS 公司和 PHILIPS 公司採用傳統的改變總線速度的辦法, 將機器工作週期從 12 個縮短到 4 個和 6 個,速度提升有限。Silicon Laboratories 公司在提升 8051 速度上採取了新的途徑,即設法在保持 CISC 結構及指令系統不變的情況下,推出了 CIP-51 的 CPU 模式。在這種模式中, 廢除了機器工作週期的概念,指令以時鐘週期為運行單位。平均每一個時鐘 週期可以執行完 1 條單週期指令,從而大大提高了指令運行速度。即與 8051 相比,在相同時鐘下單週期指令運行速度為原來的 12 倍;整個指令集平均 運行速度為原來 8051 的 9.5 倍,使 8051 單晶片系列進入了 8 位元高速單晶 片行列。 三、 I/O 從固定方式到交叉開關配置 至今 I/O 埠大都是固定為某個特殊功能的 I/O 埠,可以是單功能或多功 能,I/O 埠可編寫選擇爲單向/雙向以及上拉、開漏等。固定方式的 I/O 埠, 既佔用許多接腳、配置又不夠靈活。為此,Scenix 公司在推出的 8 位元 SX 單晶片系列中,採取虛擬外設的方法將 I/O 的固定方式轉變為軟體設定方 式。而在 Silicon Laboratories 公司的 C8051F 中,則採用開關網路以硬體方 式實現 I/O 埠的靈活配置。在這種通過交叉開關配置的 I/O 埠系統中,單晶 片外部為通用 I/O 埠,如 P0、P1 和 P2 埠等。內有 I/O 的電路單元通過相應 的配置暫存器控制的交叉開關配置到所選擇的埠上。. 35.

(51) 四、 從傳統的模擬測試到基於 JTAG 介面的系統測試 C8051F 系列系統晶片在 8 位元單晶片中率先配置了標準的 JTAG 線上 程式燒錄介面(IEEE1149.1) 。引入 JTAG 介面將使 8 位元單晶片傳統的模 擬測試產生徹底的變革。在上位機軟體支援下,通過串列的 JTAG 介面直接 對產品系統進行模擬測試。C8051F 的 JTAG 介面不僅支援 Flash ROM 的讀/ 寫操作及非侵入式系統測試,它的 JTAG 邏輯還爲在系統測試提供邊界掃描 功能。通過邊界暫存器的編寫控制,可對所有元件接腳、SFR 匯流排和 I/O 埠功能實現觀察和控制。 本研究藉由 JTAG 線上程式燒錄的技術,可進行即時程式修改,在系統 硬體執行同時,藉由電腦主機可觀測 SoC 晶片訊號動作情形,是一種很方 便觀測訊號變化的線上模擬器,在專家系統程式撰寫上,可從 RWSP 面板上 觀察程式設計者設計的程式是否正確,若發現硬體的訊號變化與程式設計者 互相矛盾時,可即時修改程式即時燒錄,免除傳統晶片繁複的燒錄過程,藉 由 JTAG 線上模擬環境,大幅提昇程式撰寫效益,減少程式設計者時間的浪 費與硬體錯誤造成的困擾。 五、 最小功率消耗系統的最佳支援 在 CMOS 系統中,按照 CMOS 電路特性,其系統功率消耗 ws 爲: ws = 2cvf. 其中: c 爲負載電容, v 爲電源電壓, f 爲時鐘頻率。. 36.

(52) C8051F 是 8 位元單晶片中首先擺脫 5V 供電的單晶片,實現了晶片內類 比與數位電路的 3V 供電(電壓範圍 2.7V~3.6V),大大降低了系統功率消 耗;完善的時鐘週期系統可以保證系統在滿足回應速度要求下,使系統的平 均時鐘頻率最低;系統的電源重置機制在任意斷電方式下,可隨意喚醒,從 而可靈活地實現零功率消耗系統設計。因此,C8051F 具有極佳的最小功率 消耗系統設計環境。 六、 從單晶片向 SoC 發展的 8051 核心 單晶片從微電腦邁向微控制器 MCU 發展,實現了單晶片向嵌入式系統 SoC 的發展方向,按系統要求不斷擴展周邊功能、周邊介面以及系統要求的 類比、數位混合模式。在向 SoC 發展過程中,許多廠商引入 8051 的核心構 成 SoC 型單晶片。例如,ADI 公司引入 8051 核心後配置自己的優勢產品- 信號調整電路,構成了用於資料獲取的 SoC,Silicon Laboratories 公司則為 8051 配置了全面的系統驅動控制、前向/後向通道介面,構成了較全面的通 用型 SoC 晶片。 嵌入式應用中,由於應用物件及環境的特點,8 位元晶片一直佔據底端 應用的主流地位。在單晶片家族中,MCS-51 是一個獨特的系列。Intel 公司 創造了 8 位元晶片的經典系列結構,並實施技術開發政策,使這個系列歷經 滄桑而不老。PHILIPS 等著名大廠以自己在電子應用技術方面的優勢,與 Intel 公司技術互補,發展了 MCS-51,並迅速將單晶片微型電腦帶入了微控 制器時代,創造了許多優異的單晶片產品,形成了獨特的且包含許多公司相. 37.

(53) 容產品的 80C51 系列。然而 Silicon Laboratories 公司推出 C8051F 系列,把 80C51 系列推上了一個嶄新高度,將單晶片從 MCU 帶入了 SoC 時代,顯示 了嵌入式系統硬體體系典型的變化過程。在嵌入式系統 SoC 的最終體系中, MCS-51 以 8051 處理器核心的形式延續下去。這對於國內外從事 80C51 教 學和研究,無論是過去、現在和未來都能感受它所帶來的好處。. 38.

(54) 第三章. 系統分析與架構. 3.1 研究架構 本章將討論嵌入式專家系統於技能教學之建構方法與分析,為了讓學習 者可以真正體驗到真實氣壓實驗配管的技能教學特性,在課堂後也能夠練習 或訓練相關技能,本研究以標準串列通訊界面完成硬體與硬體之間的資訊傳 輸、以 Silicon Laboratories 所開發的 C8051F040 SoC 嵌入式系統晶片做為引 導學習模組(Teaching Module, TM)、操作學習模組(Operating Module, OM)、 訊號收集模組(Signal Acquisition Module, SAM),以 CLIPS 專家系統完成氣 壓訓練的專家知識庫,最後將專家知識庫的知識法則植入系統晶片完成氣壓 實驗技能教學嵌入式專家系統設計,圖 3-1 為本系統設計流程圖。. 39.

(55) 規劃系統之架構與系統運作分析. 建構氣壓實驗技能教學平台. 確定氣壓實驗接線步驟 、順序. 嵌入式專家系統推論設計開發. 設計以專家知識為基底之系統晶片. 確定實驗技能教學步驟. 系統軟、硬整合測試. 完成氣壓實驗技能教學嵌入式推論系統. 圖 3-1 系統介面設計流程圖 系統架構是以實體配管模組設計和嵌入式系統晶片為本研究實驗系統 核心,學習者進行實驗時可與實驗系統互動,在引導配管過程中發現到有疑 問或無從下手的時候,可以由系統進行引導學習,藉由一步一步引導的方式 使學習者完成面板整個氣壓實驗配管。如果學習者在配管的過程中,由於嵌 入式系統晶片植入 CLIPS 所推論的專家知識,系統晶片內有配管過程的診 斷與監控機制,系統會自行偵測配管實驗過程的正確性,所以學習者在配管 過程可隨時監控學習者在氣壓實驗配管教導系統上的動作,如在實驗過程中. 40.

(56) 有發生重大的配管錯誤或與系統所教導的配管不符合時,系統會在第一時間 發出警告,要求學習者立即更正配管,這樣可加深學習者的學習印象及避免 日後真正實際配管時,發生造成對人的危險及對設備的損壞,圖 3-2 為人機 互動架構圖。. 圖 3-2 人機互動架構圖 建構氣壓實驗技能教學嵌入式專家系統是相當複雜的,為降低設計之繁 複,以及考慮系統所涵蓋功能、實驗流程和設備,本研究提出氣壓實驗技能 教學嵌入式專家系統的架構分三個實驗模組來探討,分別為引導學習模組 (示範訓練模組,Teaching Module, TM)、操作學習模組(自我訓練模組,. 41.

(57) Operating Module, OM)、訊號收集模組(Signal Acquisition Module, SAM), 各模組之間以 SoC 嵌入式系統晶片為系統處理核心,如圖 3-3 所示,各模組 敘述如下:. 引導學習模組 (TM) RWSP 接線引導. 訊號收集模組 (SAM) 訊號處理. SoC. 接點掃瞄. 操作學習模組 (OM) RWSP 錯誤分析. 圖 3-3 嵌入式系統模組架構圖 一、 引導學習模組(Teaching Module, TM) 引導學習模組(示範訓練模組)主要是使真實氣壓實驗配管平台更具完 整的互動性與智慧化,本研究以使用傳統氣壓實驗配管過程與步驟整理出正 確地配管實驗步驟,規劃各種氣壓實驗配管過程,在實際配管服務面板 (Reality Wiring Service Panel, RWSP)顯示配管引導的指示,學習者可選擇 不同的氣壓實驗配管進行練習,依照系統指示逐步完成配管過程。配管引導 機制是將學習者在實驗配管環境上的行為儲存至嵌入式系統晶片上,以便對 學習者的配管做監控,而且可依照學習者所想要的配管練習將引導步驟逐一. 42.

(58) 呈現在 RWSP 配管環境上,加強學習者與配管環境的互動,使學習更具效率。 二、 操作學習模組(Operating Module, OM) 操作學習模組(自我訓練模組)主要是使真實氣壓實驗配管平台更具完 整的互動與智慧化,本研究運用以 CLIPS 語法為核心開發出專家系統,統 整專家系統所列的專家知識,植入硬體推論晶片內,藉由訊號收集模組的 D I/O 功能擷取 RWSP 面板上的配管訊號進行操作學習的配管診斷,操作學習 模組是由 RWSP 與錯誤分析的機制所組成,提供學習者在操作學習時的互 動、教導學習、監控行為及重點提示等功能。 錯誤分析機制主要是提供學習者在進行實驗配管時的監控、督導,在監 控的過程中,發現學習者在配管練習發生了錯誤接法或步驟,藉由配管錯誤 的行為進行分析,分析的結果會立即顯示出訊息,告知學習者為何種錯誤, 加強對實驗配管的印象及避免在進行真正的氣壓實驗時,因配管而對氣壓或 實驗的設備,產生不良的影響及損壞。所以錯誤分析機制具有知識學習的功 能,因具備各種氣壓實驗配管的要點、方法及注意事項等知識,在學習者需 要時,可以隨時提供學習者做為參考與學習的指標。 三、 訊號收集模組(Signal Acquisition Module, SAM) 訊號收集模組是指學習者在實際配管服務面板上進行練習時,在面板上 所連接的點,會依相對位置的功能點立即對應轉換,每一功能點以 D I/O 方 式將訊號送進嵌入式系統晶片內做訊號處理,將每一 D I/O 的訊號記錄起. 43.

參考文獻

相關文件

2 System modeling and problem formulation 8 3 Adaptive Minimum Variance Control of T-S Fuzzy Model 12 3.1 Stability of Stochastic T-S Fuzzy

[3] Haosong Gou, Hyo-cheol Jeong, and Younghwan Yoo, “A Bit collision detection based Query Tree protocol for anti-collision in RFID system,” Proceedings of the IEEE

Wang, and Chun Hu (2005), “Analytic Hierarchy Process With Fuzzy Scoring in Evaluating Multidisciplinary R&D Projects in China”, IEEE Transactions on Engineering management,

Key Successful Factors of Health Care Industry Management from the Resource Based Approach --- An Application of Strategic Matrix Method.. Student: Yu-Min Su Advisor:

The scenarios fuzzy inference system is developed for effectively manage all the low-level sensors information and inductive high-level context scenarios based

Huan Liu and Dan Orban, “Cloud MapReduce: a MapReduce Implementation on top of a Cloud Operating System,” IEEE/ACM International Symposium on Cluster, Cloud and

Wen Ouyang, Yu-Ting Liu, Yu-Wei Lin[18]在 2009 年發表了論文-”Entropy-based Distributed Fault-tolerant Event Boundary Detection Algorithm in Wireless Sensor

Sheu, 2006, “Integrating Multivariate Engineering Process Control and Multivariate Statistical Control,” International Journal of Advanced Manufacturing Technology 29, 129-136.