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从定性到定量综合集成研讨厅
一、发展过程
80年代初,著名科学家钱学森与其合作者王寿云提出了将科学理论、经验和专家判断相结合的半理论、半经验方法。80年代中期,钱学森先生亲自指导并参加了系统学讨论班,号召与会专家、学者在学术观点上能做到百家争鸣、各抒己见。在此基础上,他于1989年提出了开放的复杂巨系统及方法论,即从定性到定量综合集成法(Meta
Synthesis),后来又发展为从定性到定量综合集成研讨厅(Hall for WorkShop of
Metasynthetic Engineering,HWSME)
。其实质是将专家体系、统计数据和信息资料、计算机技术这三者结合起来,构成一个高度智能化的人机结合系统,创立了系统工程的新理论。当今世界已进入第五次产业革命,即以微电子、信息技术为基础,以计算机、网络和通信等为核心的技术革命。由此引起的经济和社会形态的飞速发展,进一步推动了对复杂巨系统的究。1996年12月,浙江科学技术出版社出版了宋键主编的《系统研究》和王寿云等同志所著的《开放的复
杂巨系统》,为开放复杂巨系统的研究又增添了一个新的、划时代的里程碑。
二、研究复杂巨系统问题
复杂巨系统是指系统的子系统数量非常庞大,且相互关联、相互制约,其相互作用关系很复杂、并有层次结构,如生物系统、人体系统、人脑系统、地理系统、生态系统、社会系统、星系统等。开放复杂巨系统具有以下特点:①系统本身与周围环境有物质、能量和信息的交换,所以是开放的;②系统包含的子系统很多,成千上万、甚至上亿万,所以是巨系统;③子系统的种类繁多,有几十、甚至几百种,所以是复杂的。
由于世界观和方法论不同,对复杂系统的研究思路和解决方法也不同。同西方的研究相比,钱学森先生的思想具有相当的超前性,而且更强调包括人脑中知识在内的系统整体性。近年来,西方的专家学者对复杂系统问题的研究也较多。美国的Santa
Fe Institute提出了复杂性科学,在生态系统、经济系统、人脑系统等方面都做了大量工作,在应用计算机研究复杂性科学方面取得了一定进展。目前,该项研究仍处于探索阶段。英国人针对出现堆题、而又有不少系统工程方法论的情况,提出了系统总体干预(Total
System Intervention)方法论, 提倡用创新的思想,先将系统看成某一熟悉的比喻(Metaphor),然后从一批系统工程方法论中挑选一个或若干个合适的方法论去分析处理堆题。日本人针对环境类复杂系统,提出了Shin
ayakana系统方法,要求使用数学模型,但同时又要求揉进人的直觉判断。
三、从定性到定量综合集成研讨厅
从定性到定量综合集成研讨厅是我国民主集中制的一种有力的支撑工具,能充分体现我国重大问题及政策法规的集体决策,如人民代表大会制度、政治协商会议制度等,并能促进科学决策和民主决策。钱学森先生在系统学讨论班上指出,要将专家群体、数据和各种信息与计算机仿真有机地结合起来,把有关学科的科学理论与人的经验、知识结合起来,发挥综合系统的整体优势,建立应用于科学决策的从定性到定量综合集成系统,用于研究复杂巨系统问题。
从定性到定量综合集成研讨厅是一个人机结合系统。从哲学意义上讲,它能充分发挥人的主观能动性。智能化再高的计算机也永远不会战胜人。日本就是因为世界观和方法论的问题,使第五代计算机陷入困境。
从定性到定量综合集成法不是一门具体技术,而是一种研究问题的思想,是一种指导分析复杂巨系统问题的总体规划、分步实施的方法和策略。这种思想、方法和策略的实现要通过以下几种技术的综合运用,包括定性定量相结合、专家研讨、多媒体及虚拟现实、信息融合、模糊决策及定性推理技术和分布式交互网络环境等。这几种技术中的每一种只能从某个侧面解决复杂巨系统问题,而它们的综合运用是研究复杂巨系统问题的有效途径之一。
从定性到定量、综合集成、研讨是系统实现的三个关键主题。从定性到定量就是把专家的定性知识同模型的定量描述有机地结合起来,实现定性变量和定量变量之间的相互转化。对于复杂巨系统问题,需要对各种分析方法、工具、模型、信息、经验和知识进行综合集成,构造出适于问题的决策支持环境,以利于解决复杂问题。对于结构化很强的问题,主要用定量模型来分析;对于非结构化的问题,更多地是通过定性分析来解决;对于既有结构化特点、又有非结构化特点的问题,就要采取紧耦合式的定性定量相结合的方式。综合集成是指集成系统的各种资源,包括专家群体头脑中的知识、系统中的模型库、数据库和知识库。这里的研讨是指分析问题人员的群体协同工作,充分利用定性定量模型和数据库等工具,实现人机的有机结合。研讨过程既是分析人员的知识同计算机系统的数据、模型和知识的不断交互过程,也是研讨人员群体智慧的结合和综合。这样,即可实现定性定量的
综合集成研讨。
三、从定性到定量综合集成研讨厅
从定性到定量综合集成研讨厅就是要把人脑中的知识同系统中的数据库、模型库和知识库等有关信息结合起来。系统提供分布式的专家研讨环境,专家可在不同的用户终端上发表见解,对其他专家的意见进行评价;还可在用户终端进行必要的数据信息查询,以获得问题的背景信息;并可利用研讨厅提供的统一的公用数据和模型,对参加研讨的局中人的决策后果进行评价或判断。
研讨厅有以下两种工作方式:
(1)通用研讨 该方式的功能是,针对一般性的专家研讨会,在计算机上实现系统分析领域的一般分析方法,以及模糊决策、人工智能的理论方法等,并汇总专家意见,提高了专家研讨会的质量和效率。它能在资源共享的网络环境中主持会议、发表意见、查询和浏览专家的公开意见;实现发言内容的记录和显示;完成专家意见的收集和电子表决功能;并充分利用各种系统工程方法、信息资源、知识库、定性定量模型等。
(2)面向特定问题研讨 该方式利用研讨厅环境,针对某类应用问题,首先明确特定问题的解决步骤和方法,选择综合集成研讨厅的通用研讨功能和与此类问题有关的模型、数据、知识,建立并生成一个自主式的、人机交互的系统。
从支撑工具来看,主要有以下三种:①信息支持;②定量模型支持、定性模型支持;③知识支持。无论是通用研讨,还是面向特定问题的研讨,都需要这三种支撑工具。利用这些工具可以实现查询数据库中已有的信息,查询模型的运行结果和研讨的某些结果(查询内容包括用多媒体技术实现的各种信息),建立相关的研究领域知识,为有关的推理判断提供支持。
四、支撑技术
从定性到定量综合集成研讨厅是集计算机技术、决策技术、系统工程技术为一体的、跨学科的综合性研究领域。当今计算机技术、特别是两个M(Massively
Processing Technology,大规模并行处理技术;Multimedia,多媒体技术)和两个O(Object-Oriented
Technology,面向对象技术;Open System,开放系统技术)技术的迅猛发展,以及灵境(虚拟现实)、人工智能、通信、网络技术等的飞速发展,为研究复杂巨系统问题奠定了基础。
国外也在致力于研究只从定性或只从定量很难解决的问题。但由于世界观和方法论的不同,因此解决问题的途径不同,最终达到的效果也不同。
在80年代,美国很多学者及美国国防科学委员会先后批评过国防系统分析研究工作中的机械唯物论倾向和"专家治国论"学派的缺陷。
在此期间,美国有关专家也提出了几种弥补这种缺陷的办法:
(1)计算机支持的协同工作(Computer Supported Cooperative Work)
在计算机技术支持的环境中,一个群体协同完成一项共同的任务。发现冲突、解决冲突是协同工作的重要内容。从冲突到协调,是一个从不相容目标到相容目标的过程。
(2)群决策支持系统(Group Decision Support System)及组织决策支持系统(ODSS)和智能决策支持系统(IDSS)
它们是交互式的、以计算机为基础的决策支持系统,通过一个组的决策人一起协同工作,来促进非结构化问题的解决。
(3)电子会议系统(Electronic Meeting Systems)
强调会议过程的结构化与信息的结构化一样重要。它包含一些快速解决问题的工具,并使与会者充分交换信息,实现多媒体信息的快速传递。
从定性到定量综合集成研讨厅与上述三个研究领域都有一定的联系,但又有本质的区别。它们的共同点是面向群体,CSCW强调协同与冲突处理,GDSS强调利用数据库、模型库和知识库,EMS强调实时可视化信息共享。而从定性到定量综合集成研讨厅吸收了它们的优点。其最大的特点是,它是一个人机结合系统,专家群体头脑中的知识同系统中的数据、模型和知识结合,通过这些信息有机地相互作用,产生新的信息。专家群体既是信息的产生者,又是信息的接受者。
我们在理解钱学森先生的开放的复杂巨系统概念的基础上,以定性定量综合集成法的思想为指导,以系统工程理论和决策支持系统理论为基础,采用面向对象的设计思想,充分运用成熟的计算机技术、人工智能技术、分布式交互作用仿真技术、群决策支持系统技术、模型库管理技术、多媒体技术等多种信息集成处理技术,着重体现专家群体依据知识与经验的判断和计算机技术的结合,探索定性定量相结合的综合集成方法及途径,采取边建设边应用的办法,为研究复杂巨系统问题提供一个人机紧密结合的综合集成研讨及决策支持环境。
图1 各种支撑技术的相互关系图
从定性到定量综合集成研讨厅的核心支撑技术为:①分布式网络技术;②超媒体及信息融合技术;③综合集成技术;④模型管理技术和数据库技术;⑤人在回路中的研讨技术;⑥模糊决策及定性推理技术。如上图所示,分布式网络环境是研讨厅的支撑环境,各种系统都建立在它的基础上。模型库(MB)、数据库(DB)和知识库(KB)是系统各种资源的载体,它们集成了各种已有的信息、各种分析和解决问题的方法或算法,以及各种相关的规则、知识等。它们通过模型管理系统、数据库管理系统和知识处理系统进行访问、利用、综合和处理。在知识处理中用到模糊决策技术及定性推理技术、专家系统及Delphi等系统工程方法。回路中的人通过综合集成模块对各种资源进行处理、加工,然后把综合集成得出的信息送入信息融合模块,得出有用的、互相支持的信息,并通过多媒体及虚拟现实技术展现给回路中的人,回路中的人再利用研讨系统进行研讨。
五、原型系统
从定性到定量综合集成研讨厅系统不是一朝一夕能建成的。为了演示、验证理论方法及分析复杂巨系统问题,根据钱学森先生提出的定性定量综合集成思想,首先要完成从定性到定量综合集成研讨厅的原型系统。原型系统具备综合集成研讨厅的初步功能,涉及问题的范围相对窄一些,规模要小一些。先在集中地域建立网络结构,以此来证明从定性到定量综合集成研讨厅是研究复杂巨系统问题的有效方法。以后,在原型系统的基础上逐步扩展完善,在有关单位逐步建立地域分布的、功能更强的、涉及范围广的、规模更大的从定性到定量综合集成研讨厅体系。从定性到定量综合集成研讨厅原型系统的软硬件环境为:硬件上建立数台高档微机、Sun工作站和Vax6420互连的网络环境;网络采用客户/服务器工作方式;异种机之间采用TCP/IP
协议来实现系统的网络连接。在微机环境建立以Windows NT网络为基础的网络操作系统,能够灵活方便地使用Window
s和DOS应用程序;软件开发以Visual C、Visual B、C++和C语言为主,数据库采用Oracle、Foxpro开发。既为用户直接查询、检索提供资源,同时也用于模型的直接调用,以及装配研讨厅系统所需的多媒体软件、电子会议系统软件及专家系统开发工具等软件。
Sun工作站采用Unix操作系统、中文OpenWindows开发平台和Oracle数据库管理系统,开发环境用C++和C语言;Vax6420配有VMS操作系统和RDB数据库。
该项目的研究以解决实际问题为目的,主要的应用领域为:大型项目的综合论证、评估及决策;大型项目的费用、效能、进度和风险的综合分析。
从定性到定量综合集成研讨厅是我国专家、学者提出的一个新的研究领域,用以研究复杂的社会系统工程问题,对解决有关社会发展问题具有现实意义。原型系统的研究只是系统实现的开始,而且应该说是"一家之言",具体实现也不只一种方法。复杂巨系统问题的研究只能从一个又一个问题着手,使研究方法不断丰富完善。