定性仿真理論及其應用

定性仿真理論及其應用

摘要： 本文首先介紹了定性仿真的產(chǎn)生背景及理論發(fā)展狀況，然后說(shuō)明了定性仿真在各領(lǐng)域的應用情況，最后對定性仿真的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：定性仿真，定性模型
　

1 定性仿真的產(chǎn)生與理論現狀

定性仿真(Qualitative Simulation)是以非數字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結果輸出等仿真環(huán)節，通過(guò)定性模型推導系統的定性行為描述。定性仿真是系統仿真的一個(gè)分支，是系統仿真與人工智能理論交叉產(chǎn)生的新領(lǐng)域。相對于傳統的數字仿真，定性仿真有其獨到之處：這種仿真能處理多種形式的信息，有推理能力和學(xué)習能力，能初步模仿人類(lèi)思維方式，人機界面更符合人的思維習慣，所得結果更容易理解。

定性仿真的研究中，美國學(xué)者起步較早。70年代后期，美國XEROX實(shí)驗室的John de Kleer 和Seely Brown 在設計一個(gè)電路教學(xué)系統時(shí)發(fā)現，以常規的數學(xué)模型和仿真方法難以使學(xué)生很快明白電路的工作過(guò)程，而在實(shí)際教學(xué)中，老師并不是先給出數學(xué)公式，而是先講解電路的工作原理，采用定性的描述方法，那么是否可以用計算機來(lái)模擬這一方法呢？同樣在許多的實(shí)際工作中，人們更多的是依靠這種對系統原理性的理解，而這種理解的基礎就是定性知識。很多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始探索如何在數字仿真中引入定性知識。

1983年，John de Kleer 和Seely Brown發(fā)表了有關(guān)定性仿真的第一篇論文A Qualitative Physics Based On Confluence?，產(chǎn)生了巨大反響，揭開(kāi)了定性仿真研究熱潮的序幕。美國麻省理工學(xué)院的Kenneth D. Forbus則對定性仿真理論作了全面的總結；1986年美國德州大學(xué)的Benjamin Kuipers在 Qualitative Simulation”一文中提出了動(dòng)態(tài)仿真算法QSIM，使定性仿真接近于實(shí)用。1984年人工智能雜志第一次出版了關(guān)于定性問(wèn)題的專(zhuān)集。此后定性問(wèn)題的研究成為人工智能和系統建模與仿真領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，許多學(xué)者加入到這一研究領(lǐng)域中，產(chǎn)生了大量的研究成果。1991年，人工智能雜志又出版了有關(guān)定性推理的第二本專(zhuān)集，標志著(zhù)該領(lǐng)域理論研究逐漸成熟并且向應用領(lǐng)域擴展。90年代以來(lái)，該領(lǐng)域的研究情況可謂方興未艾，在IEEE的相關(guān)雜志上和撊斯ぶ悄軘等國際刊物上經(jīng)�？梢钥吹蕉ㄐ苑抡娣矫娴难芯砍晒�。國內該領(lǐng)域的研究起步較晚，目前從事定性理論研究的僅限于少數院校的少數研究者。

定性仿真產(chǎn)生之后，在理論上出現了百家爭鳴的局面，研究者們根據自己的見(jiàn)解提出了各自的建模和仿真理論。目前，基本可分為三個(gè)理論派別，即模糊仿真方法、基于歸納學(xué)習的方法和樸素物理學(xué)方法。

模糊數學(xué)方法可以解決模型信息與測量數據的不確定性，所以在定性理論中一般用來(lái)作為一種描述手段。最初，系統的定性值是采用區間模糊數的行為來(lái)描述的，英國的Qiang Shen進(jìn)一步將其發(fā)展到用凸模糊數來(lái)描述定性值，在數據表示上前進(jìn)了一大步。此后，又有人在其基礎上引入了概率論，來(lái)度量生成的多個(gè)行為的可信度。當前的模糊定性理論，在模糊數表示方面都存在一大弱點(diǎn)，那就是系統真實(shí)值與模糊量空間的映射問(wèn)題，即如何確定描述系統的模糊量。

歸納推理法是定性仿真的一個(gè)新方向，它起源于通用系統理論，主要利用其中的通用系統問(wèn)題求解（General System Problem Solve）技術(shù)。輸入盡可能多的行為，通過(guò)歸納學(xué)習的方式，構造系統的定性模型，進(jìn)行仿真研究。歸納推理法最突出的優(yōu)勢在于它完全不需要對象系統的結構信息，不需要預先提供任何模型。但是，這種方法需要采集大量的數據并處理和維護；而且，由于現實(shí)條件的限制，不能保證歸納的完備性。

樸素物理方法在理論和應用上發(fā)展得最為成熟，它興起于一些人工智能專(zhuān)家對樸素物理系統的定性推理研究。根據建立系統定性模型的方法，又可分為很多派別，比較有影響的有：Seely Brown和John de Kleer提出的基于摿鲾的概念的理論，K. D. Forbus 的定性過(guò)程理論，B.J.Kuipers基于約束的用定性微分方程描述的定性仿真理論等。 　

　

2 定性仿真的應用

現在，定性仿真技術(shù)與物理、化工、生態(tài)、生物、社會(huì )等學(xué)科相互滲透、結合，在系統監測、故障診斷、系統行為分析、解釋以及預測等方面發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越大的作用。 國外文獻報導較多而且應用取得成效比較明顯的應用領(lǐng)域主要有：工程和工業(yè)過(guò)程；電子電路分析和故障診斷；醫藥和醫療診斷；社會(huì )經(jīng)濟領(lǐng)域。 下面有選擇地按照應用領(lǐng)域介紹其中比較典型的項目。

　

2.1 工程和工業(yè)過(guò)程

這里工程指傳統的工程領(lǐng)域及一些工程設備，如蒸餾塔、高壓鍋爐、汽輪機等人造設備；工業(yè)過(guò)程指一些連續系統，如機械制造、發(fā)酵、化工過(guò)程和電站等 。這方面的應用項目比較多見(jiàn)。

ARTIST是歐洲的ESPRIT 計劃中的一個(gè)項目，項目領(lǐng)導者是蘇格蘭的Heriot-Watt大學(xué)的Leitch.R，完成于1993年7月。此項目建立了定性動(dòng)態(tài)模型，應用于過(guò)程監測與故障診斷。Leitch等人建立了一個(gè)基于定性微分方程(QDE)和模糊量空間的定性仿真器： Fusim, 現已應用在輸配電網(wǎng)絡(luò )和化工廠(chǎng)蒸餾塔的過(guò)程監控、分析、診斷上。

ESPRIT計劃中另一應用定性推理的重要項目是：TIGER工程-汽輪機的監測、診斷系統�，F已應用在 Exxon化工廠(chǎng)的大型工業(yè)汽輪機以及Dassault航空中心的宇宙飛船輔助動(dòng)力單元。系統應用定性仿真來(lái)預測汽輪機啟動(dòng)及負載改變時(shí)的可能行為�！�

　

2.2 電子電路分析和故障診斷

定性仿真的一個(gè)很重要的應用領(lǐng)域便是電子電路分析和故障診斷。定性推理的先驅人物de Kleer早在1976年便開(kāi)發(fā)了使用定性知識研究電子線(xiàn)路的系統 LOCAL，即根據電路部件已測知的正常行為和錯誤行為，分析實(shí)際行為和預測行為的不一致之處，然后指出電路的故障點(diǎn)。這種思想后來(lái)發(fā)展成了基于模型的故障診斷理論(model-based diagnosis therory)。時(shí)至今日，由于定性推理和仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步，該應用領(lǐng)域的發(fā)展前景更為廣闊。

這類(lèi)項目中，最為典型的是Dague.P等人開(kāi)發(fā)的模擬電路故障診斷工具-DEDALE。Dague對該系統進(jìn)行了一系列實(shí)驗，聲稱(chēng)：DEDALE系統能診斷出電路故障的75％，另外的25％故障沒(méi)有構成對電路性能的顯著(zhù)影響，并且可以通過(guò)其他手段檢測出。Electronique Serge Dassault 繼續這個(gè)領(lǐng)域的研究工作，已推出一個(gè)名為“DIAGMASTER”的商業(yè)化產(chǎn)品。

下一頁(yè)

【定性仿真理論及其應用】相關(guān)文章：

AFS模糊邏輯理論及其應用11-22

研究企業(yè)擴張理論的分析框架及其應用03-20

組織行為學(xué)概述及其理論應用02-20

模糊數學(xué)理論在路基邊坡穩定性的應用12-05

路阻函數理論及其在路徑選擇中的應用03-07

矩陣的分解及其應用03-07

EDA技術(shù)及其應用03-19

治理會(huì )計變化的制度研究及其理論應用02-27

論傳統成本理論的期望差距及其理論態(tài)勢03-25