Petri網(wǎng)在留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：本文介紹了Petri網(wǎng)在留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例，提出了該系統(tǒng)的形式化的定義和語音評(píng)價(jià)過程的執(zhí)行規(guī)則，結(jié)合漢語發(fā)音評(píng)價(jià)體系的特點(diǎn)，利用Petri網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)的基本過程，降低了時(shí)間成本，提高了留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)的效率。

關(guān)鍵詞：Petri網(wǎng) 漢語語音評(píng)價(jià) 形式化 語音信號(hào)

一、引言

漢語發(fā)音在留學(xué)生漢語學(xué)習(xí)及交流中起著舉足輕重的作用，語音評(píng)價(jià)是第二語言習(xí)得過程中的基礎(chǔ)內(nèi)容和重要環(huán)節(jié)，而漢語發(fā)音數(shù)據(jù)則是語音評(píng)價(jià)的主體和前提，是語音庫的重要來源。如何對(duì)留學(xué)生的發(fā)音做出科學(xué)、有效的評(píng)價(jià)，一直是語音評(píng)價(jià)研究的熱點(diǎn)。近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)對(duì)漢語語音識(shí)別、語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)做了大量研究，主要成果如下：袁毅、吳晨[1]提出了柔性可擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)非特定人語音識(shí)別系統(tǒng)的框架模型，驗(yàn)證了在該模型指導(dǎo)下所開發(fā)出的語音識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)用性和穩(wěn)定性；施偉[2]提出了對(duì)外漢語教學(xué)中的發(fā)音自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，通過分析輸入語音數(shù)據(jù)，提取語音特征并與參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匹配比較，由評(píng)分機(jī)制根據(jù)相似程度大小給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)；潘志松等[3]提出了Petri網(wǎng)原理在語音識(shí)別中的基礎(chǔ)應(yīng)用方法，并以簡單實(shí)例加以研證。

以上研究均采用了不用的技術(shù)和方法來實(shí)現(xiàn)漢語語音數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)過程，產(chǎn)生了一系列的應(yīng)用結(jié)果，取得了一些進(jìn)步和成果。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種用Petri網(wǎng)實(shí)現(xiàn)留學(xué)生漢語語音數(shù)據(jù)識(shí)別、評(píng)價(jià)及偏誤分析的方法，大大降低了漢語語音數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)成本，提高了評(píng)價(jià)過程的效率和留學(xué)生習(xí)得漢語語音的效率，使語音評(píng)價(jià)過程具有一定的兼容性、擴(kuò)展性和適應(yīng)性，符合當(dāng)代漢語語音數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)發(fā)展的特點(diǎn)及要求。

二、Petri網(wǎng)與留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)體系

（一）Petri網(wǎng)簡介

Petri網(wǎng)起源于1962年Carl Adam Petri的博士論文，它是一種可以用網(wǎng)狀圖形表示的系統(tǒng)模型，其概念是在尊重自然規(guī)律的前提下定義的，以確保以其為模型描述的系統(tǒng)都是可以實(shí)現(xiàn)的[4]。Petri網(wǎng)有豐富的系統(tǒng)描述手段和系統(tǒng)行為分析技術(shù)，最初主要應(yīng)用于系統(tǒng)的建模、分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、并行處理等領(lǐng)域，經(jīng)過50多年的研究發(fā)展，Petri網(wǎng)理論日益完善，被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)各類流程和系統(tǒng)行為過程問題。

按研究對(duì)象（過程），Petri網(wǎng)的模型可分為網(wǎng)、網(wǎng)系統(tǒng)、庫所/變遷系統(tǒng)、高級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)等模型系統(tǒng)，每類模型均有不同的層次結(jié)構(gòu)。本文涉及到的是高級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)中的有色自控系統(tǒng)[5]，它的一個(gè)庫所中可以包含多種資源（漢語語音信號(hào)），一個(gè)變遷代表一種流動(dòng)關(guān)系，涵蓋因資源差異而發(fā)生的不同變化和特征。

Petri網(wǎng)最基本的構(gòu)成單元為：庫所（Place）圓形節(jié)點(diǎn)（下文以S代替），變遷（Transition）方形節(jié)點(diǎn)（下文以P代替）；有向?。–onnection）是庫所和變遷之間的有向??；托肯（Token）是庫所中的動(dòng)態(tài)對(duì)象（如為完成某個(gè)語音輸入的識(shí)別或備份需要調(diào)用到的資源個(gè)數(shù)），可以從一個(gè)庫所移動(dòng)到另一個(gè)庫所。Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則視具體情況而定，但基本規(guī)則是：有向弧是有方向的；兩個(gè)庫所或變遷之間不允許有庫所；庫所可以擁有任意數(shù)量的托肯。

（二）留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)體系

留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)體系[6][7]是根據(jù)留學(xué)生發(fā)音特征和漢語發(fā)音偏誤建立的一個(gè)衡量和評(píng)價(jià)漢語語音習(xí)得程度和發(fā)音質(zhì)量高低的智能化系統(tǒng)，使留學(xué)生能利用該系統(tǒng)對(duì)發(fā)音進(jìn)行測評(píng)，該系統(tǒng)可在第一時(shí)間反饋漢語發(fā)音評(píng)價(jià)結(jié)果、錯(cuò)誤類型和改進(jìn)建議，能有效地提高留學(xué)生漢語發(fā)音的正確率，使其能更好地掌握漢語發(fā)音。

根據(jù)留學(xué)生漢語發(fā)音特點(diǎn)以及現(xiàn)有語音識(shí)別技術(shù)，漢語語音評(píng)價(jià)體系由語音識(shí)別層、語音評(píng)價(jià)層及偏誤分析層三大功能模塊構(gòu)成，在每一個(gè)功能模塊下又設(shè)有子模塊，如圖1所示。三個(gè)主要功能模塊之間相互依存、相互影響和相互作用，通過聯(lián)動(dòng)和反饋機(jī)制不斷地在其間傳遞語音及語音評(píng)價(jià)信息，構(gòu)成了一個(gè)完備的漢語語音評(píng)價(jià)體系。

（三）評(píng)價(jià)測試

項(xiàng)目組利用矢量化編碼VQF技術(shù)[8]進(jìn)行漢語語音數(shù)據(jù)采集，通過對(duì)普通的漢語語音評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)方案和基于Petri網(wǎng)的語音評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)方案做出了測試和對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

假設(shè)L為留學(xué)生漢語發(fā)音習(xí)得等級(jí)，它是一個(gè)五元組L=（L1，L2，L3，L4，H），其中：L1為元音習(xí)得等級(jí)，L2為輔音習(xí)得等級(jí)，L3為聲調(diào)習(xí)得等級(jí)，L4為語調(diào)習(xí)得等級(jí)，H為權(quán)重因子[7]，F(xiàn)為基頻參數(shù)。L值越高，證明發(fā)音偏誤率越低，發(fā)音更加接近標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)音質(zhì)量高；L值越低，證明發(fā)音偏誤率越高，發(fā)音偏離標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)音質(zhì)量低。圖2中L1為普通的漢語語音評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)方案對(duì)應(yīng)的語音評(píng)價(jià)等級(jí)，L2為利用Petri網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案對(duì)應(yīng)的語音評(píng)價(jià)等級(jí)；右側(cè)測試數(shù)據(jù)則為某個(gè)漢字發(fā)音單元（本研究僅限于單音節(jié)詞）在兩種方案下得出的等級(jí)值。由圖可知，L2實(shí)現(xiàn)方案較為合理，大體上符合漢語發(fā)音規(guī)律，評(píng)價(jià)值接近預(yù)設(shè)的漢語發(fā)音習(xí)得等級(jí)值（L）。

（四）留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)體系與Petri網(wǎng)的關(guān)系

從理論意義上講，二者在形式上是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只是涵蓋的內(nèi)容不同，Petri網(wǎng)及網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生記錄也是語音評(píng)價(jià)體系的執(zhí)行結(jié)果。經(jīng)過以上測試可發(fā)現(xiàn)：以Petri網(wǎng)為工具能有效實(shí)現(xiàn)留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)的模型化，以網(wǎng)絡(luò)圖形方式描述語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)模塊之間的關(guān)系和語音評(píng)價(jià)的全過程，從而使抽象的語音評(píng)價(jià)過程具體化。此外，Petri網(wǎng)語音執(zhí)行記錄還能有效地反饋發(fā)音偏誤、缺陷和系統(tǒng)異常情況，有利于針對(duì)某一個(gè)（組）語音的分析和處理，為整個(gè)留學(xué)生漢語語音系統(tǒng)的運(yùn)行提供有效的支持和保障。

三、Petri網(wǎng)在漢語語音識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用

Petri網(wǎng)是研究和模擬漢語語音評(píng)價(jià)并行發(fā)生，依次發(fā)生和循環(huán)發(fā)生最理想的工具，與其他智能化系統(tǒng)一樣，留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)有一套完備的實(shí)現(xiàn)程序，系統(tǒng)中各模塊間通過聯(lián)動(dòng)機(jī)制有機(jī)地聯(lián)系在一起，這是利用Petri網(wǎng)對(duì)其形式化描述的物質(zhì)基礎(chǔ)。下面是一個(gè)用Petri網(wǎng)來描述留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)中語音識(shí)別層的實(shí)例。

（一）圖形化的漢語語音識(shí)別過程

語音識(shí)別層由語音信號(hào)輸入模塊、預(yù)處理模塊、特征提取模塊及標(biāo)準(zhǔn)語音數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，如圖1所示，當(dāng)某個(gè)語音信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，語音信號(hào)輸入模塊首先將語音轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能讀取的數(shù)字信號(hào)，隨后通過預(yù)處理模塊分辨出語音信號(hào)及非語音信號(hào)。經(jīng)預(yù)處理后的音頻數(shù)據(jù)一方面會(huì)被傳送到標(biāo)準(zhǔn)語音庫進(jìn)行備份，另一方面作為特征提取模塊的輸入數(shù)據(jù)。

將以上漢語語音識(shí)別過程以Petri網(wǎng)描述如下：

S1、S2、S3、S4為不同狀態(tài)下的漢語語音信號(hào)；P1為語音識(shí)別功能模塊，P2為預(yù)處理功能模塊，P3為特征提取功能模塊；s0為經(jīng)預(yù)處理后的音頻數(shù)據(jù)；p0為標(biāo)準(zhǔn)語音庫和偏誤語音庫之間的聯(lián)動(dòng)功能模塊。

圖3是對(duì)一個(gè)典型的形式化的語音識(shí)別過程：漢語語音在處理過程中移動(dòng)，每個(gè)處理環(huán)節(jié)再調(diào)用相關(guān)的函數(shù)及算法，直至語音識(shí)別過程結(jié)束。顯然，語音處理環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)著Petri網(wǎng)系統(tǒng)中的變遷元素“T”，而不同狀態(tài)下的漢語語音數(shù)據(jù)則對(duì)應(yīng)庫所元素“S”。圖3是整個(gè)漢語語音評(píng)價(jià)過程中截取出來的一個(gè)語音識(shí)別片段∑s，其中庫所中的黑點(diǎn)個(gè)數(shù)代表該種語音識(shí)別資源的個(gè)數(shù)，箭頭代表系統(tǒng)中資源流動(dòng)的方向，弧上的數(shù)字代表語音處理需要調(diào)用到的資源的個(gè)數(shù)，也稱為權(quán)值，沒有數(shù)字的弧，其權(quán)值為1。例如，語音識(shí)別環(huán)節(jié)P1需要輸入1個(gè)漢語語音，調(diào)用1個(gè)語音識(shí)別資源后完成識(shí)別，S2中語音資源個(gè)數(shù)顯然少于預(yù)處理需要調(diào)用的資源總數(shù)，就上模型片段而言，不能繼續(xù)進(jìn)行語音數(shù)據(jù)的預(yù)處理，P2將等待系統(tǒng)具備充分的資源數(shù)后，方可執(zhí)行。另一方面，s0中已經(jīng)有足夠資源對(duì)識(shí)別后的語音進(jìn)行備份和比對(duì)，從而p0過程得以進(jìn)行。

當(dāng)語音識(shí)別系統(tǒng)中存在資源競爭時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)以下情況：某個(gè)語音在識(shí)別后備份到標(biāo)準(zhǔn)語音庫中，占用到一定的資源個(gè)數(shù)，與此同時(shí)，偏誤分析功能模塊也要調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)語音庫中的數(shù)據(jù)或資源進(jìn)行比對(duì)，資源情況不滿足既定操作，即語音識(shí)別層和偏誤分析層在同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)語音庫和偏誤語音庫中的資源進(jìn)行調(diào)用時(shí)存在資源競爭現(xiàn)象，有向弧上的權(quán)值不允許操作繼續(xù)，語音識(shí)別系統(tǒng)將會(huì)反饋異常處理記錄，系統(tǒng)將重新分配現(xiàn)有資源，尋求其他途徑解決沖突。

就漢語語音資源來說，存放它們的庫所S（語音信號(hào)）具有語音庫存貯數(shù)據(jù)的性質(zhì)，它只能存放一定種類的語音資源，并且有一定的數(shù)量限制。但S和語音庫又不完全一樣，語音庫在語音評(píng)價(jià)網(wǎng)系統(tǒng)中有固定的位置，而S在網(wǎng)中的位置毫無意義，不管它們處于何種位置，語音識(shí)別系統(tǒng)（網(wǎng)）的含義是不變的。

（二）基于Petri網(wǎng)的留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)網(wǎng)系統(tǒng)

1.留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)網(wǎng)系統(tǒng)的形式化定義

結(jié)合留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)過程與Petri網(wǎng)中有色自控系統(tǒng)的特點(diǎn)和性質(zhì)，可得出∑：

∑=（S，P；F，W，R）為留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)網(wǎng)系統(tǒng)的條件是：

（1）（S，P；F）為有向網(wǎng)，它為∑的基本網(wǎng)；

（2）W：S×P∪P×S→{0，1，2…}∪S，且W（x，y）≠0，當(dāng)且僅當(dāng)（x，y）∈F，也成為∑的語音權(quán)函數(shù)；

（3）R：S→{0，1，2…}為∑的資源標(biāo)記。

該定義假設(shè)每個(gè)語音信號(hào)（S）的容量為無窮（因?yàn)榭紤]到本文設(shè)計(jì)的語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)象是無窮盡的漢語語音數(shù)據(jù)，故做上述假設(shè)），有向弧的權(quán)值可以作為庫所名，定義中（S；P；F）可映射到留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)的各個(gè)環(huán)節(jié)。例如：W（x，y）=sn，則可從庫所畫一個(gè)以小圓圈為箭頭的有向弧指向?。▁，y），如圖3所示。

由于該網(wǎng)系統(tǒng)沒有可變的權(quán)值，故設(shè)S={s0，s1，s2…sn}，P={p0，p1，p2…pn}，由∑的權(quán)函數(shù)W可產(chǎn)生模糊矩陣R，R的第i行第j列的矩陣元素即W（pj，si）-W（si，pj），可依此計(jì)算出所需資源標(biāo)記（個(gè)數(shù)）。

2.留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則

（1）映射R：S→{0，1，2…}為∑的資源標(biāo)記；

（2）表示R下的權(quán)值函數(shù)Wr定義為：（x，y）∈S×P∪P×S；

若W（x，y）S，則Wr（x，y）=W（x，y）；若W（x，y）=s′∧s′∈S，則Wr（x，y）=R（s′）；

（3）變遷p∈P滿足R的發(fā)生權(quán)，即R[p>的條件是：s∈S：R（s）≥Wr（s，p），且有s∈S，使Wr（s，p）>0，則p至少有一個(gè)輸入權(quán)值；

（4）若R[p>，則p可以發(fā)生，后繼標(biāo)識(shí)R′（s）為R′（s）=R（s）+Wr（p，s）-Wr（s，p），有R[p>R

以上就是留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則，權(quán)函數(shù)Wr隨著標(biāo)識(shí)R的改變而改變，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的缺陷跟蹤能力和語音修正能力。從嚴(yán)格意義上講，“∑”只是語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的總和，運(yùn)行規(guī)則里也指出了“p”的輸入弧上的權(quán)值必須大于0方可執(zhí)行，以避免無中生有的變遷發(fā)生，如只要有語音信號(hào)，語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)中有無語音數(shù)據(jù)都可完成語音評(píng)價(jià)，這種情況是不允許的。

根據(jù)定義和運(yùn)行規(guī)則，可對(duì)照?qǐng)D3，∑s中語音識(shí)別過程P1、特征提取過程P3均可發(fā)生，假若S2（識(shí)別后的語音）中沒有足夠的托肯，預(yù)處理過程P2永遠(yuǎn)都不會(huì)發(fā)生，則語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的語音輸入識(shí)別功能無法完成，這也將造成之后語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能的紊亂和終止。從另外一方面看，Wr函數(shù)體現(xiàn)了語音評(píng)價(jià)過程的自我修正和反饋意見功能，可針對(duì)因資源競爭，產(chǎn)生死鎖而造成系統(tǒng)癱瘓、運(yùn)行異常等情況做出反應(yīng)，并重新配置語音處理資源，使系統(tǒng)在第一時(shí)間里回復(fù)正常運(yùn)行，保證了該系統(tǒng)智能、穩(wěn)定和高效的特點(diǎn)。

3.語音評(píng)價(jià)結(jié)果

本研究前期預(yù)測效果顯著，項(xiàng)目組利用以上方法對(duì)測試漢語語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)以來的所有漢語語音評(píng)價(jià)記錄做了相關(guān)統(tǒng)計(jì)。抽樣調(diào)查中，95%的留學(xué)生參與了語音評(píng)價(jià)的各個(gè)環(huán)節(jié)，語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)成功識(shí)別漢語語音數(shù)據(jù)共計(jì)15891條（按單個(gè)音節(jié)計(jì)算），其中有效數(shù)據(jù)13936條，占87.69%。

在執(zhí)行語音評(píng)價(jià)的指令中，同時(shí)執(zhí)行多條語音處理指令稱為指令并行。圖4中的并行度是指在語音評(píng)價(jià)關(guān)系網(wǎng)中，指令并行執(zhí)行的最大條數(shù)。經(jīng)測算，該留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)在完成所有語音處理指令和不出現(xiàn)異常的情況下，各模塊語音指令總數(shù)為：分割與對(duì)比功能模塊，124條；發(fā)音評(píng)價(jià)功能模塊，298條；習(xí)得等級(jí)測評(píng)功能模塊，21條；聯(lián)動(dòng)模塊，9條。根據(jù)上表數(shù)據(jù)，可見本文設(shè)計(jì)的留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的指令并行程度較高，大大提高了語音處理和評(píng)價(jià)的速度，降低了時(shí)間成本，有利于在同一時(shí)間處理和分析多條漢語語音數(shù)據(jù)。

4.語音數(shù)據(jù)的保存

為建立留學(xué)生漢語標(biāo)準(zhǔn)語音庫和偏誤語音庫，為語音識(shí)別、對(duì)比研究奠定數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)，為最大程度的保證語音評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和擴(kuò)展性，應(yīng)做好標(biāo)準(zhǔn)漢語語音的采集和偏誤語音的收集。項(xiàng)目組在對(duì)產(chǎn)生的每一個(gè)漢語語音（或多個(gè)語音）評(píng)價(jià)結(jié)果后都要對(duì)其進(jìn)行備存和入庫管理，這是Petri網(wǎng)技術(shù)做不到的。

四、結(jié)語

人類處于一個(gè)信息技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)代，語言學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)越來越緊密地結(jié)合在一起，這也是當(dāng)今跨學(xué)科發(fā)展的必然結(jié)果。對(duì)于研究人員來說，留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)是由一系列復(fù)雜的活動(dòng)組成的，對(duì)其進(jìn)行形式化的定義不僅需要將語言學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，還需進(jìn)行大量的測試和技術(shù)研發(fā)。本文介紹的基于Petri網(wǎng)的留學(xué)生漢語語音評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法只是語音評(píng)價(jià)技術(shù)中的一種，以期能夠給業(yè)內(nèi)人士提供有效參考。

（本文是云南省社科規(guī)劃辦項(xiàng)目“基于東盟國家語言政策的云南漢語國際推廣策略研究——以GMS五國為例”，[項(xiàng)目編號(hào)：KKSK201335026]；云南省教育廳本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目“東南亞語種人才培養(yǎng)示范點(diǎn)”[項(xiàng)目編號(hào)：10968258]。）

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（陳展 云南昆明 昆明理工大學(xué)國際學(xué)院 650093）