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定性仿真理論及其應用
摘要： 本文首先介紹了定性仿真的產生背景及理論發展狀況，然后說明了定性仿真在各領域的應用情況，最后對定性仿真的發展方向進行了探討。
關鍵詞：定性仿真，定性模型
1 定性仿真的產生與理論現狀
定性仿真(Qualitative Simulation)是以非數字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結果輸出等仿真環節，通過定性模型推導系統的定性行為描述。定性仿真是系統仿真的一個分支，是系統仿真與人工智能理論交叉產生的新領域。相對于傳統的數字仿真，定性仿真有其獨到之處：這種仿真能處理多種形式的信息，有推理能力和學習能力，能初步模仿人類思維方式，人機界面更符合人的思維習慣，所得結果更容易理解。
定性仿真的研究中，美國學者起步較早。70年代后期，美國XEROX實驗室的John de Kleer 和Seely Brown 在設計一個電路教學系統時發現，以常規的數學模型和仿真方法難以使學生很快明白電路的工作過程，而在實際教學中，老師并不是先給出數學公式，而是先講解電路的工作原理，采用定性的描述方法，那么是否可以用計算機來模擬這一方法呢？同樣在許多的實際工作中，人們更多的是依靠這種對系統原理性的理解，而這種理解的基礎就是定性知識。很多專家學者開始探索如何在數字仿真中引入定性知識。
1983年，John de Kleer 和Seely Brown發表了有關定性仿真的第一篇論文A Qualitative Physics Based On Confluence?，產生了巨大反響，揭開了定性仿真研究熱潮的序幕。美國麻省理工學院的Kenneth D. Forbus則對定性仿真理論作了全面的總結；1986年美國德州大學的Benjamin Kuipers在 Qualitative Simulation”一文中提出了動態仿真算法QSIM，使定性仿真接近于實用。1984年人工智能雜志第一次出版了關于定性問題的專集。此后定性問題的研究成為人工智能和系統建模與仿真領域的一個熱點，許多學者加入到這一研究領域中，產生了大量的研究成果。1991年，人工智能雜志又出版了有關定性推理的第二本專集，標志著該領域理論研究逐漸成熟并且向應用領域擴展。90年代以來，該領域的研究情況可謂方興未艾，在IEEE的相關雜志上和撊斯ぶ悄軘等國際刊物上經常可以看到定性仿真方面的研究成果。國內該領域的研究起步較晚，目前從事定性理論研究的僅限于少數院校的少數研究者。
定性仿真產生之后，在理論上出現了百家爭鳴的局面，研究者們根據自己的見解提出了各自的建模和仿真理論。目前，基本可分為三個理論派別，即模糊仿真方法、基于歸納學習的方法和樸素物理學方法。
模糊數學方法可以解決模型信息與測量數據的不確定性，所以在定性理論中一般用來作為一種描述手段。最初，系統的定性值是采用區間模糊數的行為來描述的，英國的Qiang Shen進一步將其發展到用凸模糊數來描述定性值，在數據表示上前進了一大步。此后，又有人在其基礎上引入了概率論，來度量生成的多個行為的可信度。當前的模糊定性理論，在模糊數表示方面都存在一大弱點，那就是系統真實值與模糊量空間的映射問題，即如何確定描述系統的模糊量。
歸納推理法是定性仿真的一個新方向，它起源于通用系統理論，主要利用其中的通用系統問題求解（General System Problem Solve）技術。輸入盡可能多的行為，通過歸納學習的方式，構造系統的定性模型，進行仿真研究。歸納推理法最突出的優勢在于它完全不需要對象系統的結構信息，不需要預先提供任何模型。但是，這種方法需要采集大量的數據并處理和維護；而且，由于現實條件的限制，不能保證歸納的完備性。
樸素物理方法在理論和應用上發展得最為成熟，它興起于一些人工智能專家對樸素物理系統的定性推理研究。根據建立系統定性模型的方法，又可分為很多派別，比較有影響的有：Seely Brown和John de Kleer提出的基于摿鲾的概念的理論，K. D. Forbus 的定性過程理論，B.J.Kuipers基于約束的用定性微分方程描述的定性仿真理論等。
2 定性仿真的應用
現在，定性仿真技術與物理、化工、生態、生物、社會等學科相互滲透、結合，在系統監測、故障診斷、系統行為分析、解釋以及預測等方面發揮著越來越大的作用。 國外文獻報導較多而且應用取得成效比較明顯的應用領域主要有：工程和工業過程；電子電路分析和故障診斷；醫藥和醫療診斷；社會經濟領域。 下面有選擇地按照應用領域介紹其中比較典型的項目。
2.1 工程和工業過程
這里工程指傳統的工程領域及一些工程設備，如蒸餾塔、高壓鍋爐、汽輪機等人造設備；工業過程指一些連續系統，如機械制造、發酵、化工過程和電站等 。這方面的應用項目比較多見。
ARTIST是歐洲的ESPRIT 計劃中的一個項目，項目領導者是蘇格蘭的Heriot-Watt大學的Leitch.R，完成于1993年7月。此項目建立了定性動態模型，應用于過程監測與故障診斷。Leitch等人建立了一個基于定性微分方程(QDE)和模糊量空間的定性仿真器： Fusim, 現已應用在輸配電網絡和化工廠蒸餾塔的過程監控、分析、診斷上。
ESPRIT計劃中另一應用定性推理的重要項目是：TIGER工程-汽輪機的監測、診斷系統。現已應用在 Exxon化工廠的大型工業汽輪機以及Dassault航空中心的宇宙飛船輔助動力單元。系統應用定性仿真來預測汽輪機啟動及負載改變時的可能行為。
2.2 電子電路分析和故障診斷
定性仿真的一個很重要的應用領域便是電子電路分析和故障診斷。定性推理的先驅人物de Kleer早在1976年便開發了使用定性知識研究電子線路的系統 LOCAL，即根據電路部件已測知的正常行為和錯誤行為，分析實際行為和預測行為的不一致之處，然后指出電路的故障點。這種思想后來發展成了基于模型的故障診斷理論(model-based diagnosis therory)。時至今日，由于定性推理和仿真技術的不斷進步，該應用領域的發展前景更為廣闊。
這類項目中，最為典型的是Dague.P等人開發的模擬電路故障診斷工具-DEDALE。Dague對該系統進行了一系列實驗，聲稱：DEDALE系統能診斷出電路故障的75％，另外的25％故障沒有構成對電路性能的顯著影響，并且可以通過其他手段檢測出。Electronique Serge Dassault 繼續這個領域的研究工作，已推出一個名為“DIAGMASTER”的商業化產品。
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