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，然后說明了定性仿真在各領域的應用情況，最后對定性仿真的發(fā)展方向進行了探討。
關鍵詞：定性仿真，定性模型
　

1 定性仿真的產(chǎn)生與理論現(xiàn)狀

定性仿真(Qualitative Simulation)是以非數(shù)字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結(jié)果輸出等仿真環(huán)節(jié)，通過定性模型推導系統(tǒng)的定性行為描述。定性仿真是系統(tǒng)仿真的一個分支，是系統(tǒng)仿真與人工智能理論交叉產(chǎn)生的新領域。相對于傳統(tǒng)的數(shù)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，有推理能力和學習能力，能初步模仿人類思維方式，人機界面更符合人的思維習慣，所得結(jié)果更容易理解。

定性仿真的研究中，美國學者起步較早。70年代后期，美國XEROX實驗室的John de Kleer 和Seely Brown 在設計一個電路教學系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)，以常規(guī)的數(shù)學模型和仿真方法難以使學生很快明白電路的工作過程，而在實際教學中，老師并不是先給出數(shù)學公式，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模擬這一方法呢？同樣在許多的實際工作中，人們更多的是依靠這種對系統(tǒng)原理性的理解，而這種理解的基礎就是定性知識。很多專家學者開始探索如何在數(shù)字仿真中引入定性知識。

1983年，John de Kleer 和Seely Brown發(fā)表了有關定性仿真的第一篇論文A Qualitative Physics Based On Confluence?，產(chǎn)生了巨大反響，揭開了定性仿真研究熱潮的序幕。美國麻省理工學院的Kenneth D. Forbus則對定性仿真理論作了全面的總結(jié)；1986年美國德州大學的Benjamin Kuipers在 Qualitative Simulation”一文中提出了動態(tài)仿真算法QSIM，使定性仿真接近于實用。1984年人工智能雜志第一次出版了關于定性問題的專集。此后定性問題的研究成為人工智能和系統(tǒng)建模與仿真領域的一個熱點，許多學者加入到這一研究領域中，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定性推理的第二本專集，標志著該領域理論研究逐漸成熟并且向應用領域擴展。90年代以來，該領域的研究情況可謂方興未艾，在IEEE的相關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(nèi)該領域的研究起步較晚，目前從事定性理論研究的僅限于少數(shù)院校的少數(shù)研究者。

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

模糊數(shù)學方法可以解決模型信息與測量數(shù)據(jù)的不確定性，所以在定性理論中一般用來作為一種描述手段。最初，系統(tǒng)的定性值是采用區(qū)間模糊數(shù)的行為來描述的，英國的Qiang Shen進一步將其發(fā)展到用凸模糊數(shù)來描述定性值，在數(shù)據(jù)表示上前進了一大步。此后，又有人在其基礎上引入了概率論，來度量生成的多個行為的可信度。當前的模糊定性理論，在模糊數(shù)表示方面都存在一大弱點，那就是系統(tǒng)真實值與模糊量空間的映射問題，即如何確定描述系統(tǒng)的模糊量。

歸納推理法是定性仿真的一個新方向，它起源于通用系統(tǒng)理論，主要利用其中的通用系統(tǒng)問題求解（General System Problem Solve）技術(shù)。輸入盡可能多的行為，通過歸納學習的方式，構(gòu)造系統(tǒng)的定性模型，進行仿真研究。歸納推理法最突出的優(yōu)勢在于它完全不需要對象系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)并處理和維護；而且，由于現(xiàn)實條件的限制，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家對樸素物理系統(tǒng)的定性推理研究。根據(jù)建立系統(tǒng)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?shù)母拍畹睦碚摚琄. D. Forbus 的定性過程理論，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(xiàn)在，定性仿真技術(shù)與物理、化工、生態(tài)、生物、社會等學科相互滲透、結(jié)合，在系統(tǒng)監(jiān)測、故障診斷、系統(tǒng)行為分析、解釋以及預測等方面發(fā)揮著越來越大的作用。 國外文獻報導較多而且應用取得成效比較明顯的應用領域主要有：工程和工業(yè)過程；電子電路分析和故障診斷；醫(yī)藥和醫(yī)療診斷；社會經(jīng)濟領域。 下面有選擇地按照應用領域介紹其中比較典型的項目。

　

2.1 工程和工業(yè)過程

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

ARTIST是歐洲的ESPRIT 計劃中的一個項目，項目領導者是蘇格蘭的Heriot-Watt大學的Leitch.R，完成于1993年7月。此項目建立了定性動態(tài)模型，應用于過程監(jiān)測與故障診斷。Leitch等人建立了一個基于定性微分方程(QDE)和模糊量空間的定性仿真器： Fusim, 現(xiàn)已應用在輸配電網(wǎng)絡和化工廠蒸餾塔的過程監(jiān)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(jiān)測、診斷系統(tǒng)�，F(xiàn)已應用在 Exxon化工廠的大型工業(yè)汽輪機以及Dassault航空中心的宇宙飛船輔助動力單元。系統(tǒng)應用定性仿真來預測汽輪機啟動及負載改變時的可能行為。　

　

2.2 電子電路分析和故障診斷

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

這類項目中，最為典型的是Dague.P等人開發(fā)的模擬電路故障診斷工具-DEDALE。Dague對該系統(tǒng)進行了一系列實驗，聲稱：DEDALE系統(tǒng)能診斷出電路故障的75％，另外的25％故障沒有構(gòu)成對電路性能的顯著影響，并且可以通過其他手段檢測出。Electronique Serge Dassault 繼續(xù)這個領域的研究工作，已推出一個名為“DIAGMASTER”的商業(yè)化產(chǎn)品。

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