実装読解 — 最小の Mamdani 制御器を読む

2 つの言語で同じロジックを並べる狙い

本章では JavaScript と C を並列で示します。狙いは「同じファジィ制御のパイプラインを、文法の違う 2 言語で見ても、構造は変わらない」ことを確認するためです。JavaScript はブラウザ上のシミュレータでそのまま動く側、C は組み込み機器に持ち込みたいときの参考実装です。両者の対応関係は次のとおりです。

JavaScript の完全な最小実装

下のコードは、それ単体でブラウザコンソールに貼り付ければ動く完全版です。スニペットではなく、すべての関数の中身を書いてあります。

// ---- メンバーシップ関数 (三角形・台形) ----
function trimf(x, a, b, c) {
  if (x <= a || x >= c) return 0;
  if (x === b) return 1;
  return x < b ? (x - a) / (b - a) : (c - x) / (c - b);
}
function trapmf(x, a, b, c, d) {
  if (x <= a || x >= d) return 0;
  if (x >= b && x <= c) return 1;
  return x < b ? (x - a) / (b - a) : (d - x) / (d - c);
}

// ---- 入力ラベルの所属度 ----
function getTemperatureDegrees(t) {
  return {
    cold:        trapmf(t, 16, 16, 19, 23),
    comfortable: trimf (t, 20, 24, 28),
    hot:         trapmf(t, 25, 29, 34, 34)
  };
}
function getHumidityDegrees(h) {
  return {
    dry:    trapmf(h, 20, 20, 30, 45),
    normal: trimf (h, 35, 55, 75),
    humid:  trapmf(h, 60, 75, 90, 90)
  };
}

// ---- 出力ラベルの所属度 ----
function getOutputDegrees(x) {
  return {
    low:    trimf(x,  0, 20, 40),
    medium: trimf(x, 30, 50, 70),
    high:   trimf(x, 65, 85, 100)
  };
}

// ---- 9 ルールの定義 ----
const RULES = [
  { temp: "cold",        humid: "dry",    out: "low"    },
  { temp: "cold",        humid: "normal", out: "low"    },
  { temp: "cold",        humid: "humid",  out: "medium" },
  { temp: "comfortable", humid: "dry",    out: "low"    },
  { temp: "comfortable", humid: "normal", out: "medium" },
  { temp: "comfortable", humid: "humid",  out: "medium" },
  { temp: "hot",         humid: "dry",    out: "medium" },
  { temp: "hot",         humid: "normal", out: "high"   },
  { temp: "hot",         humid: "humid",  out: "high"   }
];

// ---- 9 ルールを汎用に評価して集約高さを得る ----
function evaluateRules(tDeg, hDeg) {
  const heights = { low: 0, medium: 0, high: 0 };
  for (const r of RULES) {
    const fire = Math.min(tDeg[r.temp], hDeg[r.humid]); // AND = min
    heights[r.out] = Math.max(heights[r.out], fire);    // 同ラベル = max
  }
  return heights;
}

// ---- 重心法 (厳密版) ----
function centroid(temperature, humidityValue) {
  const tDeg = getTemperatureDegrees(temperature);
  const hDeg = getHumidityDegrees(humidityValue);
  const h    = evaluateRules(tDeg, hDeg);

  let area = 0, moment = 0;
  for (let x = 0; x <= 100; ++x) {
    const m = getOutputDegrees(x);
    const muLow  = Math.min(m.low,    h.low);
    const muMed  = Math.min(m.medium, h.medium);
    const muHigh = Math.min(m.high,   h.high);
    const mu     = Math.max(muLow, muMed, muHigh);
    area   += mu;
    moment += x * mu;
  }
  // 防御的プログラミング: どのルールも発火しないときの分母 0 対策
  if (area < 1e-9) return 0;
  return moment / area;
}

// ---- 動作確認 ----
console.log(centroid(26, 68));   // 約 62.05
console.log(centroid(26.8, 69)); // 約 70.13
console.log(centroid(24, 55));   // 約 50.00 (快適×ふつう→中風 のみ発火)

9 ルールはハードコード ("快適 AND 蒸し暑い" 1 本だけ) ではなく、RULES 配列に並べた定義を evaluateRules がループで評価します。分母 0 のチェックも含めてあるので、すべてのルールが発火しないようなラベル設定に変えても暴走しません。

C の完全な最小実装

下のコードは gcc fc101.c -o fc101 -lm でそのままコンパイルできます。aggregated 配列のサイズ・型・初期化もすべて明示してあります。

#include <stdio.h>
#include <math.h>

#define OUT_LEN 101  /* x = 0,1,...,100 */

/* ---- 三角形・台形メンバーシップ関数 ---- */
static double trimf(double x, double a, double b, double c) {
  if (x <= a || x >= c) return 0.0;
  if (x == b) return 1.0;
  return (x < b) ? (x - a) / (b - a) : (c - x) / (c - b);
}
static double trapmf(double x, double a, double b, double c, double d) {
  if (x <= a || x >= d) return 0.0;
  if (x >= b && x <= c) return 1.0;
  return (x < b) ? (x - a) / (b - a) : (d - x) / (d - c);
}

/* ---- 入力ラベルの所属度 ---- */
typedef struct { double cold, comfortable, hot; } TempDeg;
typedef struct { double dry,  normal,      humid; } HumDeg;

static TempDeg temperature_degrees(double t) {
  TempDeg d;
  d.cold        = trapmf(t, 16, 16, 19, 23);
  d.comfortable = trimf (t, 20, 24, 28);
  d.hot         = trapmf(t, 25, 29, 34, 34);
  return d;
}
static HumDeg humidity_degrees(double h) {
  HumDeg d;
  d.dry    = trapmf(h, 20, 20, 30, 45);
  d.normal = trimf (h, 35, 55, 75);
  d.humid  = trapmf(h, 60, 75, 90, 90);
  return d;
}

/* ---- 出力ラベルの所属度 ---- */
static double mu_low   (double x) { return trimf(x,  0, 20,  40); }
static double mu_medium(double x) { return trimf(x, 30, 50,  70); }
static double mu_high  (double x) { return trimf(x, 65, 85, 100); }

/* ---- 9 ルールの集約高さ low / medium / high ---- */
static void evaluate_rules(TempDeg t, HumDeg h, double *low, double *med, double *hi) {
  *low = *med = *hi = 0.0;
  /* cold */
  *low = fmax(*low, fmin(t.cold,        h.dry));
  *low = fmax(*low, fmin(t.cold,        h.normal));
  *med = fmax(*med, fmin(t.cold,        h.humid));
  /* comfortable */
  *low = fmax(*low, fmin(t.comfortable, h.dry));
  *med = fmax(*med, fmin(t.comfortable, h.normal));
  *med = fmax(*med, fmin(t.comfortable, h.humid));
  /* hot */
  *med = fmax(*med, fmin(t.hot,         h.dry));
  *hi  = fmax(*hi,  fmin(t.hot,         h.normal));
  *hi  = fmax(*hi,  fmin(t.hot,         h.humid));
}

/* ---- 重心法 (厳密版) ---- */
double fc101_centroid(double temperature, double humidity) {
  TempDeg t = temperature_degrees(temperature);
  HumDeg  h = humidity_degrees(humidity);
  double low, med, hi;
  evaluate_rules(t, h, &low, &med, &hi);

  double aggregated[OUT_LEN] = {0};   /* サイズ 101, double, 0 で初期化 */
  for (int x = 0; x < OUT_LEN; ++x) {
    double a = fmin(mu_low(x),    low);
    double b = fmin(mu_medium(x), med);
    double c = fmin(mu_high(x),   hi);
    double m = fmax(a, fmax(b, c));
    aggregated[x] = m;
  }

  double area = 0.0, moment = 0.0;
  for (int x = 0; x < OUT_LEN; ++x) {
    area   += aggregated[x];
    moment += x * aggregated[x];
  }
  if (area < 1e-9) return 0.0;        /* 分母 0 のときの防御 */
  return moment / area;
}

int main(void) {
  printf("%.2f\n", fc101_centroid(26.0, 68.0));   /* 約 62.05 */
  printf("%.2f\n", fc101_centroid(26.8, 69.0));   /* 約 70.13 */
  printf("%.2f\n", fc101_centroid(24.0, 55.0));   /* 約 50.00 */
  return 0;
}

JavaScript 側の evaluateRules はループで RULES 配列を回しますが、C では明快さのためにルールごとに 1 行ずつ書き下しています。JavaScript の aggregated はループ内のローカル変数 mu、C の aggregated[x] はサイズ 101 の double 配列の各要素に対応します。どちらも「同じ x に対する集約後の高さ」を表します。

fc101-reference.c にも同じロジックの参考実装を同梱しています。リンク切れに備えて、本ページの C コードはページ内で完結するよう自己完結にしてあります。

実装を読むときの着眼点

次に自分の対象へ写すときの順序

1. まずはラベルを 3 本ずつくらいに絞る
2. 紙で所属度と発火度を 1 ケースだけ計算する
3. そのケースがコードでも同じ数字になることを確認する
4. 最後にラベル数や境界値を調整する