环境决策支持系统术基础之三模型与知识

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1、环境决策支持系统技术基础之三 模型与知识北京大学环境工程系 2007年4月交通导航辅助决策系统n数据库 基础信息、路网信息、公交系统信息、历 史路况信息、路况实时信息n方法库 最短路径算法、空间Buffer方法等n模型库 针对不等交通方式的交通方案生成与评估 模型等交通导航辅助决策系统与模型模型: 提供方案生成和选择的功能模型与模型库系统决策对模型管理系统的要求 n模型库技术要求为存储量小，组合方案多。 与建模者的素质要求相矛盾。n决策问题难以预见性，不可能预建完整的模 型。建模过程与决策过程相伴随。n建模支持的目标：使决策者成为建模者。n建模支持的方法：通过对模型的有序管理和 对决策者的训练

2、和启发，将其领域知识转变 为模型。模型分类及其描述方法 n 模型是客观事物在建模者主观认识上的反映。 从建模支持的角度看模型的分类。 管理形式基本模型启发 存储空间特征关系建模 以多维基本特征坐标构成形式空间，进行模型分类管理 。 以基本特征形成模型间的关系纽带，进行建模启发。 模型分类及其描述方法 n特征变量可分为：定类、定量、结构化图序集。n其中定类变量为无序变量，定量变量为全序变量 ，结构化图序变量可分有序与无序。 例：图形有 细 多边形 卵形序 化三角形四边形 圆 椭圆正三角 直三角 矩形 棱形无序 有序关系形成粗化与细化 的启发，无序关系形成类 比启发。宏观与微观，定 性与定量均是粗

3、、细化关 系。 模型的粗（细）化变换 n有序关系形成粗化与细化的启发，无序关系形成类比启发。宏观与微观， 定性与定量均是粗、细化关系。n粗化归纳推理过程。n细化演绎推理过程。建模方法n建模的理想方法：分析问题概念集（论域）内的全 部元素的变化规律，及它们之间的关系，并描述之 。n建模的实用方法： 分析问题的若干典型元素 假设（默认）模型（建模 启发） 更新模型。 n启发式建模方法：模型由若干算子（元模型）组合 而成，算子的可用条件为P（前提）。启发规则：IF 现问题状态结构与P相匹配， THEN 应用算子OP，并将其变量限于B（定义域）。 建模方法n启发最终成立的判断准则：可否达到最终目标n对

4、问题求解器的一般化讨论 ：模型是对复杂对象的简化描述，简化必存在前提条件，即作假设前提的匹配 ；在满足前提的情况下进行模型搜索选择，即作输出输入的匹配。输出输入匹配过程可有下述情况： 建模方法输出输入匹配过程可有下述情况： 模型方案选择-不确定证据处理 模型库子系统（1） n现实数据表示的是过去已经发生了的事实，因此数据必然是面 向历史的。我们利用各种模型，就可以把面向过去的数据变换 成面向现在或者将来的有意义的信息。在DSS中，决策支持模 型体现了管理者解决问题的途径，所以随着管理者对问题认识 程度的深化，他们所使用的模型也必然会跟着产生相应的变化 。模型库子系统应能够灵活地完成模型的存储和

5、管理功能。n模型库子系统包括模型库（MB）和模型库管理系统（MBMS）， 它是决策支持系统的核心，是最重要的也是较难实现的部分。n模型库管理系统管理的模型有两类：一类是标准模型（如规划 模型、网络模型等），这些模型按照某些常用的程序设计语言 编程，并存在库中。n另一类是由用户应用建模语言而建立的模型，即使是标准模型 也有个再开发的过程模型库子系统（2）n模型不同于数据，模型库也不同于数据库。如何表示模型，如何组织模型库， 模型库管理系统的功能要求有哪些，这些问题是决策支持系统开发的关键。目 前尚未出现成熟的商品软件，也没有关于模型库系统的统一标准，模型库系统 的开发是由研制者自行完成的。n模型

6、种类很多，有数学模型、数据处理模型、智能模型、图形模型、图像模型 等。数学模型可以用数学方程形式表达，也可以用算法形式描述。数据处理模 型一般用数据处理过程来说明。它们在计算机中均以计算机程序的形式表示。 而图形、图像模型等在计算机中都是以数据文件形式表示。模型库既包含数据 文件，又包含程序文件，需要设计统一的格式进行存储，以便使模型库管理系 统对它们进行有效的管理。n模型库管理系统可以参照数据库管理系统的功能，如库的建立、模型的查询、 增加、删除、修改等。由于模型比数据复杂，模型库比数据库复杂得多，模型 库管理系统的功能相应地也复杂许多。n数据库管理系统是通过数据库语言来完成各项管理功能，模

7、型库管理系统同样 需要设计一套语言来完成模型库的各项管理功能，模型库语言比数据库语言复 杂。模型库子系统（3）n模型库管理系统支持决策问题的定义和概念模型化、维护模型 ，包括联结、修改、增删等。n模型库子系统与对话子系统的交互作用，可使用户控制对模型 的操作、处置和使用；n它与数据库子系统交互作用，以便提供各种模型所需的数据， 实现模型输入、输出和中间结果存取自动化；n它与方法库子系统交互作用，实行目标搜索、灵敏度分析和仿 真运行自动化等。n模型库子系统的主要作用是通过人机交互语言使决策者能方便 利用模型库中各种模型支持决策，引导决策者应用建模语言和 自己熟悉的专业语言建立、修改和运行模型。环

8、境模型规范化 n环境方面的各种模型在EDSS中起到极 为重要的作用，因此，充分、高效利用 模型库中的模型就显得尤为重要。为了 实现对模型库中诸模型实体及描述信息 的统一、规范化管理，避免模型库中的 模型相互重复、使用率不高和难于共享 的缺点，就必须模型标准化，使环境影 响评价中的各种模型有统一的格式、表 达方式、结构和要求。 模型库及其管理系统 n模型库是模型模块的集合。每一个模块具有单独的 功能，也可能与其它模块组合成一个较大的模块。nEDSS采用可二级框架结构来描述每一个模型，n第一层框架结构主要描述模型的外部特征，包括模型名、 类型、用途、可执行文件名、模型的实体参数，如输入项 、输出项

9、、约束条件等，n第二层框架结构主要描述模型的运行环境，包括输入、输 出数据文件的类型以及是否需要预处理，模型主体以可执 行文件的形式存在于文件中。n模型库管理功能包括模型库维护、模型操纵和模型 结果显示等功能。模型n模型是客观系统在人们头脑中的简化描 述，是对问题领域中的实际问题的抽象 。它的信息表示形式可以是一组相互关 联的数据，或者是表达式、方程组、规 则、关系、程序模块。模型 n数值模型的形成是随计算机模拟技术的发展而来的 。计算机模拟是将一个子程序进程视为模型，设置 模型的各种参数变量，通过运行模型来观察模型的 各种行为。随着计算机模拟技术的深入应用，形成 了模拟系统。模拟系统是用来处

10、理模型集合的软件 系统，提供通用的数据输入和报表格式。模型的建 立在整个模拟系统研制中所投入的精力占的比重过 大，模型相互重复、使用率不高的现象比较严重。 在很多情况下，模型都是被作为应用程序的组成部 分，嵌入应用程序，在这种管理下的模型，其共享 性和灵活性较差。模型库及其管理系统 n随着应用模型的需求量不断增大，为了更有 效地管理和使用模型，提出了模型库系统的 概念。关于模型的管理经历了以下三个发展 阶段：n第一阶段：模型数据n第二阶段：数据库系统 模型软件包n第三阶段：模型库系统 数据库系统模型库及其管理系统 n第一阶段的特点是模型和数据无公用性，使 模型的应用受到很大限制；n第二阶段以数

11、据库系统的引入为特点，但缺 乏对大批模型的有效管理，不利于用户选择 自己需要的模型；n第三阶段实现了数据库和模型库两者之间的 通讯，减少了模型存储的冗余度，为模型的 操纵提供了良好的环境，使模型应用的灵活 性大大加强。模型库及其管理系统 n通常认为模型库系统是由模型构件库、应用模型 库、模型库管理系统及综合环境这四部分组成。模型库及其管理系统 n模型构件库存贮通用的、规范的、可重用的、标准化的“原子” 模型；n应用模型则是用户自己开发的、针对某些具体问题的模型集。 它由代码库、源库、模型属性库以及应用模型库索引四部分组 成，其中代码库和源库属于子程序级的文本库，前者存贮模型 的执行代码，后者存

12、贮模型的源代码，考虑到应用模型的复杂 性和可执行代码和源代码在操作系统中均以文件方式管理的特 点，故代码库和源库均可以以软件包形式管理，以便充分利用 操作系统的文件管理功能，n属性库和库索引文件则引入关系的概念，将模型属性及库说明 以关系方式存于各自的库中，通过对属性库和索引库的操作进 入相应代码库中的相应地址，从而可执行所选的模型，应用模 型库中的层次结构见图。模型库及其管理系统 模型库及其管理系统 n模型库管理系统是管理、维护和操纵模型构件库和 应用模型库两库的软件集。它们集成于综合环境之 内，以提供友好的用户界面；n综合环境是模型库系统的运行环境，由模型库管理 系统和构模工具等组成，是模

13、型库系统的用户界面 。模型库系统的功能应具备下列功能 。n（1）辅助规划与决策。n（2）构造新模型。根据用户自己的目标制定分目标，利用 构模工具和模型构件库构造用户自己的模型。n（3）模型库的维护。 模型的管理 n（一）关系方法：当今模型管理的一个主要特征是 借用数据库管理的理论和方法，将其扩展到模型管 理；一个模型库管理系统首先必须具有类似于数据 库管理系统的功能。R. W. Blanning提出了模型管理 的关系方法。它不将模型视为一计算过程，而是视 为一个关系，其属性分别为输入、输出变量。关系 作为模型的一种表示方法，特别是作为用户视图中 的模型，可大大地方便非专业用户；而且由于它和 关

14、系数据库的表示方法一致，人们可集中管理数据 和模型。关系方法提供了一个一致的用户使用界面 。 模型的管理n（二）E-R方法：R.W.Blanning继提出了模型 管理的关系方法后，又将数据库中的E-R方法 加以扩展，将模型及其存贮的数据视为互补 资源，利用E-R方法共同管理。与关系方法不 同，E-R方法提供了一种全局视图。E-R方法 中，以实体集表示客观世界的实体集合，有 关它们的数据保存于文件中，一个实体集对 应于一个文件；实体类表示物理客体或相对 于模型的过程，更明确地说，实体集与文件 对应，实体类与模型对应。E-R方法提供了一 个良好的全局视图。模型的管理n（三）抽象表示方法：模型抽象类

15、似于程序 设计语言中的数据抽象，它包括客体、过程 和断言三个部分。数据客体部分列出构成模 型的所有数据项及其类型，类型本身可以是 另一个抽象表示；过程部分列出每一个过程 、它所访问的数据、返回的结果；断言部分 表示有关数据客体、过程及其相互关系的一 些信息。数据项、数据类型、过程及断言均 采用谓词形式。抽象表示方法提供了一个良 好的全局视图 。模型的管理n（四）视数据为模型：将数据视为模型，这 样做不仅扩大了模型管理的范畴，也为模型 管理提供了一个更一致的概念基础。组织上 ，将模型从软件包的形式化模拟转换到将模 型作为一个与数据相关联的信息资源来管理 ，引入信息管理员的概念；技术上，有一个 一

16、般化的模型库管理系统来支持组织模拟活 动。将数据视为模型的确扩大了模型管理的 范畴。将数据视为模型为实现数据和模型的 一致管理提供了良好的途径 。模型库中模型的构造 模型库功能简述模型库功能n1、模型查找：用户或决策者给出要查 找的模型名，系统自动找出该模型所属 的数据库，进而可以查找该模型的相关 信息。用户或决策者可以进行匹配查询 ，输入不完整的模型名，系统也能找到 与不完整的模型名相匹配的相关模型的 相关信息。模型库功能n2、模型运行：用户或决策者选择合适的模型 后，进行参数选择和参数值的确定，从数据 库和标准库中读出合适的数据转存为文本文 件（如果数据库中存在无实测值、无资料等 情况时，系统能进行插值或由用户或决策者 临时确定该值，然后转储为文本文件。可以 这样认为：文本文件中的数据是经过处理后 得到的完整的、正确的、模型运行所需的数 据。），运行模型时，从文本文件中得到数 据从而得到模型的计算结果。模型的计算结 果既可以用表表示，也可以用图表示