第8章模型庫及其管理系統(tǒng)

1、模型與模型庫的基本概念第第8章章模型庫及其管理系統(tǒng)模型庫及其管理系統(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 模型特點模型特點 模型群和模型體系模型群和模型體系 模型庫模型庫8.1模型與模型庫的基本概念2模型是以某種形式對一個系統(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驗法實驗法模型法模型法3模型是客觀世界的一個表征和體現(xiàn)，同時又是客觀事物的抽象和概括 模型比現(xiàn)實世界容易操作，尤其一些參數(shù)值的改變在模型中操作比在實際問題中操作更容易。 有些實際問題，很難、甚至根本不可能做實驗，通過建立模型可以克服這種困難，而且模型

2、比現(xiàn)實容易理解一些。 有些變量在現(xiàn)實中需要很長時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)約時間，降低費用。 可以通過模型進行靈敏度分析，以便看出哪些因素對系統(tǒng)影響更大。模型特點4分析研究對象建模者想象力、技巧和創(chuàng)造性模型知識外部環(huán)境內(nèi)部各要素之間的相互關(guān)系模型特點5模型群(1) 預(yù)測模型群(2) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型群(3) 數(shù)量經(jīng)濟模型群(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、評價該課題時，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個特點模型群和模型體系 7模型庫模型庫是提供模型存儲和表示模式的計算機系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，還包含一個以上適當(dāng)?shù)拇鎯δＪ竭M行模型提取、訪問、更新和合成等操作的軟件系統(tǒng)，這個軟件系統(tǒng)稱為“模型管理系統(tǒng)模型管理系統(tǒng)”。模型庫(model base)和模型軟件包(model package)的重要區(qū)別在于： 在模型庫中模型的存儲模式和求解過程并不相連，并不是為某一目的而建立的獨立程序及其集合，而是以基本模塊和基本要素為存儲單元的集合。從理論上講，利用這些基本單元，可以構(gòu)造任意形式和無窮多個模型。模型

4、庫 8基本單元采用不同的存儲方式，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)化的計算模型描述結(jié)構(gòu)化的計算模型 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、模型數(shù)據(jù)庫、用：參考數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫、用戶數(shù)據(jù)庫戶數(shù)據(jù)庫 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 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態(tài)生成8.2模型生存技術(shù)10u表示實體的控制變量y表示實體的觀測變量所謂建模就是根據(jù)u和y尋找實體的描述方式，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個主要的問題：(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)模型所得的計算值與實際的觀測值之間有時存在很大的差異，因此模型被否定 (3) 對于一個復(fù)雜的、綜合性很強的實體，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，在利用模型進行重大決策時，不愿意接收不理解其來由的建議和方案 (5) 建模方法中，有一種趨勢是用一組簡單模型來模擬復(fù)雜問題 (6) 一般來講，傳統(tǒng)的建模方法沒有使決策者和利用模型做決策的過程進行充分的交互 傳統(tǒng)建模方法及其缺陷 12模型生成技術(shù) 模型生成過程具有如下4個特點：(1) 模型

6、在系統(tǒng)內(nèi)的主要存儲方式是非程序式的(2) 在生成模型的過程中，采用定量建模和推理分析相結(jié)合的技術(shù)(3) 模型生成在人機交互中完成(4) 模型生成應(yīng)該是一個動態(tài)過程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)計框架環(huán)境時應(yīng)該考慮如下5個問題 交互方式模型表達方式定量計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 模型評價和結(jié)果檢驗 模型求解 報告輸出15模型生成的一般步驟舉例說明多目標(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模型的動態(tài)生成模型的動態(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)運動形態(tài)的過程。一般模型的動態(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，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、最好用人機交互來修改模型參數(shù)。 模型重構(gòu)(model restructure) 系統(tǒng)的環(huán)境變化和內(nèi)部因素的變化都會引起模型結(jié)構(gòu)的變化，這就涉及模型重構(gòu)的問題。 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算結(jié)果，而且還影響模型的推理分析。 模型的動態(tài)生成198.3模型管理技術(shù)模型管理系統(tǒng)的主要研究內(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。模型的存儲技術(shù)適用于整個管理過

9、程，并且與數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和知識表示技術(shù)兼容。系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶描述問題的性質(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中正確地使用模型。模型維護和集成技術(shù)可以擴展模型庫的適用范圍，即當(dāng)模型庫中沒有現(xiàn)成的模型接近新的問題性質(zhì)和環(huán)境條件，應(yīng)能構(gòu)造出符合問題條件的混合模型。模型生成技術(shù)應(yīng)為用戶提供足夠的建模知識和算法，在交互過程中完成對新問題性質(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用戶友好環(huán)境為生成模型和管理模型提供一個用戶友好環(huán)境的計算機軟件系統(tǒng)的計算機軟件系統(tǒng)。 21模型管理技術(shù)的發(fā)展過程子程序庫 模型軟件包 模型管理系統(tǒng) 人工智能管理方法 簡單復(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)）問題抽象模型生成模型體系的生成完善性檢查校驗驗證模型的使用生成一致性進入權(quán)模型選擇檢索聯(lián)合訪問238.4模型管理和數(shù)據(jù)管理的結(jié)合與結(jié)構(gòu) dss模型庫數(shù)據(jù)庫入機接口模型管理系統(tǒng)應(yīng)滿足以下4個要求(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，提供模型庫和數(shù)據(jù)庫之間的公共接口。(3) 能夠通過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)境中為多個用戶

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

12、問題域是無關(guān)第三代廣泛使用dbms管理復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫，模型和數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫管理語言結(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)有機地結(jié)合。減少重復(fù)、增強靈活性、 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：(1) 該關(guān)系模式可存儲在數(shù)據(jù)庫中，既可簡化模型檢索和存儲，又可簡化模型庫和數(shù)據(jù)庫的結(jié)合。(2) 高度模塊化，獨立于

13、模型的邏輯計算順序，邏輯計算層和物理計算工作的變化對這層影響很小。(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)就可通過輸入、輸出名檢索模型、運行模型，再把輸出值告知用戶。另外，還提供用戶一個模型目錄，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，由外部模式調(diào)用。 邏輯結(jié)構(gòu)層對模型的處理需兩種語言，即模型定義語言(mdl)和模型操縱語言(mml)。mdl定義模型的每個組成部分，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、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)物理計算物理計算工具庫中的每個工具都是獨立的模塊，工具之間不能相互通信，而是通過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，一般有兩個重要接口。一個是模式模型接口，它是外部模式和邏輯結(jié)構(gòu)之間的接