面向系統(tǒng)建模的模型集成
面向系統(tǒng)建模的模型集成* 唐錫晉** （中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院系統(tǒng)科學(xué)研究所， 100080） 摘要 本文簡述了模型集成有關(guān)的問題。模型集成是為了系統(tǒng)建模，其研究始于模型管理 ，但前者擴(kuò)展了后者的范圍，特別是在對復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)或環(huán)境問題建模時(shí)。怎樣 實(shí)現(xiàn)模型集成？本文總結(jié)了3種方法，自上而下，自下而上和系統(tǒng)方法。文章最后 并例舉目前比較常用的模型集成平臺和一些典型的模型集成的例子。 關(guān)鍵詞 模型 系統(tǒng)建模 模型集成 引言 使用模型就像找專家咨詢來幫助解決問題。當(dāng)問題既不尋常又少見，有必要尋求多方 意見而綜合考慮，這是對系統(tǒng)建模中模型集成的一個(gè)很通俗的解釋。規(guī)范一些，系統(tǒng)是 一些對象或部件如人、資源、概念或者過程的集合，以完成某些功能或者達(dá)到某個(gè)目標(biāo) 。模型是有關(guān)一個(gè)系統(tǒng)、理論或現(xiàn)象的一個(gè)概要性的描述，它闡明已知或可推出的性征 以用于深入的研究。在分析問題時(shí)，常需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)或多個(gè)模型，特別是對于復(fù)雜的問 題。多個(gè)模型的組織是模型集成所考慮的問題。但模型集成不僅僅囿于單純地建立模型 間的連接，它與系統(tǒng)建模過程緊密聯(lián)系。關(guān)于模型集成的研究因領(lǐng)域人員對模型的理解 而有所不同，尤其體現(xiàn)在運(yùn)籌/管理科學(xué)和信息系統(tǒng)領(lǐng)域人員對此問題的認(rèn)識上，實(shí)際表 現(xiàn)為對模型與知識的區(qū)別。從知識工程來看，知識可定義為一種模式(pattern)，而模型 是一種特殊形式的模式。知識表達(dá)可以是專家系統(tǒng)知識庫中的邏輯形式，亦可以是各種 分析形式的表達(dá)。從其他領(lǐng)域，特別是運(yùn)籌與管理領(lǐng)域，則持相反的觀點(diǎn)，認(rèn)為模式是 一種特殊形式的模型[1]。關(guān)于知識與模型的爭論始終持續(xù)著，這也反映在決策支持系統(tǒng) 的發(fā)展上。DSS最初是基于模型的，有優(yōu)化模型、仿真模型、啟發(fā)式模型、其它的描述型 模型、預(yù)測模型等等。模型的增多，就有一個(gè)管理以提高效率的問題。20世紀(jì)70年代中 期數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展開始成熟，人們借鑒數(shù)據(jù)管理上的方法實(shí)現(xiàn)模型管理。由于數(shù)學(xué)模型 的結(jié)構(gòu)不能顯性表達(dá)，簡單套用數(shù)據(jù)管理的方法實(shí)現(xiàn)模型管理有很大的局限，因?yàn)榻?是復(fù)雜的、迭代的過程，于是發(fā)展了支持建模過程的模型管理。建模過程包括識別問題 、創(chuàng)建、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證、求解、分析和維護(hù)模型等任務(wù)，支持建模過程即提供相應(yīng)的工具 ，這些工具有任務(wù)表達(dá)的語言并能執(zhí)行完成任務(wù)的操作。而具體實(shí)現(xiàn)時(shí)“模型集成”被視 為創(chuàng)建模型的一個(gè)目標(biāo)。 關(guān)于模型管理的一些代表性的綜述，較早的有Elam和Lee主編的1986年在Decision Support Systems第2卷第1期對過去6、7年研究的思考和今后研究的展望[2]，之后有Shetty, Bhargava和Krishnan等主編的Annals of Operations Research1992年的一期專集[3]，Blanning主編的1993年Decision Support Systems的一期專集[4]，正是6、7年前展望的一些成果。最新的一篇綜述由Krishnan和 Chari所著，2000年在網(wǎng)絡(luò)雜志Interactive Transactions of ORMS上發(fā)表 [5]。93- 94年間涌現(xiàn)了大批有關(guān)模型管理的文獻(xiàn)，體現(xiàn)了該領(lǐng)域的豐富成果。而模型集成逐漸不 再視為模型管理的一支，它已涵蓋模型創(chuàng)建任務(wù)中的所有問題。但自那以后直到2000年 的6、7年間很少有深刻或全面的文章，研究似乎處于低潮。實(shí)際上，深入的研究走向?qū)?理論研究成果應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性，涌現(xiàn)了一批面向特定領(lǐng)域或問題的建模支持軟件。 另一方面，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自90年代以來的迅猛發(fā)展為模型集成與管理帶來了新的機(jī)遇和挑 戰(zhàn)，如分布式技術(shù)。 本文集中討論模型集成，它源于考慮這樣的問題：面對新問題沒有現(xiàn)成模型時(shí)，系統(tǒng) 建模者如何利用已有資源（模型和經(jīng)驗(yàn)）而構(gòu)建一個(gè)關(guān)于問題的描述模型，以深入探索 ？ 模型集成與集成式建模環(huán)境 1 模型表達(dá) 在過去的十幾年間模型管理的主要成就體現(xiàn)在模型表達(dá)，有三個(gè)主要流派：結(jié)構(gòu)建模 、邏輯建模和圖建模。結(jié)構(gòu)建模(structured modeling)是一種基于圖論的標(biāo)準(zhǔn)的描述型模板，它擴(kuò)充了數(shù)據(jù)庫技術(shù)中的語義數(shù)據(jù)模型 以描述數(shù)學(xué)模型中的復(fù)雜性[6]。結(jié)構(gòu)建模允許用戶在不同的抽象層面上以圖形、文本或 代數(shù)形式察看模型。邏輯建模(logic modeling)是人工智能和數(shù)學(xué)規(guī)劃的一種結(jié)合，主要是應(yīng)用一階邏輯表達(dá)模型知識[7]。 圖建模(graph grammars)將模型比喻為圖，從而提供了一種形象化的模型表達(dá)方式[8]。這種描述和操 縱模型的方式在使用可視化程序設(shè)計(jì)技術(shù)時(shí)特別有利于模型的實(shí)現(xiàn)。這三種模型表達(dá)方 式相互借鑒，相互融合也是模型表達(dá)重要的研究領(lǐng)域[9,10]。 2 集成方式 模型集成有兩類廣泛的議題，即結(jié)構(gòu)(scheme)集成和過程(process )或求解器的集成[11]。這是從技術(shù)角度根據(jù)傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語言考慮的。結(jié)構(gòu)集成指合 并兩個(gè)模型的體系以創(chuàng)立一個(gè)新模型。過程集成指求解過程的連接；簡單地可理解為一 個(gè)模型的輸入是另一個(gè)模型的輸出，問題是求解過程的組織序列是否可以推理出來。這 里值得研究的問題很多，如化解沖突、模型表達(dá)、求解控制等。這時(shí)模型不再被視為黑 盒子，而是玻璃盒子。允許訪問模型的全部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是極為復(fù)雜的。目前有關(guān)研究主 要在化解沖突和模型表達(dá)上。給定模型結(jié)構(gòu)變化的范圍，人們怎樣才能判定集成的模型 是有效的？在這方面最著名的工作是Geoffrion的結(jié)構(gòu)建模。文[11]則是過程集成方面的 先驅(qū)性的工作，其中也討論了從組織視角和實(shí)現(xiàn)視角等方面的考察。當(dāng)一個(gè)組織有模型 集成的動(dòng)機(jī)時(shí)一般立足于戰(zhàn)略性建模，因?yàn)橛行У膽?zhàn)略規(guī)劃需要集成有關(guān)特定功能和操 作的各種模型，如后勤管理系統(tǒng)中的復(fù)雜操作。而實(shí)現(xiàn)視角則關(guān)注于面向?qū)ο蟮募墒?建模環(huán)境。不過目前大多數(shù)的理論研究集中于技術(shù)角度。 Geoffrion從結(jié)構(gòu)建模的角度對應(yīng)于結(jié)構(gòu)/過程集成對模型集成方式作了一種劃分：縱 深(deep)集成和功能(functional)集成[12]?？v深集成合成兩個(gè)以上的模型以創(chuàng)建一個(gè) 新的模型；新模型采用同樣的表達(dá)方式。功能集成并不產(chǎn)生同樣表達(dá)方式的新模型。通 過疊加一個(gè)計(jì)算議程而協(xié)調(diào)模型的運(yùn)算，議程規(guī)定了如何實(shí)現(xiàn)功能集成。典型的如指定 某些已有模型的輸出是另外一些模型的輸入但需要明確模型運(yùn)算的順序。 區(qū)分這兩種集成很重要，更重要的是辨明什么需要集成。Geoffrion解釋了四種層次 的模型抽象：模型實(shí)例(instance), 模型類(class), 模型或問題模板(paradigm)和模型領(lǐng)域(tradition)[13]。如一個(gè)傳統(tǒng)的運(yùn)輸模型可視為 Hitchcock -Koopmans運(yùn)輸模型類的一個(gè)實(shí)例，后者又是運(yùn)籌/管理領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)流建模問題；其他一 些相關(guān)的建模領(lǐng)域可能包括數(shù)據(jù)庫管理和人工智能。以下為10種可能的集成類型（其中 兩個(gè)指兩個(gè)或兩個(gè)以上）： 1) 兩個(gè)建模領(lǐng)域的接合； 2) 一個(gè)建模領(lǐng)域中兩個(gè)問題的接合； 3) 不同建模領(lǐng)域中兩個(gè)問題的接合； 4) 同一領(lǐng)域同一問題的兩個(gè)模型類的接合； 5) 同一領(lǐng)域不同問題的兩個(gè)模型類的接合； 6) 不同領(lǐng)域和問題的兩個(gè)模型類的接合； 7) 同一領(lǐng)域同一問題同一模型類的兩個(gè)模型實(shí)例的接合； 8) 同一領(lǐng)域同一問題不同模型類的兩個(gè)模型實(shí)例的接合； 9) 同一領(lǐng)域不同問題的不同模型類的兩個(gè)模型實(shí)例的接合； 10) 不同領(lǐng)域的不同問題的不同模型類的兩個(gè)模型實(shí)例的接合； 其中類型（1- 3）的集成由于涉及建模領(lǐng)域和問題的混雜屬于病態(tài)結(jié)構(gòu)問題，只有當(dāng)其他類型的集成討 論清楚后才好深入討論。顯然，4
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