第8章模型庫(kù)及其管理系統(tǒng)

1、模型與模型庫(kù)的基本概念第第8章章模型庫(kù)及其管理系統(tǒng)模型庫(kù)及其管理系統(tǒng)模型生成技術(shù)模型管理技術(shù)模型管理和數(shù)據(jù)管理的結(jié)合與結(jié)構(gòu) 1 模型概念模型概念 模型特點(diǎn)模型特點(diǎn) 模型群和模型體系模型群和模型體系 模型庫(kù)模型庫(kù)8.1模型與模型庫(kù)的基本概念2模型是以某種形式對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的本質(zhì)屬性的描述，以揭示系統(tǒng)的功能、行為及其變化規(guī)律。模型概念邏輯推理法邏輯推理法實(shí)驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)法模型法模型法3模型是客觀世界的一個(gè)表征和體現(xiàn)，同時(shí)又是客觀事物的抽象和概括 模型比現(xiàn)實(shí)世界容易操作，尤其一些參數(shù)值的改變?cè)谀Ｐ椭胁僮鞅仍趯?shí)際問(wèn)題中操作更容易。 有些實(shí)際問(wèn)題，很難、甚至根本不可能做實(shí)驗(yàn)，通過(guò)建立模型可以克服這種困難，而且模型

2、比現(xiàn)實(shí)容易理解一些。 有些變量在現(xiàn)實(shí)中需要很長(zhǎng)時(shí)間才能觀察出它的變化情況，但用模型研究則很快看出變化規(guī)律，從而能最迅速抓住本質(zhì)特征。 用模型研究變量之間的關(guān)系，可以節(jié)約時(shí)間，降低費(fèi)用。 可以通過(guò)模型進(jìn)行靈敏度分析，以便看出哪些因素對(duì)系統(tǒng)影響更大。模型特點(diǎn)4分析研究對(duì)象建模者想象力、技巧和創(chuàng)造性模型知識(shí)外部環(huán)境內(nèi)部各要素之間的相互關(guān)系模型特點(diǎn)5模型群(1) 預(yù)測(cè)模型群(2) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型群(3) 數(shù)量經(jīng)濟(jì)模型群(4) 優(yōu)化模型群(5) 不確定模型群(6) 決策模型群(7) 系統(tǒng)綜合模型群模型群和模型體系 6模型體系是針對(duì)某一具體的系統(tǒng)工程課題，在利用模型技術(shù)分析、規(guī)劃、評(píng)價(jià)該課題時(shí)，它可以應(yīng)用不

3、同模型群中的模型，也可以應(yīng)用不同種類的模型，構(gòu)成了解決這一系統(tǒng)工程課題的模型體系。多層次性多形式多功能3個(gè)特點(diǎn)模型群和模型體系 7模型庫(kù)模型庫(kù)是提供模型存儲(chǔ)和表示模式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，還包含一個(gè)以上適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)模式進(jìn)行模型提取、訪問(wèn)、更新和合成等操作的軟件系統(tǒng)，這個(gè)軟件系統(tǒng)稱為“模型管理系統(tǒng)模型管理系統(tǒng)”。模型庫(kù)(model base)和模型軟件包(model package)的重要區(qū)別在于： 在模型庫(kù)中模型的存儲(chǔ)模式和求解過(guò)程并不相連，并不是為某一目的而建立的獨(dú)立程序及其集合，而是以基本模塊和基本要素為存儲(chǔ)單元的集合。從理論上講，利用這些基本單元，可以構(gòu)造任意形式和無(wú)窮多個(gè)模型。模型

4、庫(kù) 8基本單元采用不同的存儲(chǔ)方式，目前主要有以下3種。 模型的程序表示模型的程序表示：傳統(tǒng)的模型表示方法，適用于：傳統(tǒng)的模型表示方法，適用于描述結(jié)構(gòu)化的計(jì)算模型描述結(jié)構(gòu)化的計(jì)算模型 模型的數(shù)據(jù)表示模型的數(shù)據(jù)表示：參考數(shù)據(jù)庫(kù)、模型數(shù)據(jù)庫(kù)、用：參考數(shù)據(jù)庫(kù)、模型數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)戶數(shù)據(jù)庫(kù) 模型的邏輯表示模型的邏輯表示：確定輸入輸出之間的邏輯關(guān)系，：確定輸入輸出之間的邏輯關(guān)系，定量和定性描述定量和定性描述模型庫(kù) 9傳統(tǒng)建模方法及其缺陷模型生成技術(shù)模型生成的一般步驟模型的動(dòng)態(tài)生成8.2模型生存技術(shù)10u表示實(shí)體的控制變量y表示實(shí)體的觀測(cè)變量所謂建模就是根據(jù)u和y尋找實(shí)體的描述方式，即模型傳統(tǒng)建模方法及其

5、缺陷 11傳統(tǒng)的建模方法面臨6個(gè)主要的問(wèn)題：(1) 建模所必要的數(shù)據(jù)往往難于獲取，或者不能滿足建模的要求 (2) 根據(jù)模型所得的計(jì)算值與實(shí)際的觀測(cè)值之間有時(shí)存在很大的差異，因此模型被否定 (3) 對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的、綜合性很強(qiáng)的實(shí)體，建模工作十分困難 (4) 管理人員難于理解大型的復(fù)雜模型，因此往往不信任這種模型，在利用模型進(jìn)行重大決策時(shí)，不愿意接收不理解其來(lái)由的建議和方案 (5) 建模方法中，有一種趨勢(shì)是用一組簡(jiǎn)單模型來(lái)模擬復(fù)雜問(wèn)題 (6) 一般來(lái)講，傳統(tǒng)的建模方法沒(méi)有使決策者和利用模型做決策的過(guò)程進(jìn)行充分的交互 傳統(tǒng)建模方法及其缺陷 12模型生成技術(shù) 模型生成過(guò)程具有如下4個(gè)特點(diǎn)：(1) 模型

6、在系統(tǒng)內(nèi)的主要存儲(chǔ)方式是非程序式的(2) 在生成模型的過(guò)程中，采用定量建模和推理分析相結(jié)合的技術(shù)(3) 模型生成在人機(jī)交互中完成(4) 模型生成應(yīng)該是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程13模型生成技術(shù) dss所研究的模型生成環(huán)境并不是實(shí)體仿真環(huán)境的具體內(nèi)容，而是為了構(gòu)造仿真環(huán)境，在dss中應(yīng)該具備的條件和軟件框架，人們稱之為模型的框架環(huán)境。設(shè)計(jì)框架環(huán)境時(shí)應(yīng)該考慮如下5個(gè)問(wèn)題 交互方式模型表達(dá)方式定量計(jì)算能力推理分析框架框架環(huán)境的管理14模型生成的一般步驟模型生成經(jīng)歷的一般步驟系統(tǒng)分析確定模型的描述方式 參數(shù)設(shè)定 模型評(píng)價(jià)和結(jié)果檢驗(yàn) 模型求解 報(bào)告輸出15模型生成的一般步驟舉例說(shuō)明多目標(biāo)線性規(guī)劃模型生成系統(tǒng)構(gòu) 模型生

7、成系統(tǒng)工作流程 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊功能描述 模型生成系統(tǒng)工作流程 16模型的動(dòng)態(tài)生成模型的動(dòng)態(tài)生成：根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)因和外因變化修改模型，使之跟蹤系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形態(tài)的過(guò)程。一般模型的動(dòng)態(tài)生成包括仿真環(huán)境跟蹤、模型參數(shù)更新、模型重構(gòu)和推理調(diào)整等方面的內(nèi)容。 一般模型的動(dòng)態(tài)生成仿真環(huán)境跟蹤模型參數(shù)更新推理調(diào)整模型重構(gòu)17仿真環(huán)境跟蹤(tracing of simulation enviroment)模型的動(dòng)態(tài)生成仿真環(huán)境修改數(shù)據(jù)的增加或刪除描述解釋變量和參數(shù)的變化系統(tǒng)仿真模型的變化知識(shí)更新18 模型參數(shù)更新 當(dāng)系統(tǒng)的內(nèi)因或外因發(fā)生變化時(shí)，模型的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，僅變更模型的參數(shù)就可以了。在dss中，模型參數(shù)的修改

8、最好用人機(jī)交互來(lái)修改模型參數(shù)。 模型重構(gòu)(model restructure) 系統(tǒng)的環(huán)境變化和內(nèi)部因素的變化都會(huì)引起模型結(jié)構(gòu)的變化，這就涉及模型重構(gòu)的問(wèn)題。 調(diào)整推理(reasoning adjustment) 系統(tǒng)的內(nèi)因和外因發(fā)生變化不僅影響模型的計(jì)算結(jié)果，而且還影響模型的推理分析。 模型的動(dòng)態(tài)生成198.3模型管理技術(shù)模型管理系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容模型管理系統(tǒng)模型管理系統(tǒng)（model management system,mms） 模型管理技術(shù)的發(fā)展過(guò)程20mms功能要求 :模型表示方法可以將模型分解成基本單元，并能以知識(shí)的形式存在，使模型成為系統(tǒng)的一組共享資源。模型的存儲(chǔ)技術(shù)適用于整個(gè)管理過(guò)

9、程，并且與數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)和知識(shí)表示技術(shù)兼容。系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶描述問(wèn)題的性質(zhì)和環(huán)境條件選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ?模型應(yīng)用規(guī)則能保證用戶在模型庫(kù)中正確地使用模型。模型維護(hù)和集成技術(shù)可以擴(kuò)展模型庫(kù)的適用范圍，即當(dāng)模型庫(kù)中沒(méi)有現(xiàn)成的模型接近新的問(wèn)題性質(zhì)和環(huán)境條件，應(yīng)能構(gòu)造出符合問(wèn)題條件的混合模型。模型生成技術(shù)應(yīng)為用戶提供足夠的建模知識(shí)和算法，在交互過(guò)程中完成對(duì)新問(wèn)題性質(zhì)和條件的建模。模型管理系統(tǒng)（mms）mms為生成模型和管理模型提供一個(gè)用戶友好環(huán)境為生成模型和管理模型提供一個(gè)用戶友好環(huán)境的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。 21模型管理技術(shù)的發(fā)展過(guò)程子程序庫(kù) 模型軟件包 模型管理系統(tǒng) 人工智能管理方法 簡(jiǎn)單復(fù)雜

10、22模型管理系統(tǒng)的主要內(nèi)容模型管理系統(tǒng)模型規(guī)范建模操作運(yùn)行操作使用管理模型表示零值處理解釋系統(tǒng)（交互系統(tǒng)）問(wèn)題抽象模型生成模型體系的生成完善性檢查校驗(yàn)驗(yàn)證模型的使用生成一致性進(jìn)入權(quán)模型選擇檢索聯(lián)合訪問(wèn)238.4模型管理和數(shù)據(jù)管理的結(jié)合與結(jié)構(gòu) dss模型庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)入機(jī)接口模型管理系統(tǒng)應(yīng)滿足以下4個(gè)要求(1) 能支持各類用戶的不同要求，模型用戶可分為信息用戶(決策 者)、模型建立者、工具建造者三類，模型管理系統(tǒng)應(yīng)支持這三方面的用戶。(2) 系統(tǒng)應(yīng)能把模型和數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，提供模型庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的公共接口。(3) 能夠通過(guò)dss通用的用戶接口模塊同用戶通信。(4) 由于許多dss是在分布環(huán)境中為多個(gè)用戶

11、開(kāi)發(fā)，因此，模型共享就成為設(shè)計(jì)模型管理系統(tǒng)的一個(gè)重要方面。其中數(shù)據(jù)和模型接口最為重要在dss的開(kāi)發(fā)中，應(yīng)重點(diǎn)研究模型管理和數(shù)據(jù)管理的結(jié)合和實(shí)現(xiàn)24模型管理和數(shù)據(jù)管理的結(jié)合 從軟件設(shè)計(jì)的角度看，模型管理和數(shù)據(jù)管理有機(jī)結(jié)合 模型管理和數(shù)據(jù)管理的發(fā)展過(guò)程 25模型管理和數(shù)據(jù)管理的結(jié)合 特點(diǎn)缺陷第一代模型和數(shù)據(jù)在單獨(dú)的應(yīng)用程序中結(jié)合起來(lái)，程序員不僅要編制程序的計(jì)算過(guò)程，還要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并把兩者結(jié)合起來(lái)。效率很高 開(kāi)發(fā)模型費(fèi)時(shí)、昂貴，也難于維護(hù) 第二代利用應(yīng)用程序的公共計(jì)算過(guò)程，以程序包的形式收集，這些子程序包提供了統(tǒng)計(jì)和矩陣的運(yùn)算 。把計(jì)算工作可以看做一個(gè)函數(shù)模型的輸入轉(zhuǎn)化為解決問(wèn)題而用的輸出工具與

12、問(wèn)題域是無(wú)關(guān)第三代廣泛使用dbms管理復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)，模型和數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理語(yǔ)言結(jié)合在一起。 模型太多，這種方法的性能則不能令人滿意 第四代把模型和數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合。減少重復(fù)、增強(qiáng)靈活性、 模型共享26第四代模型管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)外部層 邏輯層 物理計(jì)算層 模型管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 27第四代模型管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)外部模式外部模式是輸入到輸出映射的邏輯表示，反映了信息用戶的視圖，用戶關(guān)心的是在有限輸入情況下可能的輸出input（模型名，輸入名）output（模型名，輸出名） 此種關(guān)系模式的優(yōu)點(diǎn)：(1) 該關(guān)系模式可存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，既可簡(jiǎn)化模型檢索和存儲(chǔ)，又可簡(jiǎn)化模型庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合。(2) 高度模塊化，獨(dú)立于

13、模型的邏輯計(jì)算順序，邏輯計(jì)算層和物理計(jì)算工作的變化對(duì)這層影響很小。(3) 用戶甚至可以不知道模型名就可以輸出信息，用戶通過(guò)用戶接口輸入數(shù)據(jù)、輸出定義名稱，這樣系統(tǒng)就可通過(guò)輸入、輸出名檢索模型、運(yùn)行模型，再把輸出值告知用戶。另外，還提供用戶一個(gè)模型目錄，用戶也可自選適宜的模型。 28第四代模型管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)反映了模型中用到的計(jì)算工具之間的邏輯關(guān)系，把模型的各元素合理地組織起來(lái)，由外部模式調(diào)用。 邏輯結(jié)構(gòu)層對(duì)模型的處理需兩種語(yǔ)言，即模型定義語(yǔ)言(mdl)和模型操縱語(yǔ)言(mml)。mdl定義模型的每個(gè)組成部分，包括模型名、輸入要求、輸出數(shù)據(jù)、工具和其他相連接的模型，mml涉及模型的操作，如建立、存儲(chǔ)、修改、增加、刪除、連接、使用等29第四代模型管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一個(gè)模型結(jié)構(gòu)如下所示：name:output: input: tool: model: begin use if then link else use(tool2)end 30第四代模型管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)物理計(jì)算物理計(jì)算工具庫(kù)中的每個(gè)工具都是獨(dú)立的模塊，工具之間不能相互通信，而是通過(guò)邏輯層和物理工具層的接口相連接。接口接口 第四代模型管理系統(tǒng)，不同層之間的接口起著重要作用，一般有兩個(gè)重要接口。一個(gè)是模式模型接口，它是外部模式和邏輯結(jié)構(gòu)之間的接