翁文波院士信息預(yù)測理論和方法體系回顧

翁文波院士信息預(yù)測理論和方法體系回顧

翁文波是著名的地球科學(xué)家、石油科學(xué)家和預(yù)測專家，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界享有很高的聲譽。1966年3月8日,河北邢臺發(fā)生強(qiáng)烈地震。3月9日,翁先生接受周恩來總理的委托連夜去邢臺地震現(xiàn)場考察。4月27日,周總理召見李四光部長(地質(zhì)部)和翁先生,希望他們開展地震預(yù)測研究。1967年3月河北河間發(fā)生地震后,周總理又單獨召見翁先生,希望他在地震預(yù)測方面放“異彩”。翁先生牢記周總理的重托,此后28年,把全部精力用于地震、洪水、暴雨等嚴(yán)重天災(zāi)預(yù)測及信息預(yù)測理論的研究上,勇于破除傳統(tǒng)科學(xué)方法的局限,創(chuàng)立了以信息學(xué)為基礎(chǔ),以信息(秩序)為主要研究對象和核心的新的信息預(yù)測理論體系和方法,從而在天災(zāi)預(yù)測方面取得了重大突破性進(jìn)展,被譽為“當(dāng)代預(yù)測宗師”。黃汲清院士稱贊翁老“勇于創(chuàng)新、敢于超越的精神是他最突出的品質(zhì)?！北疚木臀汤蟿?chuàng)立的信息預(yù)測理論和方法體系作一簡要回顧,以對這位杰出科學(xué)家的緬懷和紀(jì)念。其五,關(guān)于預(yù)測的認(rèn)識預(yù)測就是事先估計。預(yù)測未來是人類各種智力探索中最神奇、最困難,也是最有用的事情?！胺彩骂A(yù)則立,不預(yù)則廢”。許多事情要能夠辦得較好,在于有一個切合實際的計劃,其中就有預(yù)測的成分。每個國家、每個單位、每個人都處于自覺或不自覺的預(yù)測之中。這是由于預(yù)測存在于人類社會活動的許多領(lǐng)域,事關(guān)國計民生,十分重要。人類為了生存和發(fā)展的需要,人們一直致力于預(yù)測科學(xué)的發(fā)展。翁老認(rèn)為:最大的科學(xué)問題就是預(yù)測和評估。應(yīng)用科學(xué)的基本理論信念,來進(jìn)行預(yù)測的可稱為科學(xué)預(yù)測?？茖W(xué)從幾百年前誕生以來,人們一直重視預(yù)測問題。如哈雷預(yù)測1758-1759年有一個彗星回歸。在他去世后十幾年,哈雷彗星果然如期來臨?，F(xiàn)代自然科學(xué)主要是通過分析、實驗、邏輯推理、數(shù)學(xué)方法來進(jìn)行預(yù)測。經(jīng)過幾百年努力,在許多領(lǐng)域中取得了輝煌成果。20世紀(jì)以來,在天災(zāi)預(yù)測中,主流學(xué)者應(yīng)用最多的方法是統(tǒng)計預(yù)測方法,如方差分析、時間序列分析、譜分析、濾波、多元統(tǒng)計分析等。國內(nèi)外對統(tǒng)計預(yù)測討論和研究很多,成為學(xué)術(shù)界應(yīng)用的主流。由于統(tǒng)計預(yù)測方法是對常態(tài)事件的預(yù)測,它對突變情況和異常事件的預(yù)測則難以奏效,因而對大地震等突發(fā)性災(zāi)變事件的預(yù)測成為世界性的老大難題。于是,在一些學(xué)者中形成了對地震預(yù)測的悲觀觀念,認(rèn)為地震是不能預(yù)測和預(yù)報的。從信息預(yù)測理論來看,這是由于他們在理論上局限于物理體系、抽象體系,在方法論上局限于統(tǒng)計預(yù)測方法,在哲學(xué)上局限于唯理性認(rèn)識。唯理者側(cè)重于講道理,從理論出發(fā),一種理論解釋一種現(xiàn)象。許多理論都要有一些假設(shè)。由于客觀事物的復(fù)雜性和多變性,假設(shè)成分越多,使用起來失真的東西越多,理論推出的結(jié)果與實際情況往往相差甚遠(yuǎn)。翁老認(rèn)為:理論錯了,再好的方法也等于南轅北轍。如果被認(rèn)為是很好的理論,但是不能夠解釋客觀存在的復(fù)雜事物,那就會得出“不可知(不能預(yù)測)”的看法。這顯然是違反認(rèn)識論的。因此,翁老提出“信息預(yù)測理論體系”,并指出:21世紀(jì)有可能把預(yù)測作為一門獨立的學(xué)問進(jìn)行研究,完整和科學(xué)的“預(yù)測學(xué)”,將是人類文化在信息時代的核心之一。信息預(yù)測理論的創(chuàng)新與發(fā)現(xiàn)翁老強(qiáng)調(diào):“創(chuàng)新在于重新認(rèn)識”。他的信息預(yù)測理論和方法都是對現(xiàn)有通用的基本概念和理論進(jìn)行重新認(rèn)識的結(jié)果。1.信息體系與認(rèn)識科學(xué)翁老針對目前預(yù)測科學(xué)在認(rèn)識論和科學(xué)方法論方面的局限,以及天災(zāi)預(yù)測的客觀實際,提倡用唯象的方法:強(qiáng)調(diào)從實際出發(fā),發(fā)現(xiàn)問題和解決問題;創(chuàng)造性地提出了認(rèn)識科學(xué)上的三個體系,即:抽象體系、物理體系和信息體系。并由此提出了信息預(yù)測科學(xué)理論。預(yù)測論的發(fā)展是建立在認(rèn)識論的假定下。在1988年的一篇論文中,翁老創(chuàng)造性地提出:認(rèn)識可劃分為三個層次的認(rèn)識體系。它們是:抽象體系、物理體系、信息體系。人類的認(rèn)識體系可劃分如下:其中抽象體系、物理體系是已被研究得較多的,而信息體系是由翁老首先提出的新概念。三個體系對事物的認(rèn)識有不同的標(biāo)準(zhǔn)。例如對數(shù)字的精度要求方面:抽象體系要求數(shù)值絕對精確,物理體系要求數(shù)值盡可能精確,信息體系對數(shù)值的要求是恰好滿足需要?！耙蝗~知秋”,一片飄落的黃葉就足以提供一種信息,用以預(yù)測秋天的將要到來。在1990年他強(qiáng)調(diào)指出:預(yù)測的基礎(chǔ)是認(rèn)識科學(xué)。認(rèn)識科學(xué)的基礎(chǔ)是認(rèn)識體系。2.ti-ty的統(tǒng)計說明翁老十分重視對數(shù)據(jù)的基本性質(zhì)的研究。他提出:數(shù)據(jù)是科學(xué)實驗的基礎(chǔ)資料,其中包含了認(rèn)識研究對象的信號。在進(jìn)行預(yù)測時,用什么數(shù)據(jù),選擇何種方案,都需要人的智能較多的干預(yù)。通過對數(shù)據(jù)基本性質(zhì)的研究,他提出了對有關(guān)實體、自然數(shù)、整數(shù)等基本概念的許多重要新認(rèn)識。物質(zhì)世界(至少它的一個局部)是由各種可數(shù)的結(jié)構(gòu)單元組成的。實體(enti-ty)都是可數(shù)的。一切實際存在的物體和一切發(fā)生的事件都由它們的基本單元組成,這些基本單元是可用自然數(shù)來數(shù)個數(shù)的。物體的基本單元有如:光子、電子、細(xì)胞、嬰兒、星球等。他們只能一個一個的存在,不存在半個,如半個電子或半個嬰兒都不可能存在。事件的單元有如:原子裂變、地震、暴雨、革命等。他們只能一次一次地發(fā)生,不能發(fā)生半次,如不可能發(fā)生半次裂變或半次革命。這些單元的數(shù)目都是自然數(shù),所以自然數(shù)可以看作是反映客觀世界本質(zhì)的一種重要的秩序,也就是信息。自然數(shù)加自然數(shù)仍是自然數(shù),因此,自然數(shù)表達(dá)的秩序不會因加法處理而失真。減法雖然是加法的反面,但自然數(shù)減自然數(shù)未必是自然數(shù)?？梢姕p法處理可能使自然秩序失真,但同時卻把自然數(shù)擴(kuò)張為整數(shù)。整數(shù)加、減整數(shù)仍是整數(shù)。整數(shù)所表達(dá)的秩序不因加、減處理而失真。和自然數(shù)一樣,整數(shù)也是反映客觀世界的一種重要秩序。翁老認(rèn)為:“在數(shù)學(xué)中越復(fù)雜的運算,假設(shè)的成分越多,使用起來失真的東西也越多,結(jié)果與實際情況也就相差甚遠(yuǎn)”。翁老提倡用唯象的方法:從實際出發(fā),發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。自然現(xiàn)象其客觀的實際,在對它進(jìn)行預(yù)測的過程中,必須盡量避免主觀因素的介入。3.信息的可公度性翁老把“信息”賦予新涵義。認(rèn)為信息是指信息體系中的元素、元素集和子體系,它表征系統(tǒng)的“序”的概念。翁老提出:自然數(shù)、整數(shù)的信息體系在自然科學(xué)中占有十分重要的位置。自然界中存在著由自然數(shù)或整數(shù)傳遞信息的某種秩序,且不會因加減法處理而失真?？晒刃允亲匀唤绲囊环N秩序,是系統(tǒng)的一類信息,它表達(dá)了系統(tǒng)元素中的可以共同度量的某種規(guī)律。許多客觀事物中都存在著可公度性。將可公度性用于信息研究中,這就把對信息、自然數(shù)、整數(shù)、有序的理論意義的理解提高到一個新的階段。翁老強(qiáng)調(diào):信息是體系中的“特性”或“差異”,正是統(tǒng)計量的反面,卻往往是認(rèn)識這一體系的主要方面。信息預(yù)測理論中所選用的可公度性并不是傳統(tǒng)意義上的模型。4.體系中各元素的之間的分類翁老認(rèn)為:依據(jù)所用的方法及其理論基礎(chǔ),目前一般預(yù)測,大體可分為兩類。一類是以體系中各元素的共性為依據(jù)的統(tǒng)計預(yù)測。另一類則是以體系中各元素的特性為依據(jù),與統(tǒng)計預(yù)測相區(qū)別的信息預(yù)測?！靶畔㈩A(yù)測”這一新領(lǐng)域的提出,包括一系列新概念。1統(tǒng)計量的取得和預(yù)測的基本原理翁老把客觀存在的事件劃分為兩類:常態(tài)子集和異態(tài)子集。常態(tài)子集的事件是一般、經(jīng)常、常規(guī)等有代表性的事件,它們的主要要素是統(tǒng)計量,如數(shù)學(xué)期望、方差、平均值、中位值等。取得這些統(tǒng)計量的理論是概率論和數(shù)理統(tǒng)計學(xué)。這一方法的指導(dǎo)思想是樣本(數(shù)據(jù))越多越好。因為樣本越多,其平均值越接近總體的均值,從而有較大的可靠性,容易得出有規(guī)律性的研究結(jié)果。異態(tài)子集的事件是異常、例外、特款等事件。它們的主要要素是信息,取得信息的理論是信息論。應(yīng)用這些原理和方法進(jìn)行預(yù)測的是信息預(yù)測。它屬于求異的方法,提取為數(shù)不多的有用信息,再用加減運算來表達(dá),這種方法可以較好地預(yù)測某些突發(fā)事件的發(fā)生。嚴(yán)重天災(zāi)是屬于異態(tài)事件,它的時空分布規(guī)律與常態(tài)事件有很大的區(qū)別。2數(shù)學(xué)方法的信息模型翁老區(qū)分兩類預(yù)測模型:一類是以體系中各元素的共性為基礎(chǔ)的統(tǒng)計模型;另一類是以體系中各元素的特性為基礎(chǔ)的信息模型。在數(shù)學(xué)方法中,翁老從以研究共性為主的統(tǒng)計學(xué)走出來,新開拓了以研究特性為主的信息學(xué)。翁老把信息預(yù)測定義為“否定隨機(jī)性為原則的信息預(yù)測”。信息預(yù)測是以研究對象中的特性為基礎(chǔ)的。對兩種方法的基本差別,翁老概括為:“從常態(tài)要素可作‘統(tǒng)計預(yù)測’,以知其大概。從異態(tài)要素可作‘信息預(yù)測’,以知其特性?！?“比”與“信息”的基本思路信息預(yù)測方法是從局部數(shù)據(jù)中進(jìn)一步(通過某種信息代數(shù)的方法)挑選其中有用數(shù)據(jù)(有時是少量數(shù)據(jù)),尋找對所需解決問題有用的信息,再以少量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。信息預(yù)測方法把整個運算的目標(biāo)集中在與預(yù)測的具體(個別)事件有關(guān)的研究或預(yù)測中。因此,其基本思路可概括為:從局部到個別的比較和分類的方法。在科學(xué)哲學(xué)中使用“類比”的方法與信息預(yù)測方法較為相似。兩者都是從局部到個別的推理方法,不受或少受已有理論框框的束縛。但是,類比是比較事物屬性的相似性,而信息預(yù)測方法則是比較事物關(guān)系的相似性(信息)。因此,信息預(yù)測是比類(類似于中國古代的“取象比類”),而不是類比。翁先生的大量預(yù)測實例,都是從實際情況里面找出信息來并作出預(yù)報的。當(dāng)然,他也不排除唯理的方法或者部分唯理、部分唯象的方法。例如,他提出的“生命旋回”模型,相當(dāng)成功地預(yù)測了世界油氣資源的年產(chǎn)量基值和發(fā)展趨勢。他的預(yù)測結(jié)論對世界各國的經(jīng)濟(jì)決策部門有重要意義(呂牛頓,2001)。信息預(yù)測理論的內(nèi)涵翁老的預(yù)測科學(xué)理論體系有自己特殊的哲學(xué)思想和學(xué)術(shù)思想,他的預(yù)測理論是以信息預(yù)測理論為核心的。信息預(yù)測理論是一個從信息涵義、信息代數(shù)、信息保真、信息預(yù)測方法到信息體系的自成系統(tǒng)的理論體系。信息預(yù)測理論不僅僅是一種方法,而是從人們認(rèn)識出發(fā),對認(rèn)識、知識、智能等進(jìn)行全面、深入思考后得出的一種新理論思想體系。這一理論的提出有大量預(yù)測成功的實例作為其牢固的基礎(chǔ)。1.信息的涵義和特征1948年信息論創(chuàng)始人美國數(shù)學(xué)家、電機(jī)工程師C.E.申農(nóng)把信息定義為信源的不定度。這個定義是建立在信源產(chǎn)生的消息具有隨機(jī)性的假定上,稱為概率信息,屬于統(tǒng)計信息的范疇。20世紀(jì)80年代哲學(xué)家們又提出廣義信息:信息是物質(zhì)和能量的時空分布的不均勻度。信息不是事物本身,而是事物的表征,表征事物的運動狀態(tài),物事之間的差異或相互關(guān)系的一種普遍形式。翁老對信息的涵義作了系統(tǒng)的考察,他沒有應(yīng)用申農(nóng)的狹義信息觀念,而把注意力放在上述的廣義信息上。他采用了不依據(jù)概率的信息涵義,并提出:信息是受人們主觀定義約束的秩序,是信息體系中的元素。單個人的信息思維,只有在傳播到其他人并為其他人所共同理解的條件下才成為信息的。由信息的涵義可知,信息預(yù)測覆蓋了預(yù)測中的廣大領(lǐng)域。統(tǒng)計預(yù)測僅僅是信息預(yù)測中的一個特款。2.信息體系的基礎(chǔ)翁老對信息體系下了定義:“信息體系是受人們主觀定義約束的秩序類。主觀定義的約束可以是:某種理解、信念、設(shè)想、定理、法則、規(guī)律、法律、契約、編碼等”。信息體系的基礎(chǔ)是:信息、知識和智能。信息體系不但承認(rèn)時間、空間和物質(zhì)的實體存在,并且承認(rèn)能發(fā)出、識別信息的人(或包括生物)和機(jī)器的實體存在,由于信息體系把人和機(jī)器包括到體系之中,問題就變得比較復(fù)雜。用抽象的術(shù)語來說明信息體系,那么信息可以看作為一個集合的元素。知識是公理的開拓。智能是信息集合的一切關(guān)系的集合。這一集合在人工智能術(shù)語上稱為“狀態(tài)”。3.信息是自然數(shù)和零的信息體系翁老從理論上對自然數(shù)、整數(shù)的實用意義進(jìn)行了深刻的論述。物質(zhì)世界是由各種可數(shù)的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的。自然數(shù)可以看作是反映客觀世界本質(zhì)的一種重要秩序,也就是信息。整數(shù)信息體系是從自然數(shù)和零的信息體系中擴(kuò)展出來的。整數(shù)本身就是信息,也可用來傳遞信息。整數(shù)所表達(dá)的秩序不因加法、減法處理使信息失真。整數(shù)集中的任意個元素互相加減,得出可公度性。4.浮動頻率信息保真說翁老很早注意到信息保真是天災(zāi)預(yù)測方法能否有效的關(guān)鍵問題之一。他在《論預(yù)測》中指出:對許多復(fù)雜的體系,往往得不到滿意的效果。有一個原因經(jīng)常出現(xiàn),那就是信息處理過程中信息失真問題。他認(rèn)為:理論上對無限連續(xù)函數(shù)有效的擬合方法,對現(xiàn)實的有限、離散數(shù)據(jù),必然導(dǎo)致失真。他對目前廣泛應(yīng)用的傅里葉級數(shù)存在的信息失真問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并提出浮動頻率方法來使頻率信息保真。數(shù)學(xué)中最基本的四則運算,從信息保真角度看,有不同的作用。翁老提出:除法操作容易引起信息失真,而加法操作則不會。因此,他發(fā)展的可公度式基本上沒有除法操作。他認(rèn)為:無論是微分還是高階差分都無法表達(dá)一個體系中的可公度性信息。5.型s1o2—預(yù)測過程:對預(yù)測過程提出科學(xué)界定翁老從理論上對預(yù)測過程進(jìn)行深入研究,作了科學(xué)界定。從體系Z(客觀世界中被主觀選取的一個局部)通過介體Y1(觀點)對Z的作用(O1)建立模型X1。再以模型X1為依據(jù),通過對實際資源的分析(O2)得到預(yù)測結(jié)論X2(圖1)。這一預(yù)測過程包括往返兩次信息過程,可用公式表示如下:每一預(yù)測可以有7種狀態(tài),只有其中之一是正確的,其他種都是信息失真,包括碰巧偶然正確和假正確。圖2被分割成7個區(qū),表示預(yù)測結(jié)果的7種情況:正確、偶然正確、假正確(應(yīng)預(yù)測而不預(yù)測)、一次一型錯誤、二次一型錯誤、一次二型錯誤、二次二型錯誤。依據(jù)這一分類,可用以設(shè)計出縮小失真的預(yù)測過程。預(yù)測過程可分解成三個相對獨立的組成部分:主過程、決策過程和估計過程。6.公度性方法、浮動頻率法翁老提出有創(chuàng)新特點的信息預(yù)測方法主要有:可公度性方法、浮動頻率法等。它們可應(yīng)用于微觀、宏觀、宇觀許多自然現(xiàn)象的科學(xué)研究中。其中被應(yīng)用最多的是可公度性方法。1從可公度性到普遍性面對天災(zāi)預(yù)測的科學(xué)難題,如果僅僅應(yīng)用國內(nèi)外已有的預(yù)測方法是難以解決的。翁老應(yīng)用的一個新方法是可公度性預(yù)測方法。這個方法具有計算簡單、直觀、有效的特點?！翱晒刃浴?Commensurability)最早是在天文學(xué)中被提出的,體現(xiàn)為行星繞太陽運動的平均距離的提丟斯—波特定則,它的形成機(jī)制尚無定論。翁老把可公度性應(yīng)用到預(yù)測科學(xué)中來,從理論和方法角度都大大地發(fā)展了可公度性,使其面貌煥然一新。可公度性方法的基本特點是:它是周期性的擴(kuò)張,與周期性有很大差別;它是一種從局部到個別的研究方法;它可使所研究的對象所包含的信息失真少;它基本上是一種唯象方法。可公度性概念沖破了傳統(tǒng)的周期性的框框約束,立足于從數(shù)據(jù)中提取非偶然性的信號,研究微弱信號,以預(yù)測大地震。翁老在1994年9月一次講話中提出“可公度性原則”這一原理。他說:如果一切實體的基本單位是可數(shù)的,那么,它們都具有可公度的特性。他提出了“實體(entity)”這一重要概念。一切實際存在的物體和一切發(fā)生的事件都由它們的基本單位組成,可用自然數(shù)來數(shù)個數(shù)的。如果用函數(shù)來表示實體,它將是離散的、不連續(xù)的,所以也是不可微的。這是“可公度性原則”的延伸。表1從翁老的著作中摘取了一部分應(yīng)用實例。由表1可見,可公度性廣泛存在于各種自然現(xiàn)象中,具有普遍性。應(yīng)用可公度性可大大有助于研究事物之間的復(fù)雜聯(lián)系。2浮動頻率的改進(jìn)翁老在20世紀(jì)70年代已發(fā)現(xiàn)被廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)方法傅里葉級數(shù)存在嚴(yán)重缺陷,主要是信息失真及高頻信號的漏失。他認(rèn)為18世紀(jì)法國科學(xué)家傅里葉提出傅氏分析時,由于受到當(dāng)時科學(xué)條件的限制(沒有高速計算機(jī)等),對頻率參數(shù)有基頻和倍頻的假設(shè),而且總是正整數(shù)。然而,客觀事物中的頻率并不一定如此,同一事物中可能存在完全獨立的頻率參數(shù),而且可能不是正整數(shù)。因此,1980年,他提出浮動頻率的概念,設(shè)計了浮動頻率多項式,并且將它作為信息保真的重要手段之一。浮動頻率法可以從自然現(xiàn)象中歸納出周期,并在天、地、生許多現(xiàn)象中存在。因此,它可部分地代替傅里葉級數(shù),并應(yīng)用到預(yù)測方法中,取得較好的效果,提高預(yù)測的成功率。3刑事金融資源量預(yù)測模型翁老在《預(yù)測論基礎(chǔ)》中指出:油氣資源的總量是有限的,油氣年產(chǎn)量的盛衰變化可以形象表示為有限體系中的一個生命旋回。它一方面隨著勘探程度的加深與時間變量T呈冪函數(shù)增長,另一方面又隨著剩余資源量的減少與時間變量T呈負(fù)指數(shù)衰減。因此,提出了一個預(yù)測油氣年產(chǎn)量基值Q的數(shù)學(xué)模型。這一模型后被趙旭東命名為翁氏旋回模型。趙旭東應(yīng)用翁氏旋回模型,曾對國內(nèi)外150多個油氣田今后年產(chǎn)量及最終可采儲量進(jìn)行過預(yù)測。計算結(jié)果表明,這些油氣田的以往實際產(chǎn)量與翁氏旋回模型的預(yù)測值之間的相關(guān)系數(shù),絕大多數(shù)都大于0.9;而正規(guī)開發(fā)的油氣田的相關(guān)系數(shù),一般都在0.95以上。自然災(zāi)害預(yù)測的量表翁先生運用他獨創(chuàng)的預(yù)測理論和方法,對各種自然災(zāi)害、社會問題和科學(xué)現(xiàn)象等進(jìn)行過廣泛的預(yù)測。例如,他于1984年提出的世界原油和天然氣年產(chǎn)量基值預(yù)測已經(jīng)為1984—1993年的實際產(chǎn)量證明是正確的,可以說是相當(dāng)精確的。對電子、中微子靜止質(zhì)量的估計精確到小數(shù)兩位(42.10±0.07eV);對太陽黑子極大發(fā)生的年月的預(yù)測值與實際發(fā)生