基于RNN編碼器的交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)控制技術(shù)

(西安歐亞學(xué)院，西安 710065)

0 引言

交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)是一種安裝在計(jì)算機(jī)載體上的翻譯平臺(tái)，平臺(tái)上安裝翻譯裝置，如同聲翻譯器、智能翻譯機(jī)，用于翻譯信息[1]。當(dāng)被翻譯的信息出現(xiàn)變化時(shí)，翻譯平臺(tái)也會(huì)跟著變化，確保翻譯結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨著經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，國(guó)際之間的溝通越來(lái)越多，如何解決國(guó)際溝通中的語(yǔ)言障礙已經(jīng)成為一個(gè)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。目前世界各地在機(jī)器翻譯這一領(lǐng)域投入了大量的研究，經(jīng)過(guò)不懈努力，機(jī)器翻譯技術(shù)愈加成熟，但是依舊存在一些問(wèn)題難以攻克，機(jī)器翻譯技術(shù)目前仍然是人工智能領(lǐng)域的十大難題之首。

近年來(lái)，交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)得到了快速的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備中，交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)是一種集合控制學(xué)、電子學(xué)、翻譯學(xué)等多個(gè)學(xué)科為一體的裝置，研發(fā)過(guò)程涉及的關(guān)鍵理論和技術(shù)主要是交互式機(jī)器翻譯結(jié)構(gòu)和交互式機(jī)器翻譯回路控制策略。傳統(tǒng)的交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)控制技術(shù)多是利用伺服編碼器，容易被外界信息干擾，控制精度往往難以達(dá)到要求[2]。目前科學(xué)家提出了多種控制手段，如最優(yōu)控制、變結(jié)構(gòu)控制以及模糊控制等，能夠有效抑制非線性擾動(dòng)帶來(lái)的影響，解決傳統(tǒng)控制算法存在的問(wèn)題，上述方法在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境、系統(tǒng)性能指標(biāo)來(lái)進(jìn)行選擇[3]。

RNN編碼器是由CRN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的編碼器，能夠?qū)⑽淖中畔⒕幋a成一個(gè)固定長(zhǎng)度的向量，生成其它文字序列[4]。本文以RNN編碼器為背景，深入研究了交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)控制技術(shù)，分析了翻譯平臺(tái)結(jié)構(gòu)，針對(duì)翻譯平臺(tái)的基本控制回路進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)設(shè)計(jì)控制模型實(shí)現(xiàn)信息的精確翻譯，其翻譯精度決定了交互式翻譯平臺(tái)的控制精度。

1 RNN編碼器控制下的交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)結(jié)構(gòu)

交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)使用的結(jié)構(gòu)為交互結(jié)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)框架確保平臺(tái)的穩(wěn)定性，合理插入RNN編碼器是確保實(shí)現(xiàn)翻譯平臺(tái)控制技術(shù)的前提[5]。在RNN編碼器控制下的交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)根據(jù)交互結(jié)構(gòu)，可以分為單級(jí)交互結(jié)構(gòu)和復(fù)合交互結(jié)構(gòu)。

1.1 RNN編碼器控制下的單級(jí)交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)結(jié)構(gòu)

單級(jí)交互結(jié)構(gòu)使用的機(jī)械框架有兩種，分別是二框架二軸、三框架三軸。單級(jí)交互結(jié)構(gòu)是目前交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)采用最多的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，可靠性高，消耗成本低。圖1為交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)二框架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)二框架結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中的交互式翻譯平臺(tái)二框架結(jié)構(gòu)擁有2個(gè)框架，利用穩(wěn)定回路隔離外界信息在方位軸和俯仰軸上造成的擾動(dòng)，確保主動(dòng)軸的設(shè)置項(xiàng)始終穩(wěn)定。利用二框架設(shè)計(jì)的交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)難以隔絕外界信息在滾軸上造成的擾動(dòng)，所以只能在不需要主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合中應(yīng)用。在翻譯過(guò)程中，RNN編碼器會(huì)自動(dòng)控制，框架中的各軸與平臺(tái)平行[6]。在二框架結(jié)構(gòu)上加入滾動(dòng)軸，形成三框架結(jié)構(gòu)，利用平臺(tái)工作時(shí)產(chǎn)生的角速度，形成穩(wěn)定的控制回路，確保翻譯過(guò)程的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，平臺(tái)也能夠正常運(yùn)行。加入滾動(dòng)軸后，軸與軸之間的耦合性更加復(fù)雜，控制相對(duì)困難。交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)三框架結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)三框架結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 RNN編碼器控制下的復(fù)合交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)結(jié)構(gòu)

復(fù)合結(jié)構(gòu)利用復(fù)合框架光學(xué)元件組成，翻譯平臺(tái)的每個(gè)角都有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)框架，置于外層的為外框架，置于內(nèi)層的為內(nèi)框架，利用控制回路實(shí)現(xiàn)平臺(tái)控制。交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖

圖3結(jié)構(gòu)中的平臺(tái)運(yùn)行速度不同，RNN編碼器的安裝方式也不同，翻譯平臺(tái)可以分為兩種交互式結(jié)構(gòu)，一種是RNN編碼器安裝在內(nèi)框架的結(jié)構(gòu)，一種是RNN編碼器安裝在外框架的結(jié)構(gòu)。當(dāng)RNN編碼器安裝在內(nèi)框架時(shí)，利用翻譯元件構(gòu)成穩(wěn)定的控制回路，該回路能夠確保控制精度，被稱為精控制回路。由內(nèi)框架操控外框架工作，外框架在隨著角位移運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，內(nèi)框架始終處于中心位置，外框架的控制回路隨著內(nèi)框架控制回路的，被稱為粗控制回路。平臺(tái)內(nèi)框架的控制器能夠校正憑條工作速率，外框架的控制器負(fù)責(zé)控制翻譯速率。

2 交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)基本控制回路研究

利用多框架控制交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)，采用的控制方法為整體控制法，為了擴(kuò)大平臺(tái)的工作范圍，翻譯平臺(tái)的內(nèi)框架始終處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，平臺(tái)外框架隨著內(nèi)框架的工作狀態(tài)改變而改變[7]。平臺(tái)內(nèi)框架結(jié)構(gòu)上裝有RNN編碼器，當(dāng)平臺(tái)工作時(shí)，外界信息產(chǎn)生的干擾會(huì)逐級(jí)耦合到主動(dòng)軸上，影響平臺(tái)工作的穩(wěn)定性。安裝在內(nèi)框架的RNN編碼器能夠感知到外界的干擾速率，篩選敏感信號(hào)，將得到的敏感信號(hào)送到內(nèi)框架的電機(jī)中，由電機(jī)產(chǎn)生控制力矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，進(jìn)而產(chǎn)生能夠抑制干擾信息的運(yùn)動(dòng)，抵消外界干擾速率，確保翻譯平臺(tái)視軸的穩(wěn)定指向。在內(nèi)框架軸中同時(shí)加入傳感器，傳感器內(nèi)部產(chǎn)生控制信號(hào)，由控制回路傳給外框架中的兩個(gè)電機(jī)，使外框架隨著內(nèi)框架運(yùn)行。

加入RNN編碼器后的交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)的主要任務(wù)是克服翻譯過(guò)程平臺(tái)振動(dòng)，確保平臺(tái)主動(dòng)軸處于穩(wěn)定狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確高效地翻譯語(yǔ)言，平臺(tái)基本控制回路應(yīng)該具備如下功能：(1)穩(wěn)定功能，防止外界信息干擾平臺(tái)運(yùn)行，保證平臺(tái)的穩(wěn)定性；(2)鎖定功能，在確定翻譯目標(biāo)后，將目標(biāo)鎖定在特定位置；(3)掃描功能，在大范圍內(nèi)，掃描需要翻譯的信息，以便能夠快速準(zhǔn)確獲得翻譯信息；(4)自動(dòng)控制功能，在進(jìn)行翻譯工作時(shí)，控制平臺(tái)的翻譯速率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

為了保證交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，完成多項(xiàng)任務(wù)，在平臺(tái)結(jié)構(gòu)中加入了多種控制回路，與RNN編碼器結(jié)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的速率控制工作、各設(shè)備工作位置控制工作以及自動(dòng)翻譯控制工作[8]。

2.1 交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)速度穩(wěn)定控制回路

交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)中的速率穩(wěn)定回路負(fù)責(zé)確保翻譯過(guò)程中平臺(tái)的工作速率，是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵回路。機(jī)器翻譯平臺(tái)的速率控制回路共有兩套，分別負(fù)責(zé)控制內(nèi)框架速率和外框架速率。速率穩(wěn)定回路控制原理框圖如下圖4所示。

圖4 速率穩(wěn)定回路控制原理框圖

圖4中，RNN編碼器作為控制回路的測(cè)量元件，功率放大器作為放大元件，利用速率校正器和電機(jī)形成反饋電路。交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)的主動(dòng)軸在受到載體干擾后，會(huì)發(fā)生慣性運(yùn)動(dòng)，測(cè)量出主動(dòng)軸在慣性空間產(chǎn)生的角速度，利用放大器將放大后的功率傳給電機(jī)，由電機(jī)產(chǎn)生補(bǔ)償力矩，補(bǔ)償力矩的大小與干擾信號(hào)力矩一致，但方向相反，互相抵消，使平臺(tái)在慣性空間的角速度為0，確保平臺(tái)工作穩(wěn)定[9]。上圖中的wi代表輸入的角速度指令，在不同工作模式下，輸入的速度指令不同，wo代表翻譯平臺(tái)速度控制回路輸出的速度信號(hào)，Md為外界干擾信息產(chǎn)生的干擾力矩，該干擾力矩會(huì)與框架上的干擾力矩以及平臺(tái)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的摩擦力矩生成耦合作用。

2.2 交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)位置控制回路

位置回路主要是負(fù)責(zé)控制交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)工作過(guò)程中各信號(hào)所處的位置。由于機(jī)器翻譯平臺(tái)得到的輸入指令不同，所以位置回路執(zhí)行的任務(wù)不同，可分為隨動(dòng)任務(wù)、鎖定任務(wù)和掃描任務(wù)。交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)內(nèi)外框架坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)關(guān)系如圖5所示。

圖5 交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)內(nèi)外框架坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)關(guān)系

以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立O—XYZ坐標(biāo)軸，其中ZA、ZB表示外框架在Z軸上所處的坐標(biāo)點(diǎn)，XA、XB、XC、XD表示外框架在X軸上所處的坐標(biāo)點(diǎn)，YA、YB、YC表示外框架在Y軸上所處的坐標(biāo)點(diǎn)，Za、Zb表示內(nèi)框架在Z軸上所處的坐標(biāo)點(diǎn)，Xa、Xb、Xc、Xd表示內(nèi)框架在X軸上所處的坐標(biāo)點(diǎn)，Ya、Yb、Yc表示內(nèi)框架在Y軸上所處的坐標(biāo)點(diǎn)。內(nèi)外框架通過(guò)傳感器建立連接，當(dāng)翻譯數(shù)量大時(shí)，平臺(tái)內(nèi)框架的各個(gè)軸都要位于零點(diǎn)位置，外框架利用隨動(dòng)回路跟隨內(nèi)框架運(yùn)動(dòng)。隨動(dòng)回路與內(nèi)外框架的傳感器配合工作，分析內(nèi)框架與外框架之間的夾角，利用反饋環(huán)節(jié)補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)角。交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)位置控制回路原理框圖表示為下圖6的形式。

圖6 交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)位置控制回路原理框圖

圖6中，θe代表平臺(tái)內(nèi)框架輸出角的位置，θE代表平臺(tái)外框架輸出角的位置。為了使平臺(tái)中的翻譯目標(biāo)始終在工作范圍內(nèi)，進(jìn)行鎖定工作，設(shè)定兩個(gè)回路，利用三角波和正弦波信號(hào)鎖定目標(biāo)位置，指令信號(hào)不同，鎖定方式不同。交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)在加入RNN編碼器后，具備自動(dòng)翻譯功能，在對(duì)翻譯平臺(tái)進(jìn)行控制時(shí)，干擾力矩會(huì)分成摩擦力矩和載體力矩，分析翻譯平臺(tái)工作過(guò)程產(chǎn)生的角速度，通過(guò)速率校正器校正平臺(tái)速率，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生補(bǔ)償力矩，從而達(dá)到控制目的。

3 基于RNN編碼器交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)穩(wěn)定控制

通過(guò)控制回路確保交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)的穩(wěn)定性，利用RNN編碼器進(jìn)行控制工作。交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)多安裝在智能設(shè)備中，很容易受到干擾信息以及輸入的誤差信息影響，對(duì)其進(jìn)行控制可以確保翻譯精度。交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)內(nèi)部安裝的傳感器會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)誤差或動(dòng)態(tài)誤差，誤差大小與翻譯速率有關(guān)，在對(duì)不明確信息進(jìn)行翻譯時(shí)，平臺(tái)的穩(wěn)定性更差。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，使用被動(dòng)隔離法和主動(dòng)穩(wěn)定法，在探測(cè)傳感器上安裝懸掛框架，以臺(tái)體支撐框架，臺(tái)體內(nèi)部加入敏感載體，在確定存在外界干擾信息后，產(chǎn)生補(bǔ)償力矩，平衡干擾信息對(duì)于機(jī)器翻譯平臺(tái)造成的影響，確保機(jī)器翻譯平臺(tái)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)穩(wěn)定控制工作流程如圖7所示。

圖7 交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)穩(wěn)定控制工作流程圖

分析圖7，平臺(tái)各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)過(guò)初始化設(shè)置之后，翻譯平臺(tái)執(zhí)行翻譯任務(wù)，RNN編碼器根據(jù)平臺(tái)翻譯信息數(shù)量以及翻譯內(nèi)容進(jìn)行編碼，分析平臺(tái)是否受到外界信息干擾，如果未受到外界信息干擾，則不需要啟動(dòng)控制工作；如果受到外界信息干擾，需要設(shè)定平衡力矩，進(jìn)行控制，計(jì)算控制效果，當(dāng)達(dá)到優(yōu)化后的控制效果，完成控制。

4 交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)控制技術(shù)性能測(cè)試

為了證明本文研究的基于RNN編碼器的交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)控制技術(shù)的有效應(yīng)和實(shí)用性，以Intel處理器作為硬件環(huán)境，Windows10為操控系統(tǒng)，運(yùn)用對(duì)比法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估該控制技術(shù)性能。

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：設(shè)定電源提供的電壓為15 V，提供的電流為50 A，選用的翻譯數(shù)據(jù)集來(lái)自于美國(guó)哈佛大學(xué)，開(kāi)發(fā)軟件為Visual C++軟件，采用的編寫(xiě)語(yǔ)言為C語(yǔ)言，處理器為數(shù)字信號(hào)處理器，利用人機(jī)操作界面分析控制技術(shù)工作效果，設(shè)定外界干擾力矩為550gf.cm。

4.2 實(shí)驗(yàn)條件

選用同一計(jì)算機(jī)生產(chǎn)的兩臺(tái)交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)，在互聯(lián)網(wǎng)上下載翻譯樣本，樣本精度為20 bit/s，通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)翻譯信號(hào)進(jìn)行去噪處理。

交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)如圖8所示。

圖8 交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件，選取伺服編碼器的控制技術(shù)和RNN編碼器的控制技術(shù)同時(shí)對(duì)同一交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)的翻譯過(guò)程進(jìn)行控制，分析加入常值干擾后的輸入響應(yīng)曲線和輸出響應(yīng)曲線。

(1)常值干擾下的輸入響應(yīng)曲線對(duì)比如圖9。

圖9 常值干擾下的輸入響應(yīng)曲線

在常值干擾下，使用傳統(tǒng)伺服編碼器控制的控制技術(shù)控制的交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)，輸入響應(yīng)曲線波動(dòng)最大值為1.5 mrad/s，波動(dòng)最小值為0.55 mrad/s，在校正時(shí)，角速度輸出基本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。使用本文研究的RNN編碼器控制技術(shù)控制的機(jī)器翻譯平臺(tái)輸入角度最大波動(dòng)值僅為0.48 mrad/s，輸入最小波動(dòng)值僅為0.23 mrad/s，相較于傳統(tǒng)控制技術(shù)，波動(dòng)得到明顯減小，有效提高機(jī)器翻譯平臺(tái)的抗干擾性能。

(2)常值干擾下的輸出響應(yīng)曲線對(duì)比如圖10。

圖10 常值干擾下的輸出響應(yīng)曲線

觀察圖10可知，通過(guò)伺服編碼器控制的交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)得到的輸出響應(yīng)曲線波動(dòng)最大值為可以達(dá)到1.71 mrad/s，波動(dòng)最小值為0.63 mrad/s。基于RNN編碼器設(shè)計(jì)的控制技術(shù)可以保留伺服編碼器的一切控制特征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加強(qiáng)，減少干擾信號(hào)對(duì)交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)造成的影響，使翻譯平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定無(wú)靜差，加強(qiáng)翻譯平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，降低干擾信號(hào)對(duì)翻譯平臺(tái)造成的影響。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：伺服編碼器具有的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較差，雖然能夠增加交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)的開(kāi)環(huán)增益，但會(huì)降低平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性，極易受到外來(lái)信息干擾。

相較于伺服編碼器對(duì)于交互式翻譯平臺(tái)的控制能力，利用RNN編碼器研究的控制技術(shù)控制能力明顯增強(qiáng)，能夠有效降低輸入響應(yīng)曲線和輸出響應(yīng)曲線的波動(dòng)值，滿足翻譯平臺(tái)對(duì)穩(wěn)定性和快速性提出的要求。該技術(shù)具有更高的使用價(jià)值，在確保機(jī)器翻譯平臺(tái)工作穩(wěn)定性這一方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章利用RNN編碼器研究了一種新的交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)控制技術(shù)，利用視軸穩(wěn)定機(jī)理研究控制方法，探討了加入RNN編碼器后交互式機(jī)器翻譯平臺(tái)的不同架構(gòu)，著重分析了復(fù)合框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入速率控制回路和位置控制回路控制平臺(tái)工作速度和信息所在位置，針對(duì)控制過(guò)程穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)使用被動(dòng)隔離法和主動(dòng)穩(wěn)定法確保控制工作穩(wěn)定執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制平臺(tái)技術(shù)能夠抑制干擾信息在平臺(tái)中的傳播，確保翻譯結(jié)果的穩(wěn)定性。